电路的基本概念和基本定律.ppt

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,张冬梅,我的联系电话：,13583202726,zdm19630810,实验：,各班课代表找李虹老师联系具体实验时间和实验内容，,联系电话：,13153268460,电能的优点,带着思考听课,、,看书,、,写作业,、,做笔记,学习本课程的目的,：,学习要求：,为今后从事工科各专业的学习和工作打下必备的基础。,电能的优点,易转换,输送经济、分配方便,控制测量迅速而准确,能以电磁波的形式在空间传播,不同的电路具有不同的功能，例如：,供电电路用来传输、变换电能；,整流电路可将交流变直流；,滤波器电路可以“滤掉”附加在有用信号上的噪声，完成信息处理任务；,检测电路可将非电量转换成电量等等。,实际的工程电路千差万别，其功能的分类法也很多。然而，不论电路结构、功能有多大不同，抽象化后的电路之间却有着相同的内在规律和分析方法，遵循着相同的规律。电路理论就是研究电路基本规律的，它的理论和方法在很多技术领域得到广泛的应用。,电不仅是现代化工农业生产和交通运输的主要动力来源，也是通信、自动控制、计算机技术和尖端科技的基础。在实际工作和生活中，人们可以通过各种电路来完成各种任务。,第,1,章 电路的基本概念与基本定律,1.1,电路和,电路模型,1.2,电路中的基本物理量,1.3,R,、,L,、,C,元件,1.4,电压源和电流源,1.5,基尔霍夫定律,1.6,电路的工作状态,重要,本章要求,:,1.,理解电压与电流参考方向的意义；,2.,理解电路的基本定律并能正确应用；,3.,了解电路的有载工作、开路与短路状态，,理解电功率和额定值的意义；,4.,会计算电路中各点的电位。,第,1,章 电路的基本概念与基本定律,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,用于分析计算的电路图形。由,理想电路元件,构成的模型。忽略次要因数，突出其主要因数的元件,1.1,电路及电路模型,电流的通路,电路,E,R,由,电气元件组成，并进行着能量形式转换，电能的传输和分配过程。,电池,灯泡,实际,电路,电路模型：（简称电路）,激励,输入,响应,输出,建模,要求：不失真。,放大器,例：,扩音机,:,话筒、放大器、扬声器,1,）、进行能量的转换、传输和分配。,2,）、实现信号的传递、存储和处理。,1,、电路的主要功能（作用）：,要求：减小损耗、提高效率,例：,电力系统,-,发电、变电、输电、配电、用电的整体。,问题：为什么要高压送电？,1020KV,教学楼,50KV,110KV220KV 330KV500KV,教室,50KV,220KV,10KV,35KV,380/,220V,电力系统：发电、变电、输电、配电、用电的整体,2.,电路的,组成部分,电源,:,提供,电能的装置,负载,:,取用,电能的装置,中间环节：,传递、分,配和控制电能的作用,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,电力网,激励,响应,直流电源,直流电源,:,提供能源,信号处理：,放大、调谐、检波等,负载,信号源,:,提供信息,2.,电路的,组成部分,放大器,扬声器,话筒,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,1.1.2,电路模型,电路模型,足以反映实际电路器件的电磁性能的理想电路元件或它们的组合。,理想电路元件,抽掉了实际部件的外形、尺寸等差异性，反映其电磁性能共性的电路模型的最小单元。图,1-1,（,b,）是手电筒的电路模型。,几种基本的理想电路元件：,1,）电阻,消耗电能；把电能转换成其他形式能量的过程，例如，灯泡把电能转换成光能和热能，电动机把电能转换成机械能等等。,2,）电感,储存磁场能量,;,把电能以磁场能量形式储存起来，纯电感不消耗能量。,3,）电容,储存电场能量,;,把电能以电场能量形式储存起来，纯电容不消耗能量。,4,）电源元件,释放电能；将其它形式的能量转变成电能。,手电筒的电路模型,R,+,R,o,E,S,+,U,I,电池,导线,灯泡,开关,电池,是电源元件，其参数为电动势,E,和内阻,R,o,；,灯泡,主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻,R,；,筒体,用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关,用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,1.2,电路中的基本物理量,1.2.1,电流,带电粒子有规律的运动形成电流。电流的大小定义为：单位时间内通过导体截面积的电荷量,电流强度的单位是安培（,A,）,对,直流，,I=Q/t,习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方向,1.2.2,电压和电位,单位正电荷从,a,点移到,b,点时电场力作的功称为,ab,两点间的,电压,如将电荷,dq,从,a,点移到,b,点时电场力作的功为,dW,，则,对,直流，,U,ab,=W/Q,电压的单位是伏特,(V),在电路中任取一点,O,作为参考点，则由某点,a,到参考点的电压,U,ao,称为,a,点的,电位,V,a,在一个连通的系统中，只能选择一个参考点，参考点的电位等于零,参考点用接地符号“,”表示,例：,若在如图,1-6,（,a,）,所示的电路中，,选择,b,点为,零电位参考点，,这时各点的电位是,Va=6V,；,Vb=0V,；,Vc=-6V,。,如果把,C,点作为,零电位参考点，,则,Va=12V,；,Vb=6V,；,Vc=0V,。,电压的方向为正电荷电势能降低的方向,实际方向由高电位点指向低电位点，即电位降低的方向,电压,U,ab,可,表示为,关联参考方向,：,同一元件的电压参考方向和电流参考方向取为一致，电流从电压的正极流向负极,例,1:,图示电路，计算开关,S,断开和闭合时,A,点,的电位,V,A,解,:(1),当开关,S,断开时,(2),当开关闭合时,电路,如图（,b,）,电流,I,2,=0,，,电位,V,A,=0V,。,电流,I,1,=,I,2,=0,，,电位,V,A,=6V,。,电流在闭合,路径中流通,2K,A,+,I,1,2k,I,2,6V,(b),2k,+6V,A,2k,S,I,2,I,1,(a),1.2.3,电功率和电能,功率的定义为单位时间内能量的变化,d,q,元件,A,的电功率为,若,u,、,i,互为异号,则,p,0,+,电压参考方向的标注方式：,用参考极性表示,用箭头表示,用双下标表示,+,u,u,a,b,u,ab,+,u,(2),参考方向的表示方法,电流：,U,ab,双下标,电压：,(1),参考方向,I,E,+,_,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,I,ab,双下标,电路基本物理量的参考方向,a,R,b,箭 标,a,b,R,I,正负极性,+,a,b,U,U,+,_,实际方向与参考方向,一致,，电流,(,或电压,),值为,正值,；,实际方向与参考方向,相反,，电流,(,或电压,),值为,负值,。,(3),实际方向与,参考方向的关系,注意：,在参考方向选定后，电流,(,或电压,),值才有正负之分。,若,I,=5A,，,则电流从,a,流向,b,；,例：,若,I,=5A,，,则电流从,b,流向,a,。,a,b,R,I,a,b,R,U,+,若,U,=5V,，,则电压的实际方向从,a,指向,b,；,若,U,=5V,，,则电压的实际方向从,b,指向,a,。,一、线性电阻元件：,R,i,u,电阻单位：,欧姆、,定义：电导,G=1/R,G,单位：,西门子、,S,G,i,u,欧姆定律：,u,、,i,关联参考方向,u=,Ri,u,、,i,非,关联参考方向,u=,Ri,u,i,伏安特性,开路,R ,，,G 0,短路,R 0,，,G ,1.3 R,、,L,、,C,元件,-,欧姆定律,U,、,I,参考方向相同时，,U,、,I,参考方向相反时，,R,U,+,I,R,U,+,I,表达式中有两套正负号：,式前的正负号由,U,、,I,参考方向的关系确定；,U,、,I,值本身的正负则说明实际方向与参考,方向之间的关系。,通常取,U,、,I,参考方向相同。,U,=,I R,U,=,IR,解：,对图,(a),有,U,=,IR,例：,应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻,R,。,对图,(b),有,U,=,IR,R,U,6V,+,2A,R,+,U,6V,I,(a),(b),I,2A,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,I,/,A,U,/,V,o,线性电阻的伏安特性,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,1.3.2,电感元件,电感元件是一种能够贮存磁场,能量的元件。,i,电路符号,=Li,L,为电感参数（,Inductance,）。,单位：亨利,(H),L,i,+,u,L,伏安关系,只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。,在直流电路中，电感上即使有电流通过，,但,u,=0,，,相当于,短路,储能元件,磁化曲线,起始段，磁导率较小,线性区，磁导率大且不变,饱和区,=,L,i,i,线圈在铁磁材料的非饱和状态下工作,L,近似不变,磁滞现象与磁滞回线,电流强度,i,缓慢地循环变化，,-,i,曲线是一封闭曲线,:,磁滞回线,剩磁,r,i,r,1.3.3,电容元件（,Capacitor,）,伏安关系,电路符号：,C,为电容参数，表征电容储存电荷的能力。,单位是法拉（,F,）。,电容元件是一种能够储存电场能量的元件。,C,u,i,+,q=Cu,i,du/,dt,。,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,i,=0,，,相当于开路，即 电容具有,隔直作用,。,电解电容器,瓷质电容器,聚丙烯膜电容器,固 定 电 容 器,实际电容器示例,管式空气可调电容器,片式空气可调电容器,可 变 电 容 器,伏安关系,U,C,(0),为初始时刻,t,0,时电容的初始电压，反映,t,0,前“历史”中电容电流的积累效应,电容对它的电流具有记忆能力，,电容元件中的电场能量,电容元件储存的电场能量只和考察时刻它的端电压数值有关。,1.,独立电压源：,+,U,S,I,+,u,S,i,特点：,（,1,）任何时刻，电压源两端,电压,始终,不变,（大小、方向）,（,2,）电压源的,电流,随外电路改变而改变，其大小由电压源电压和外电路共同决定,理想电压源,+,U,S,I,R,+,u,S,i,R,电压源,i,u,理想电压源伏安特性,U,S,i,u,实际电压源伏安特性,U,S,1.4,电压源及,电流源（理想）,+,U,I,S,理想电流源,特点：,（,1,）任何时刻，电流源的,电流,始终,不变,（大小、方向）,（,2,）电流源的两端,电压,随外电路改变 而改变，其大小由电流源电流和外电路共同决定,i,u,理想电流源伏安特性,I,S,i,u,实际电流源伏安特性,I,S,+,u,i,R,电流源,i,S,2.,独立电流源：,例、电路如图所示，其中,i,s,=2A,u,s,=10V,(1),求,2A,电流源和,10V,电压源的功率,(2),如果要求,2A,电流源的功率为零，在,AB,线段内应插入何种元件？分析此时各元件的功率,(3),如果要求,10V,电压源的功率为零，在,BC,间应插入何种元件？分成此时各元件的功率,解：,(1)2A,电流源发出的功率,10V,电压源吸收的功率,(2),若要,2A,电流源的功率为零，则需使其端电压为零，在,AB,线段内插入与,u,s,电压源方向相反数值相等的电压源,u,s,如图,a,所示，分析此时电压源的功率,p,i,s,0,；,插入的电压源发出的功率,p,u,s,=20W,，,原来的电压源吸收的功率,p,u,s,=20w,A,B,C,us,i,s,A,B,C,us,i,s,us,图A,(3),若要,10V,电压源的功率为零，则需要使流经电压源的电流为零，在,BC,间并联电流源,i,s,，,其方向与,i,s,电流源的方向相反，数值相等如图,b,所示。或并联,R,u,s/,i,s,5,的电阻如图,c,所示,A,B,C,u,s,i,s,图b,i,s,A,B,C,u,s,i,R,图C,5,i,s,在图,(C),中，流经电阻的电流为,i,R,=,u,s/R=2A.,由,KCL,可知，流经电压源,u,s,的电流为零，因此，,u,s,的功率为零，此时原发出功率,p,i,s,=,u,s,i,s,=20W;,并入的电阻,R,消耗功率,p,R,=,u,s,2,/R=20W,1.5,基尔霍夫定律,E,1,A,B,R,E,2,C,D,0,参考电位点（参考结点）,名词：,支路,：电路中流过同一电流的分支。,结点（节点）,：连接三条以上支路的点。,回路,：电路中任一闭合路径。,在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有支路电流的,代数和,恒等于零：,假如规定：,i,流出,结点为,正 ,流入,结点为,负 ,在集总电路中,任何时刻，流入任意结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。,i,1,i,2,i,3,i,4,重要,一、基尔霍夫电流定律：（,KCL,）,如图所示电路，已知,i,1,、,i,2,、,i,6,，,求,i,3,i,4,i,5,？,解：,i,1,i,2,i,3,i,4,i,5,i,6,结论：,基尔霍夫定律不仅适用于,结点,，也适用于,闭合面,推广的,KCL,：,任何时刻，,流入,任意,闭合面,的电流之和等于,流出,该,闭合面,的电流之和。,例1,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2,推广,I,=?,例:,广义结点,I,=0,I,A,+,I,B,+,I,C,=0,A,B,C,I,A,I,B,I,C,2,+,_,+,_,I,5,1,1,5,6V,12V,在,集总电路中，任何时刻，沿任一回路循行一周，回路中各段电压的,代数和,等于零：,给定回路绕向,规定：,电压,与回路绕向一致为正，,与回路绕向相反为负，或反之。,i,1,i,2,i,3,i,4,i,5,i,6,+,u,1,+,u,6,+,u,2,R,1,R,2,R,6,二、基尔霍夫电压定律：（,KVL,）,如图，已知,u,1,=u,3,=1V,，,u,2,=4V,，,u,4,=u,5,=2V,，,求,u,x,、,u,6,。,+,u,x,+,u,5,+,u,6,+,u,1,+,u,4,+,u,2,+,u,3,解：,对,回路有：,对,回路有：,例1-4,如图所示电路中，,R,1,=1,，,R,2,=2,，,R,3,=3,，,U,S1,=3V,，,U,S2,=1V,。,求电阻,R,1,两端的电压,U,1,。,+,U,S2,+,U,1,+,U,S1,R,1,R,2,R,3,+,U,2,+,U,3,I,1,I,3,I,2,解：,对,结点有：,对,回路有：,对,回路有：,例1-5,如图，已知,R,1,=0.5k,，,R,2,=1k,，,R,3,=2k,，,u,S,=10V,，,电流控制电流源的电流,i,C,=50,i,1,。,求电阻,R,3,两端电压,u,3,。,解：,+,u,2,+,u,S,R,1,R,2,R,3,i,1,i,C,i,2,+,u,3,例1-6,求图中,I,、,U,S,、,R,I,+,-,u,s,12A,12,3,5A,R,1,15A,6A,I,R,u,R,I,1,解：,I=6-5=1A,I,R,=15-1=14A,I,1,=12+6=18A,I,3,I,3,=18-15=3A,U,S,-3I,1,-12I,3,=0,U,S,=90V,U,S,-3I,1,15*1-,U,R,=0,U,R,=21V R=1.5,补充例,电桥,是将电阻、电感、电容等参数的变化转变为电压或电流变化的一种测量电路。,案例,:,传感器,是将一种被测物理量转换为与之对应的、容易检测、传输或处理的信号装置。它类似于人的感觉器官。,案例,:,如图是电阻应变器中测量电桥的原理图,.R,X,是电阻应变片,粘附在被测零件上,.,当零件伸长或缩短时,R,X,的阻值随之改变,这反映在,U,0,上,测量前,R,X,=100,R,=R,=200,R,=100,这时满足,电桥平衡条件,U,0,=0.,在进行测量时,如果测出,(1)U,0,=1mv;(2)U,0,=-1mv,试计算两种情况下的,R,X,。,R,3,R,x,+,_,U,R,1,R,2,+,U,0,_,a,b,c,d,特征,:,开关 断开,1.6.1,开路,I=,0,电源端电压,(,开路电压,),负载功率,U,=U,0,=E,P,=,0,1.,开路处的电流等于零；,I,=0,2.,开路处的电压,U,视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征,:,I,+,U,有,源,电,路,I,R,o,R,+,-,E,U,0,+,-,1.6,电路的工作状态,电源外部端子被短接,1.6.2,短路,特征,:,电源端电压,负载功率,电源产生的能量全被内阻消耗掉,短路电流（很大）,U,=,0,P,E,=,P=I,R,0,P,=,0,1.,短路处的电压等于零；,U,=0,2.,短路处的电流,I,视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征,:,I,+,U,有,源,电,路,I,R,0,R,+,-,E,U,0,+,-,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U,=,IR,特征,:,1.6.3.,负载状态,I,R,0,R,+,-,E,U,+,-,I,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，,I,U,。,或,U,=,E,IR,0,电源的外特性,E,U,I,0,当,R,0,R,时，则,U,E,，,表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U,=,IR,特征,:,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，,I,U,。,或,U,=,E,IR,o,UI,=,EI,I,R,o,P,=,P,E,P,负载,取用,功率,电源,产生,功率,内阻,消耗,功率,电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念,:,负载大小是指负载取用电功率的大小。,I,R,0,R,+,-,E,U,+,-,I,电源与负载的判别,U,、,I,参考方向不同，,P,=,UI,0,，,电源,；,P,=,UI,0,，,负载,。,U,、,I,参考方向相同，,P,=,UI,0,，,负载,；,P=UI,0,，,电源,。,1.,根据,U,、,I,的,实际方向判别,2.,根据,U,、,I,的,参考方向判别,电源：,U,、,I,实际方向相反，即电流从,“,+,”,端流出，,（发出功率）,；,负载：,U,、,I,实际方向相同，即电流从,“,-,”,端流出。,（吸收功率）,。,例,已知,i,=1A,，,u,1,=3V,，,u,2,=7V,，,u,3,=10V,，,求,ab,、,bc,、,ca,三部分电路吸收的功率,P,1,、,P,2,、,P,3,。,解：,（吸收,3W,）,（吸收,7W,）,（实际发出,10W,）,功率平衡,电气设备的额定值,额定值,:,电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载,(,轻载,),：,I I,N,，,P I,N,，,P P,N,(,设备易损坏,),额定工作状态：,I=I,N,，,P=P,N,(,经济合理安全可靠,),1.,额定值反映电气设备的使用安全性；,2.,额定值表示电气设备的使用能力。,例：,灯泡：,U,N,=,220V,，,P,N,=,60W,电阻：,R,N,=,100,，,P,N,=,1 W,1.6,电路的工作状态,1.6.1,开路,当电路中某一负载支路与电源不构成闭合回路时，这一支路所处的状态称为开路。当,S,1,、,S,2,都断开时，电源与负载断开，电源处于开路状态，也叫空载状态。,1.6.2,短路,当用导线某一支路或元件的两端连接起来时，这一支路或元件的状态称为短路。,1.6.3,负载状态,S,合上，电路中有电流流过电源和负载，此时电路的工作状态称为负载状态。也称有载状态。,额定电流,:,电气设备在长期连续运行时允许通过的最大电流，用,I,N,表示。,额定电压,:,根据电气设备所用绝缘材料的耐压程度和容许升温等情况而规定的正常工作电压，用,U,N,表示。,额定功率,:,电气设备在额定电压、额定电流下工作时的功率，用,P,N,表示。,所谓,负载,的大小就是指负载功率的大小，而不是指负载电阻值的大小。,例,1.6.1,标有,220V60W,字样的白炽灯，（,1,）其额定电流是多少？（,2,）若将其接到,110V,的电源上，其实际功率是多少？（,3,）若接在,220V,电源上，每天用,2,小时，一个月耗电多少？（,4,）一台,10KW,的电源，并接了,30,盏这样的白炽灯，电路处于何种状态？,解：,（,1,）,220V60W,的白炽灯，其额定电压为,220V,，额定功率为,60W,，所以其额定电流为,（,2,）灯丝电阻,（,3,）接在,220V,电源上时的功率为额定功率,60W,，一个月以,30,天计用电,（,4,）并接在,220V,电源上时，每盏灯的功率为,60W,，,30,盏灯的总功率为,1800W,，小于电源的额定功率，电路处于欠载状态。,作业：,1.1 1.4 1.8 1.10,作业：,2.3 2.6 2.7 2.10 2.11 2.17 2.20,