电工技术 教学课件 ppt 作者 牛百齐 第1章 直流电路

1、第1章 直流电路,学习目标: 熟悉电路组成，掌握描述电路的基本物理量。 熟练分析电路的状态，理解电气设备额定值。 理解支路、节点、回路和网孔的概念。 掌握基尔霍夫定律内容及应用。,1.1 电路及其模型,在日常生活中存在着各种形式的电路，如照明电路，电动机控制电路，收音机、电视机的放大电路等。了解电路的组成、作用等是分析、计算电路的基础。,1.1.1 电路组成及作用,1电路组成 电路是电流流通的路径，它由电路元件按照一定方式连接而成。 一个完整的电路包括电源、负载及中间环节（包括开关和导线等）三部分组成。 电源把其他形式的能量转换为电能，负载取用电能，它把电能转换为其他形式的能量，中间环节把电源和负载连接起来，为电流提供通路，把电源的能量供给负载，并根据负载需要接通或断开电路。,最简单的电路是手电筒电路，其电路组成的三个部分是：电源干电池，负载小灯泡，中间环节开关和筒体金属连片。如图1-1所示。 图1-1 手电筒电路,2电路的作用 电路的作用可分为两大类： 一类是实现电能的传输和转换。 另一类是实现信号的传递和处理。,1.1.2 电路模型,用一个或几个理想电路元件的组合来代替实际电路中的

2、具体元件称为实际电路的模型化。 电路模型是由理想电路元件和理想导线相互连接而成的整体，是对实际电路进行科学抽象的结果。 将一个实际电路抽象为电路模型的过程，又称建模过程，其结果与实际电路的工作条件以及对计算精度的要求有关。,思考与练习,1-1-1 电路有哪几部分组成？各部分在电路中起什么作用？ 1-1-2 实际电路和电路模型有什么关系？,1.2 电路的基本物理量,电路分析中常用到电流、电压、电位和功率等物理量，本节对这些物理量以及与它们有关的概念进行简要说明。,1.2.1 电流及参考方向,1电流 电流是电荷的定向移动形成的。电流的大小用电流强度来衡量。 电流强度等于单位时间内通过导体某截面的电量。设在dt时间内通过导体某一横截面的电量为dq，则通过该截面的电流强度为 （1-1）,所通过的电路称为直流电路。在直流电路中，式（1-1）可写成 在国际单位制中，电流的单位是安培(A)，简称安，实际使用中还有千安（kA）、毫安(mA)、微安(A)。 它们的换算关系是 1kA=103A 1A=103 mA 1mA =103A,在分析电路时不仅要计算电流的大小，还应了解电流的方向。 一般，把正电荷定

3、向运动的方向规定为电流的方向。那么，负电荷运动的方向与电流的实际方向相反。,2电流的参考方向,电流的参考方向，也称假定正方向，可以任意选定，在电路中用个箭头表示，且规定当电流的实际方向与参考方向一致时，电流为正，即 0。如图1-5a所示；当电流的实际方向与参考方向相反时电流为负值，即 0。如图1-5b所示。,1.2.2 电压及参考方向,1电压 电压是用来描述电场力对电荷做功能力的物理量。如果电场力将单位正电荷dq从电场的高电位点a经过电路移动到低电位点b所做的功是dw，则ab两点之间的电压为,在直流电路中，ab两点之间的电压为 （1-4） 在国际单位制中电压的单位为伏特，简称伏(V)实用中还有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(V)等。 它们之间的换算关系是 1kV103V 1V103mV 1mV103V 规定电压的实际方向是从高电位端指向低电位端。其方向可用箭头表示，也可用“+”“”极性表示。它还可以用双下标表示，如Uab表示电压方向由a指向b。显然可以看出，Uab=-Uba。,2电压的参考方向,电路中两点间的电压可任意选定一个参考方向，且规定当电压的参考方向与实际方向一致时电压为正值

4、，即 0，如图1-6a所示；相反时电压为负值即 0，如图1-6b所示。,3关联方向,任一电路的电流参考方向和电压参考方向都可以分别独立假设。但为了电路分析方便，常使同一元件的电压参考方向和电流参考方向一致，即电流从电压的正极性端流入该元件而从它的负极性端流出，电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向。如图1-7a所示； 当电压参考方向和电流参考方向不一致时，称为非关联参考方向。如图1-7b所示。,a) 关联参考方向 b) 非关联参考方向 图1-7 关联参考方向与非关联参考方向,在分析和计算电路时，选取关联方向还是非关联方向，原则上是任意的。但为了分析的方便，对于负载，一般把两者的参考方向选为关联参考方向，对于电源一般把两者的参考方向选为非关联参考方向。另外，和的参考方向一经选定，中途就不能再变动。,选电路中一点O为电位参考点，根据电位的定义，有 某点的电位，实质上就是该点与参考点之间的电压。其单位也是伏特（V）。,1.2.3 电 位,在电路中任选一点为参考点，则某一点a到参考点的电压就称为a点的电位，用Va表示。电路中各点的电位都是相对参考点而言的。通常规定参考点的电位为零，因此参考点

5、又称为零电位点，可用接地符合“ ”表示。 参考点的选择是任意的，一般在电子线路中常常选多元件的汇集处；工程技术中常选大地、机壳为参考点。若把电气设备的外壳“接地”，那么外壳的电位就为零。,一般规定，电压实际方向由高电位点指向低电位点。 电路中的电位参考点一经选定，电路中的各点电位也就确定了。 参考点的选择不同，电路中各点电位将随参考点的变化而变化，但任意两点间的电压是不变的。,1.2.4电源与电动势,1电源 电源是能够把非电能持续转换成电能的装置。电源有正极和负极，正极有较多的正电荷，因此电位高；负极有较多的负电荷，它的电位低。正极与负极之间的电位差就是电源的电压。 电源向外电路供电时，在外电路和内电路上发生的物理过程是不相同的。如图1-9所示。,图1-9 电源的工作原理,在电源的内部，存在两个物理现象，它们有相互制约的作用。 (1)电源的内部有一种固有的力，称为电源力。电源力具有拉动正电荷的作用，把电源负极的正电荷经内电路移送到正极去。 电源力移送电荷的做功过程，也就是将电源本来含有的其他能量转换为电能的过程。 正是这个过程向正、负极分别补充正、负电荷，维持两极的电压。,(2)聚集在

6、两极的正、负电荷会在电源内部建立内电场，内电场的方向从正极指向负极。 它对向正极移动的正电荷施加电场力，而且电场力的方向跟电源力的方向相反。 在电源向外电路供电时，两极的电荷减少，内电场减弱，阻力变小。此时的电源力大于阻力，上升到主导地位，就能够克服阻力，及时向两极补充正、负电荷。,当两极的正、负电荷聚集到一定量时，内电场达到一定的强度，阻力也增大到与电源力相等的程度；此时电源力与电场力两者处于动态平衡状态，使得电源两极的正、负电荷不再增加，电压长期维持为一个确定的值。,2电动势,为了表述不同电源转化能量的能力，人们引入了电动势这一物理量，用来描述电源力做功的本领。由于外电路中没有电源力，所以只能在内电路中定义电动势：电源力把正电荷Q从负极移到正极所做的功W与被移动的电荷量Q的比值，称为电源的电动势，用符号E表示，即,电动势的国际单位是伏特，单位符号是V。 电动势有方向，规定电源力推动正电荷运动的方向为电动势的实际方向。 它从电源的负极经过内部指向正极，是电位升高的方向。可见电动势与实际电压的方向相反。,电动势是电源的属性。电动势的大小取决于电源本身的构造，确定的电源具有确定的电动势，

7、与外电路无关。 应该指出，在电源内部，正电荷在电源力作用下从负极流向正极形成内电路电流，内电流也会受到阻碍，所以电源内部也有电阻，叫做电源的内阻，用符导r表示。电源的内阻也是电源的属性。,图为一个理想电源与一个内阻串接而组合成一个实际电源。图1-10b省略不画内阻，但用字母r表示了内阻存在。这两个图的意义是一样的。,1.2.5 电功与电功率,1电功 电流通过电动机时，能带动物体向上运动，从而把消耗的电能转换为系统的机械能；同理，电流通过电炉时，把电能转换成了热能。这些现象表明，电流可以做功。 电流做功时，把电能转换为其他形式的能量(如机械能、热能等)。电流所做的功简称电功，用符号W表示。,设在一段导体内的电场中有a、b两点，这两点间的电势差为U，在电场力作用下，电荷量为Q的正电荷从a点移动到b点，那么，电场对电荷做了功W。移动电荷Q所形成的电流为I。 根据 和 得 （1-8） 式(1-8)说明：电流在一段电路上所做的功W，与这段电路两端的电压U、电路中的电流I及通电的时间t成正比。,2电功率,在电路的分析和计算中，电能和功率的计算是十分重要的。 这是因为电路在工作状况下总伴随着电能与其

8、他形式能量的相互交换； 另一方面，电气设备、电路部件本身都有功率的限制，在使用时要注意其电流值或电压值是否超过额定值。,如果电路的负载是纯电阻，根据欧姆定律，式(1-8)可写成 （1-9） 电功另一个常用单位是千瓦小时(kWh)，1kWh就是常说的1度电，它和焦耳的换算关系为 1kWh=3.6106J 电度表就是测量电功的仪器。,在电气工程中，电功率简称功率，定义为单位时间内元件吸收或发出的电能，用 表示。设 时间内元件转换的电能为 ，则 （1-10） 对直流电路，功率 （1-11） 可见，电路的功率等于该电路电压和电流的乘积。,如果电路中的负载是纯电阻，根据欧姆定律，式(1-11)可写成 （1-12） 国际单位制中功率的单位是瓦(W)，有时还可用千瓦(kW)、毫瓦(mW)为单位，它们之间的换算关系为 1kW=103W 1W=103mW,【例1-1】有一支220 V、l00W的电灯，接在220 V的电源上，试求通过电灯的电流和电灯的电阻；如果每晚用3h，求1个月消耗多少电能?(1个月以30天计算),解：由 得 1个月消耗的电能为 kWh9度,功率与电压、电流有密切关系。 例如对于电阻元

9、件，当正电荷从电压的“+”极性端经过元件移动到电压的“”极性端时。 电场力对电荷做功，此时元件消耗能量或吸收功率。 对于电源元件，当正电荷从电压的“”极性端经元件移动到电压的“+”极性端时，非电场力对电荷做功（电场力对电荷做负功)，此时元件提供能量或发出功率。,电压和电流有关联参考方向和非关联参考方向，为分析方便，规定： 当电压和电流的参考方向为关联参考方向时，当电压和电流的参考方向为非关联参考方向时。 当0时，表示元件吸收(消耗)功率，是负载性质；当0时，表示元件实际提供(发出)功率，是电源性质。 根据能量守恒定律，电源输出的功率和负载吸收的功率应该是平衡的。,【例1-2】电路中各元件电压和电流的参考方向如图1-11所示。已知 试求各元件的功率，并说明是吸收功率还是发出功率，整个电路是否满足能量守恒定律。 图1-11 例1-2电路图,解：根据各元件上电压和电流的参考方向，可得各元件的功率为： 元件1： ，元件1是发出功率 元件2： ，元件2是吸收功率 元件3： ，元件3是吸收功率 元件4： ，元件4是发出功率 电路的总功率 即整个电路的能量是守恒的。,1.3 电路的工作状态和电气设备的额定值,根据电源和负载连接的不同情况，电路可分为通路、开路和短路三种基本状态。下面以简单的直流电路为例，讨论不同电路状态的电流、电压和功率。,1.3.1电路的工作状态,1有载状态 将图1-15所示的电路开关S合上，接通电源和负载，该电路为有载状态，或称为通路。通路时，电路特征如下： （1）当电源一定时，电路的电流取决于负载电阻。根据欧姆定律可求出电源向负载提供的电流为,（2）电源的端电压U和负载端电压相等，即 （1-14） 由于电源内阻的存在，电压U将随负载电流的增加而降低。 （3）电源对外的输出功率（即负载获得的功率）等于理想电压源发出的功率减去内阻消耗的功率。,2开路状态,电源和负载没有构成通路，称为电路的开路状态。电路特征如下： 电路开路时，断路两点的电阻等于无

《电工技术 教学课件 ppt 作者 牛百齐 第1章 直流电路》由会员E****分享，可在线阅读，更多相关《电工技术 教学课件 ppt 作者 牛百齐 第1章 直流电路》请在金锄头文库上搜索。