电工技术 教学课件 ppt 作者 刘永波 第1章

学习要点,电流、电压参考方向及功率计算 常用电路元件的伏安特性 电路的工作状态 额定值的意义 基尔霍夫定律 电位的概念及计算,第1章 电路基础知识,第1章 电路基础知识,1.1 电路及其主要物理量 1.2 电路元件 1.3 基尔霍夫定律 1.4 电阻的串联与并联 1.5 电路的状态和电气设备的额定值,1.1 电路及其主要物理量,电路的组成 电路是电流的通路，由电源、负载、中间环节三个部分按一定方式组成的。,各部分的主要功能 电源：电路中电能的来源，是把非电能转化为电能的 装置 。 负载：消耗电能的设备，将电能转换为其他形式的能 量，为人们所利用 。 中间环节:连接电源和负载的部分，起传递、分配和控 制电能的作用。,1.1.1 电路的概念,1.1.2 电路的主要物理量,电流:带电粒子的有规则定向运动就形成了电流，其数值等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。 电流大小：单位时间内通过导体横截面的电荷量,大写 I 表示直流电流;小写 i 为表示电流的一般符号。,1.电流,规定正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向为电流的实际方向。电流的方向可用箭头或双下标变量表示。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向,也称正方向 。,如果求出的电流值为正，说明电流的参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,图1-2 电流的参考方向与实际方向,2. 电压、电动势和电位,（1）电压：设在某一电路中电场力把电荷q从A点经外电路移动到B点所做的功为WAB，则电场中A点到B点的电压为,电压的方向（实际方向）规定由高电位端指向低电位端，即为电压降的方向。 在分析电路时，也需选取电压的参考方向。当电压的参考方向与实际方向一致时，电压为正值（U0）；反之，当电压的参考方向和它的实际方向相反时，电压为负值（U0）。,电压的参考方向也是任意指定的。在电路中，参考方向可用箭头来表示，也可用双下标表示，如UAB表示A和B之间电压的参考方向是由A指向B的，也可用极性“+”、“-”表示，“+”表示高电位，“-”表示低电位。,求得的U为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,图1-4 电压的参考方向与实际方向,在分析电路时，电压和电流参考方向的假定，原则上是任意的。但为了方便起见，元件上的电压和电流常取一致的参考方向，这称为关联参考方向；如不一致，称为非关联参考方向。,若U与I参考方向一致，则其电压与电流的关系是U=IR；若U与I参考方向不一致，则电压与电流的关系是U=-IR 。可见，在列写电压与电流的关系式时，式中的正负号由它们的参考方向是否一致来决定。,图1-5 关联参考方向与非关联参考方向,（2） 电动势：衡量非电场力对电荷做功能力的物理量。非电场力将单位正电荷从电源低电位端B（负极）经电源内部移到高电位端A（正极）所做的功称为电源的电动势，用字母E表示。,电动势的实际方向在电源内部是从低电位指向高电位。,（3）电位：度量电路中各点所具有的电位能大小的物理量，是一个相对的概念，它必须是相对于某个特定的参考点而言的。电位在数值上等于电场力将单位正电荷从该点移到参考点所做的功，用V表示。参考点的电位值一般设为零，因此也称为零电位点。 对照电位与电压的定义，不难理解电路中任意一点的电位，就是该点与参考点之间的电压，而电路中任意两点之间的电压，则等于这两点的电位之差。,式中，VA为A点的电位，VB为B 点的电位。,1kV=103V 1mV=10-3V,那么如何选取参考点呢？从理论上讲，是把无穷远处作为零电位参考点；在工程上，是把大地作为零电位参考点；在电子技术上，以机壳或导线汇交点作为零电位参考点。实际上，零电位参考点可以任意选定，它只是作为一个电位比较标准，在电路图中用“”符号表示。 在国际单位制中，电压、电动势和电位的单位都是伏特（V）。当电场力把1C（库仑）的电荷从一点移到另一点所做的功为1J（焦耳）时，该两点间的电压为1V。有时也用千伏（kV）、毫伏（mV）为单位，它们之间的换算关系为,下面以图1-6为例，来讨论电路中各点的电位。设E1=30V，E2=40V，R1=10，R2=20，R3=10，I1=1A，I2=1A，I3=2A。,先把D点设为参考点，则各点的电位如下： VD=0V VA=E1=30V VB=I3R3=20V VC=E2=40V,如果把上图中的B点作为参考点，则各点的电位值为 VB=0V VA=I1R1=10V VC=I2R2=20V VD=-I3R3=-20V,图1-6 电路中各点的电位,无论是把B点作为参考点，还是把D点作为参考点，虽然各点的电位值变了，但任意两点间的电压是不变的。如C到B点的电压总为UCB=VC-VB=I2R2=20V。 从上面的结果可得出如下两点结论： 电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压；参考点选得不同，电路中各点的电位值不同，但是任意两点间的电压是不变的。 所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的。 在画电路图时，特别在画电子电路图时，常省掉电源，各端标以电位值。,3. 电能和功率,设A、B两点的电压为U，通过的电流为I，电场力把正电荷q从A点经负载移到B点，电场力对正电荷做了功。由电压、电流的定义，电场力所做的功可表示为,这就是在时间t 内负载所消耗或吸收的电能，而单位时间内消耗的电能称为功率。 在电路分析中，当电压、电流在参考方向下，功和功率也是代数量。在电压、电流为关联参考方向时，P0 ，说明元件是耗能的，为负载；若P0，说明元件产生电能，为电源。若电压、电流为非关联参考方向，情况相反，可修正为 P = -UI,【例1-2】 在图1-10所示电路中，电压、电流的参考方向已标出，已知I1=-4A，I2=-6A，I3=10A，U1=60V，U2=-60V，U3=60V，求各元件的功率，并判断是输出功率还是消耗功率，验证功率是否平衡。,解：元件一：,（输出功率）,元件二：,（输出功率）,元件三：,（消耗功率）,（功率平衡，说明计算正确）,图1-10 例1-2电路图,1.2 电路元件,电路中连接的电气装置或器件，形态各异，种类繁多，物理性质复杂，所以由实际电路元件组成的电路结构复杂，不便进行分析计算。为此，需要将实际电路元件理想化。 基本的理想无源元件有电阻元件、电感元件和电容元件；理想有源元件有电压源和电流源。,1电阻元件,理想电阻元件简称为电阻元件，是实际电阻器的理想化模型，它是一种将电能转换为热能的理想电路元件。,1.2.1 无源元件,电阻元件的图形符号如图1-14a所示，用字母R表示。,当电阻两端的电压与流过电阻的电流为关联参考方向时，根据欧姆定律， 其伏安特性为,电阻的单位为欧姆（），简称欧 。 电阻元件消耗的功率为,图1-14 电阻元件及其伏安特性,2电感元件,电感元件是一种能够储存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。,图1-15 电感元件及其韦安特性,3电容元件,电容元件是一种能够储存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。,只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但，相当于开路，即电容具有隔直作用。,C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。,存储能量：,图1-16 电容元件及其库伏特性,1电压源,1.2.2 有源元件,U=US 端电压为Us，与流过电压源的电流无关，由电源本身确定，电流任意，由外电路确定。,当电流流过电压源时从低电位流向高电位，则电压源向外输出电能。当电流流过电压源时从高电位流向低电位，则电压源吸收电能，此时相当于负载。,图1-17 理想电压源及其伏安特性,2电流源,I=IS 流过电流为Is，与电源两端电压无关，由电源本身确定，电压任意，由外电路确定。,电流源既可以对外电路提供能量，也可以从外电路接受能量，视电压的极性而定。,图1-18 理想电流源及其伏安特性,3受控电源元件,受控电源元件简称为受控源，它向电路提供的电压和电流，是受其他支路的电压或电流控制的。当控制电压或电流为零时，受控源就不起电源作用了。 受控源有电压源，也有电流源，而控制量可以是电压，也可以是电流。因此，受控源有四种不同的类型。分别为电流控制电压源（CCVS）、电流控制电流源（CCCS）、电压控制电压源（VCVS）、电压控制电流源（VCCS）,图1-19 受控电源符号,1.3 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包含有两条定律：有关电路中电流之间关系的基尔霍夫电流定律；有关电路中电压之间关系的基尔霍夫电压定律。,支路：电路中的每一分支称为支路，一条支路流过同一个电流。 节点：电路中三条或三条以上的支路相连接的点称为节点。 回路：由一条或多条支路所组成的闭合路径称为回路 网孔：未被其他支路分割的回路称为网孔。,1.3.1 基尔霍夫电流定律（KCL）,在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。,在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。,表述一,表述二,可假定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负 ；也可以作相反的假定。,基尔霍夫电流定律也可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面。例如在图1-24所示电路中，对于封闭面S，可以将它看作一个大节点，同样有,或,在任一瞬间，通过任一闭合面电流的代数和等于零。基尔霍夫电流定律是电流连续性的体现。,图1-24 基尔霍夫电流定律的推广应用,【例1-3】 在图1-25所示的部分电路中，已知：IA=3A，IAB=-5A，IBC=8A，求IB、IC和IAC。,解：根据图中所示的电流参考方向，对节点A、B、C，应用基尔霍夫电流定律得出,IB也可由基尔霍夫电流定律的推广应用求得，即,图1-25 例1-3电路图,1.3.2 基尔霍夫电压定律（KVL）,表述一 任何时刻，沿任一回路循环一周，所有支路电 压降的代数和等于零。,表述二 任一瞬时，沿电路中的任一回路循环一周，电阻上电压降的代数和等于电源电压的代数和。,电压参考方向与回路循行方向一致时取正号，相反时取负号。,与回路循环方向一致的电流前面取“+”号，相反的取“-”号；与回路循环方向一致的电源电压取“-”号，相反的取“+”号。,基尔霍夫电压定律不但适用于闭合回路，对于开口电路同样适用，但需要在开口处假设电压。,【例1-4】 求图1-27所示电路的开口电压Uab。,解：电流I参考方向如图所示，在回路CDEFC中，根据基尔霍夫电压定律，有,在回路ABEFA中，根据基尔霍夫电压定律，有,图1-27 例1-4电路图,【例1-5】已知图1-28所示的电路中电流源的电流IS=2.2A，电阻R0=10，RL=1，试求： （1）开关S断开时电流源的端电压U。 （2）开关S闭合后电流源的端电压U及负载电流I。,解：（1）S断开时，,，根据欧姆定律得,（2）S闭合后，对节点A根据基尔霍夫定律列出电流方程式,对回路ABCDA根据基尔霍夫定律列出电压方程式,联立，消去I0，得负载电流,端电压,图1-28 例1-5电路图,1.4 电阻的串联与并联,1.4.1 电阻的串联,电阻的串联是把若干个电阻元件一个接一个地连接在一起，构成一条无分支的电路。串联电阻通过的是同一个电流。如图1-34a。,串联电阻的总电阻等于各串联电阻之和，总电阻用R表示。把图1-34a简化为图1-34b。,虽然流过串联电阻的电流相同，但是它们的电压并不相同，各电阻上的电压为,图1-34 电阻的串联,可见，各个串联电阻上的电压与其电阻成正比，电阻越大，其上的电压越大；电阻越小，其上的电压越小。,各电阻消耗的功率为,如果把式,中的各项乘以 I ，则得,即,串联电阻消耗的总功率等于各个电阻消耗的功率之和。,1.4.2 电阻的并联,若将多个电阻连接在两个公共的节点之间，这种连接方式称为电阻的并联。并联的各个电阻作用于同一电压下。如图1-35a。,几个电阻并联时，总电阻R的倒数等于各个电阻的倒数