第1章电路的基本概念与定律.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工技术,主编 李中发,制作 李中发,学习要点,第1章 电路的基本概念和定律,理解电路模型及理想电路元件的伏安关系，了解实际电源的两种模型,理解电压、电流的概念及参考方向的意义，电功率的概念及其计算,了解电器设备额定值的意义和电路负载、开路和短路状态的特点,理解并能熟练应用基尔霍夫电流定律和电压定律,理解电位的概念，会分析计算电路中各点的电位,第1章 电路的基本概念和定律,1.1 电路及电路模型,1.2 电路的基本物理量,1.3 电路元件的伏安关系,1.4 电气设备的额定值与电路的工作状态,1.5 基尔霍夫定律,1.6 电位的概念及计算,1.1 电路及电路模型,电路,是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。,电路的功能,一：进行能量的转换、传输和分配。,二：实现信号的传递、存储和处理,。,1.1.1 电路及其功能,1.1.2 电路的组成,电路由,电源,、,负载,和,中间环节,3部分组成。电源提供电能，负载取用电能，中间环节传递、分配和控制电能。,1.1.3 电路模型,理想元件：,将实际元件理想化（模型化），即在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略次要因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近似表示。理想元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源、理想电流源，不能产生能量的元件为无源元件，能产生能量的元件为有源元件。,电路模型：,由理想元件所组成的电路称为电路模型。,1.2.1 电压、电位和电动势,电路中,a、b,点两点间的,电压,定义为单位正电荷由,a,点移至,b,点电场力所做的功。,电路中某点的,电位,定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。,电路中,a、b,点两点间的电压等于,a、b,两点的电位差。,电压的实际方向,规定由电位高处指向电位低处。,与电流方向的处理方法类似，,可任选一方向为,电压的参考方向,例：当,u,a,=3V,u,b,=2V,时,u,1,=1V,最后求得的,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。,u,2,=1V,对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称,关联方向,；如不一致，称,非关联方向,。,如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为,电源的电动势,。,电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。,1.2.3 电功率,电场力在单位时间内所做的功称为,电功率,，简称功率。,功率与电流、电压的关系：,关联方向时：,p,=,ui,非关联方向时：,p,=,ui,p,0,时吸收功率，,p,0,时放出功率。,例,：求图示各元件的功率.,（,a）,关联方向，,P=UI=52=10W，,P0，,吸收10,W,功率。,（,b）,关联方向，,P=UI=5(2)=10W，,P0，,吸收10,W,功率。,解,：元件,A：,非关联方向，,P,1,=U,1,I=101=10W，P,1,0，,吸收10,W,功率，作负载。,元件,C：,关联方向，,P,3,=U,3,I=41=4W，P,3,0，,吸收10,W,功率，负载。,P,1,+P,2,+P,3,=1,0,+6+4=0，,功率平衡。,例,：,I=1A，U,1,=10V，U,2,=6V，U,3,=4V。,求各元件功率，并分析电路的功率平衡关系。,1.3 电路元件的伏安关系,元件的伏安关系：,电路元件的电流和电压之间的关系。元件的伏安关系只与元件本身的性质有关，与电路的结构无关，是分析研究电路的基本依据之一。,1.3.1 无源元件,伏安关系（欧姆定律）：,关联方向时：,u,=,Ri,非关联方向时：,u,=,Ri,1电阻元件,符号：,功率：,电阻元件是一种消耗电能的元件。,伏安关系：,2电感元件,符号：,电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。,称为电感元件的电感，单位是亨利（）。,只有电感上的交流电流变化时，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，相当于短路。,存储能量：,3电容元件,电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。,伏安关系：,符号：,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：,1理想电压源,（1）伏安关系,u,=,u,S,端电压为,u,s，,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。,（2）特性曲线与符号,1.3.2 有源元件,（2）特性曲线与符号,i,=,i,S,流过电流为,i,s，,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。,2理想电流源,（1）伏安关系,1.3.3,实际电源的两种模型,实际电源的伏安特性,或,可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为电压源,U,s,和内阻,R,o,串联，另一种为电流源,I,s,和内阻,R,o,并联。,实际使用电源时，应注意以下3点：,（1）实际电工技术中，实际电压源，简称电压源，常是指相对负载而言具有较小内阻的电压源；实际电流源，简称电流源，常是指相对于负载而言具有较大内阻的电流源。,（2）实际电压源不允许短路由于一般电压源的,R,0,很小，短路电流将很大，会烧毁电源，这是不允许的。平时，实际电压源不使用时应开路放置，因电流为零，不消耗电源的电能。,（3）实际电流源不允许开路处于空载状态。空载时，电源内阻把电流源的能量消耗掉，而电源对外没送出电能。平时，实际电流源不使用时，应短路放置，因实际电流源的内阻,R,0,一般都很大，电流源被短路后，通过内阻的电流很小，损耗很小；而外电路上短路后电压为零，不消耗电能。,1.4 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.4.1 电气设备的额定值,额定值,是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。额定值有额定电压,U,N,与额定电流,I,N,或额定功率,P,N,。必须注意的是，电气设备或元件的电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值。,1.2.2 电路的工作状态,1、负载状态,P=UI：,电源输出的功率,P,S,=U,S,I：,电源产生的功率,P=I,2,R,0,：,内阻消耗的功率,2、空载状态,3、短路状态,例：设图示电路中的电源额定功率,P,N,=22kW,，额定电压,U,N,=220V,，内阻,R,0,=0.2，,R,为可调节的负载电阻。求：,（1）电源的额定电流,I,N,；,（2）,电源开路电压,U,0C,；,（3）,电源在额定工作情况下的负载电阻,R,N,；,（4）,负载发生短路时的短路电流,I,SC,。,解：(1)电源的额定电流为：,(2)电源开路电压为：,(3)电源在额定状态时的负载电阻为：,(4)短路电流为：,1.5 基尔霍夫定律,支路、节点、回路,电路中两点之间通过同一电流的不分叉的一段电路称为,支路,。,电路中3条或3条以上支路的联接点称为,节点,。,电路中任一闭合的路径称为,回路,。回路内部不含支路的称,网孔,图示电路有3条支路、两个节点、3个回路、两个网孔。,1.5.1 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。,所有电流均为正。,KCL,通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。,例：列出下图中各节点的,KCL,方程,解：取流入为正,以上三式相加：,I,1,I,2,I,3,0,节点,a,I,1,I,4,I,6,0,节点,b,I,2,I,4,I,5,0,节点,c,I,3,I,5,I,6,0,1.5.2 基尔霍夫电压定律（,KVL）,表述一,表述二,在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。,在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。,电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,所有电压均为正。,对于电阻电路，回路中电阻上电压降的代数和等于回路中的电压源电压的代数和。,在运用上式时，电流参考方向与回路绕行方向一致时,iR,前取正号，相反时取负号；电压源电压方向与回路绕行方向一致时,u,s,前取负号，相反时取正号。,KVL,通常用于闭合回路，但也可推广应用到任一不闭合的电路上。,例：列出下图的,KVL,方程,例：图示电路，已知,U,1,=5V，,U,3,=3V，,I,=2A，,求,U,2,、,I,2,、,R,1,、,R,2,和,U,S,。,解：,I,2,=,U,3,2=32=1.5A,U,2,=,U,1,U,3,=53=2V,R,2,=,U,2,I,2,=21.5=1.33,I,1,=,I,I,2,=21.5=0.5A,R,1,=,U,1,I,1,=50.5=10,U,S,=,U,U,1,=235=11V,例：图示电路，已知,U,S1,=12V，,U,S,2,=3V，,R,1,=3，,R,2,=9，,R,3,=10，,求,U,ab,。,解：由,KCL,I,3,=0，,I,1,=,I,2,由,KVL,I,1,R,1,I,2,R,2,=,U,S1,由,KVL,解得：,解得：,1.6 电位的概念及计算,1.6.1 电位的概念,电路中的某一点到参考点之间的电压，称作该点的电位。电路中选定的参考点虽然一般并不与大地相联接，往往也称为“地”。在电路图中，参考点用符号“”表示。,1.6.2 电位的计算,选,b,点为参考点,选,d,点为参考点,选用不同的参考点，各点电位的数值不同，但任意两点之间的电压不随参考点的改变而变化。,