chapter01电工学秦版讲述.pptx

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,电工学,上篇：电工技术,从学术的观点来看,电路是电气工程（,electrical engineering,）的基础。,电路是计算机科学（,computer science,）的基础。,从实际情况来看,电路原理是许多高级课程的先修课程。,熟练掌握电路原理对现实生活有帮助。,电路分析,(,analysis,),电路理论（电路原理）,实际电路,电路模型,分析,求解方程,（代数、常微分、偏微分）,结果,电路分析,电路综合,电路综合,(,synthesis,),第,1,章 电路的基本概念与基本定律,1.1,电路的作用与组成部分,1.2,电路模型,1.3,电压和电流的参考方向,1.4,欧姆定律,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.6,基尔霍夫定律,1.7,电路中电位的概念及计算,1.1,电路的作用与组成部分,(1),实现电能的传输、分配与转换,(2),实现信号的传递与处理,放大器,扬声器,话筒,1.,电路的作用,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。,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,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,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。,电路的组成,为电路工作提供能量的,电源；,在电能作用下完成电路功能的,用电设备或元器件；,连接电源和用电设备的,导线；,控制电源接入的,开关,等。,1.2,电路模型,为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,为什么要引入电路模型？,构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设计带来困难。,只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行深入分析。如果要把这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看。,难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的将是怎样的情形！,什么是电路模型？,对实际电路的特性进行分析、抽象，将电路的主要性能用数学方法表达出来，再利用一些具有特定、理想化特性的元件重构出来的电路，称为原电路的模型。,电路模型反映了原电路工作的主要特性，并且这些特性是已经数学化了的，便于用数学方法进行分析。,电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各种实际元器件，而是数量有限的理想元件，具有很好的规范性。有利于设计、交流,.,怎样建立电路模型？,对电路中的每个元器件特性建立数学模型。,用理想元件实现每个元器件的特性，构成元器件的电路模型。,把所有元器件的电路模型按照原电路结构连接起来，形成电路的模型。,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。,1.3,电压和电流的参考方向,物理中对基本物理量规定的方向,1.,电路基本物理量的实际方向,物理量,实 际 方 向,电流,I,正电荷运动的方向,电动势,E,(,电位升高的方向,),电压,U,(,电位降低的方向,),高电位,低电位,单 位,kA,、,A,、,mA,、,A,低电位,高电位,kV,、,V,、,mV,、,V,kV,、,V,、,mV,、,V,电流,电流及其表示方式,电流的概念电流是电路中电荷流动量的度量，它表示一段时间流过电路中某一截面的净电荷量。,电荷流动不仅有数量，也有方向，因此电流是具有方向的。规定正电荷流动的方向为电流的方向（称为真实方向）。,分析电路时用箭头或双下标来指定电流的方向。,正电荷流向,负电荷流向,电流的真实方向,q,+,q,-,a,b,电路中的一条通路,电流的符号和单位,电流的符号：电路中,I,表示不随时间变化的电流 或,i,表示随时间变化的电流。,电流的单位是安培（,A,），是国际单位制（,SI,）中的七个基本单位之一。它表示：每秒钟流过,1C,的净电荷。,电流的参考方向,电流作为电路的基本物理量，是我们分析电路所需要确定的，因此在分析电路之前，电流的真实方向一般是未知的。,在电路中，每条通路的电流方向只有两个可能的选择，因此，我们可以用代数量来表示有方向的电流。符号表示方向，绝对值表示大小。,为了用代数量表示电流，我们必须事先规定一个参考（即符号为正时电流的方向），称为电流的参考方向。电路中用箭头标示。,电流的参考方向,电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则是受电路约束客观存在并确定的。,当参考方向设的与真实方向一致时，电流的代数值符号为正；反之为负。,若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实方向就是参考方向。,a,b,电路中的一条通路,i,电流,i,的参考方向,电流的参考方向,:,实际方向,实际方向,参考方向：任意选定的一个方向即为电流的参考方向。,i,参考方向,A,B,电流参考方向的,两种表示,：,用箭头表示：箭头的指向为,电流的参考方向；,用双下标表示：如,i,AB,，,电流的参考方向由,A,指向,B,。,i,参考方向,i,参考方向,i,0,i,0,参考方向,U,+,参考方向,U,+,0,吸收正功率,(,实际吸收,),P,0,发出正功率,(,实际发出,),P,0,发出负功率,(,实际吸收,),u,i,取非,关联参考方向,+,-,i,u,+,-,i,u,1.5,电源有载工作、开路与短路,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U,=,IR,特征,:,1.5.1,电源有载工作,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,:,1.5.1,电源有载工作,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,:,负载增加指负载取用的,电流和功率增加,(,电压一定,),。,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）,。,电源和负载的概念,若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。,若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源。,举例：由,5,个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。,1,2,3,4,5,确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？,+,5,I,U,R,U,1,U,2,例,U,1,=10V,，,U,2,=5V,。分别求电源、电阻的功率。,I,=,U,R,/5=(,U,1,U,2,)/5=(105)/5=1 A,P,R,吸,=,U,R,I,=5,1=5 W,P,U,1,发,=,U,1,I,=10,1=10 W,P,U,2,吸,=,U,2,I,=5,1=5 W,P,发,=10,W,，,P,吸,=5+5=10,W,P,发,=,P,吸,（功率守恒）,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,特征,:,开关 断开,1.5.2,电源开路,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,+,-,电源外部端子被短接,1.5.3,电源短路,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,+,-,1.6,基尔霍夫定律,支路：,电路中的每一个分支。,一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：,三条或三条以上支路的联接点。,回路：,由支路组成的闭合路径。,网孔：,内部不含支路的回路。,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,1,2,3,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律,(,KCL,),和基尔霍夫电压定律,(,KVL,),。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,如果实际电路元件或部件的外形尺寸远比通过它的电磁波信号的波长小得多,可以忽略不计,这种元件和部件称为集总元件,由集总元件构成的电路模型,称集总电路。,集总电路,根据实际电路的几何尺寸,d,与其工作波长,的关系，,电路可分为两类,：,集总参数电路 电路满足,d,分布参数电路 电路,不满足,d,我国电力系统用电的频率为,50HZ,，其波长,=c/f=3*10,8,/50=6000km,本书只讨论集总参数电路。,集总参数电路特点：电路中任意两点间的电压和流入任一器件端钮的电流与器件的几何尺寸和空间位置无关。,1.6.1,基尔霍夫电流定律,(,KCL,定律,),1,定律,即,:,入,=,出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,实质,:,电流连续性的体现。,或,:,=0,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,对结点,a,：,I,1,+,I,2,=,I,3,或,I,1,+,I,2,I,3,=0,基尔霍夫电流定律,（,KCL,）,反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,例如：下图电路中连接到结点,n,的支路共有,5,条，各支路电流参考方向如图所示。,2,1,5,4,3,n,i,1,i,2,i,3,i,4,i,5,按照基尔霍夫定律，各支路电流满足,值得注意的是，只有定义了电流的参考方向，才能列写基尔霍夫电流定律方程。,流进,流出,流出,流进,流出,基尔霍夫电流定律是电荷守恒定律的具体表现。,1,3,2,例,三式相加得：,表明,KCL,可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面,广义,KCL,：任何电路中，任意时刻流进任意一个封闭曲面的所有支路电流的代数和总是为零。,当支路,k,的电流参考方向流进曲面,S,，上述求和式中取“,+”,，如果支路,k,的电流参考方向离开曲面,S,，求和式中取“”。,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,KCL,的推广,A,B,i=,0,A,B,i,i,A,B,i,3,i,2,i,1,两条支路电流大小相等，,一个流入，一个流出。,只有一条支路相连，则,i=,0,。,再如，电子技术中的基本器件双极型半导体三极管有三个管脚,B,E,C,。,三个极电流的关系为,B,E,C,i,B,i,E,i,C,基尔霍夫电压定律,（,Kirchhoffs Voltage Law,KVL,）,KVL,表述：任何集总参数电路中，任意时刻绕任意一个回路一周所有支路电压的代数和总是为零。用数学式子表示为,注意：若支路,k,的电压参考方向与回路,L,的绕行方向一致，求和式中取“,+”,；若支路,k,的电压参考方向与回路,L,的绕行方向相反，求和式中取“”。,例如：下图电路中回路,L,由,6,条支路组成，回路绕行方向和各支路电压参考方向如图所示。,各支路电压满足回路,L,的,KVL,方程,值得注意的是，只有定义了电压的参考方向和回路的绕行方向，才能列写基尔霍夫电压定律方程。,同向,反向,反向,同向,反向,基尔霍夫电压定律是能量守恒定律的具体表现。,2,4,3,1,5,6,同向,回路,L,（,2,）选定回路绕行方向，,顺时针或逆时针,.,U,1,U,S1,+U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,0,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,U,3,U,1,U,2,U,4,（,1,）标定各元件电压参考方向,U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,U,1,+U,S1,或：,R,1,I,1,+R,2,I,2,R,3,I,3,+R,4,I,4,=U,S1,U,S4,广义,KVL,：任何电路中，任意两结点之间的电压，可通过任意一条连接两结点路径进行计算，所得结果与计算时所取的路径无关。,例如：下图电路中结点,a,和,d,之间存在,3,条路径，计算,a,和,d,结点之间时可采用其中任意一条路经。,2,4,3,1,5,6,a,b,c,d,e,f,7,1,列方程前,标注,回路循行方向；,电位升,=,电位降,E,2,=,U,BE,+,I,2,R,2,U,=0,I,2,R,2,E,2,+,U,BE,=0,2,应用,U,=0,列方程时,，,项前符号的确定：,如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.,开口电压可按回路处理,注意：,1,对回路,1,：,E,1,U,BE,E,+,B,+,R,1,+,E,2,R,2,I,2,_,KCL,，,KVL,小结：,（,1,）,KCL,是对连到,节点的,支路电流的线性约束，,KVL,是对回路中支路电压的线性约束。,（,2,）,KCL,、,KVL,与组成支路的元件性质及参数无关。,（,3,）,KCL,表明在每一节点上电荷是守恒的；,KVL,是电位单值性的具体体现,（电压与路径无关）,。,（,4,）,KCL,、,KVL,只适用于集总参数的电路。,电路如图示，求,U,和,I,。,解,3+1,-,2+,I,=0,，,I,=,-,2,（,A,）,U,1,=3,I,=,-,6,（,V,）,U+U,1,+3,-,2=0,，,U,=5,（,V,）,例,1,U,1,1A,3A,2A,3V,2V,3,U,I,+,+,+,+,-,-,-,-,返回目录,1,。,2,。,+,+,-,-,4V,5V,i,=?,3.,+,+,-,-,-,4V,5V,1A,+,-,u,=?,4.,3,3,例：,对网孔,abda,：,对网孔,acba,：,对网孔,bcdb,：,R,6,I,6,R,6,I,3,R,3,+,I,1,R,1,=0,I,2,R,2,I,4,R,4,I,6,R,6,=0,I,4,R,4,+,I,3,R,3,E,=0,对回路,adbca,，沿逆时针方向循行,：,I,1,R,1,+,I,3,R,3,+,I,4,R,4,I,2,R,2,=0,应用,U,=0,列方程,对回路,cadc,，沿逆时针方向循行,：,I,2,R,2,I,1,R,1,+,E,=0,a,d,b,c,E,+,R,3,R,4,R,1,R,2,I,2,I,4,I,6,I,1,I,3,I,1.7,电路中电位的概念及计算,电位：电路中某点至参考点的电压，,记为“,V,X,”,。,通常设参考点的电位为零。,1.,电位的概念,电位的计算步骤,:,(1),任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；,(2),标出各电流参考方向并计算；,(3),计算各点至参考点间的电压即为各点的电位,。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；,某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,2.,举例,求图示电路中各点的电位,:,V,a,、,V,b,、,V,c,、,V,d,。,解：,设,a,为参考点，即,V,a,=0V,V,b,=U,ba,=,106=,60V,V,c,=U,ca,=420=80 V,V,d,=,U,da,=65=30 V,设,b,为参考点，即,V,b,=0V,V,a,=,U,ab,=106=60 V,V,c,=,U,cb,=,E,1,=140 V,V,d,=,U,db,=,E,2,=90 V,b,a,c,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,U,ab,=,106=60 V,U,cb,=,E,1,=140 V,U,db,=,E,2,=90 V,U,ab,=,106=60 V,U,cb,=,E,1,=140 V,U,db,=,E,2,=90 V,结论：,(1),电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2),电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变，,即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,b,c,a,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,+90V,20,5,+140V,6,c,d,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),例：求图示电路中,A,点的电位,+5V,5V,A,20k,30k,I,例,2,：,电路如下图所示，,(1),零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。,(2),当电位器,R,P,的滑动触点向下滑动时，,A,、,B,两点的电位增高了还是降低了？,A,+,12V,12V,B,R,P,R,1,R,2,12V,12V,B,A,R,P,R,2,R,1,I,解：（,1,）电路如左图，零电位参考点为,+12V,电源的“,”,端与,12V,电源的“,+”,端的联接处。,当电位器,R,P,的滑动触点向下滑动时，回路中的电流,I,减小，所以,A,电位增高、,B,点电位降低。,（,2,）,V,A,=,I,R,1,+12,V,B,=,I,R,2,12,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,