電工技術(shù)01—電路的基本概念與基本定律.ppt

1、電 工 技 術(shù),電子工程學(xué)院 牟翔永 Email: 辦公：6104（雷電電子實(shí)驗(yàn)室）,友情提示,學(xué)時(shí)學(xué)分：64學(xué)時(shí)講授；16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)；5學(xué)分 平時(shí)考核：作業(yè)1516次，課堂練習(xí)，出勤，紀(jì)律 考試考核：閉卷考試 最終成績(jī)：考試成績(jī)70%+平時(shí)成績(jī)(含實(shí)驗(yàn))30% 課程教材：電工技術(shù)(第7版)，秦曾煌 參考數(shù)目： 電工技術(shù)，許澤鵬，郵電出版社 電路(第5版)，邱關(guān)源，高等教育出版社 電路分析基礎(chǔ)(第3版)，李瀚蓀，高等教育出版社,電工技術(shù)課程介紹,電工技術(shù)是一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課程。 本課程主要任務(wù)是為學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)和從事工程技術(shù)工作打好電工技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并訓(xùn)練基本技能。 本課程主要學(xué)習(xí)電工技術(shù)的基本理論

2、、基本知識(shí)和基本技術(shù)，內(nèi)容涉及：電路的基本概念與基本定律、電路分析方法、電路暫態(tài)分析、正弦交流電路、三相交流電路、磁路與鐵芯線圈電路、變壓器、三相異步電動(dòng)機(jī)及其繼電接觸器控制系統(tǒng)、工業(yè)企業(yè)供電與安全用電、電工測(cè)量技術(shù)等。,第1章 電路的基本概念與基本定律,1.1 電路的作用與組成部分 1.2 電路模型 1.3 電壓和電流的參考方向 補(bǔ)充1 電功率 補(bǔ)充2 電阻元件 1.4 歐姆定律 1.5 電源的有載工作、開(kāi)路與短路 1.6 基爾霍夫定律 1.7 電路中電位的概念及計(jì)算,1.1 電路的作用與組成部分,(1) 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、轉(zhuǎn)換與分配,(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、變換、傳遞與處理,1. 電路的作用,

3、電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而形成的整體。,2. 電路的組成部分,電源: 提供 電能的裝置,負(fù)載: 取用 電能的裝置,中間環(huán)節(jié)：傳輸、分 配和控制電能的作用,直流電源: 提供能源,信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等,負(fù)載,信號(hào)源: 提供信息,電源或信號(hào)源的電壓或電流稱(chēng)為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)在電路各部分所產(chǎn)生的電壓和電流稱(chēng)為響應(yīng)。,電路分析：在已知電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的條件 下，分析電路的激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系。,電源：提供能量或信號(hào)。,負(fù)載：將電能轉(zhuǎn)化為其它形式能量或?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理。,導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)等：將電源與負(fù)載接成通路。,1.2 電路模型,電路組成部分,實(shí)

4、際電路：電氣元件(器件)和設(shè)備連接而成的電路。,幾種基本的電路元件,電阻元件：表示消耗電能的元件 電感元件：表示電感線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存電能的作用 電容元件：表示電容器產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電能的作用 電源元件：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件,電阻器,電容器,線圈,電池,運(yùn)算放大器,晶體管,手電筒的電路模型,為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路,一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。,例：手電筒,電池,導(dǎo)線,燈泡,開(kāi)關(guān),手電筒由電池、燈 泡、開(kāi)關(guān)和筒體組成。,理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。,

5、電路模型是由理想電路元件構(gòu)成的，能反映實(shí)際電路電磁性質(zhì)。,手電筒的電路模型,電池,導(dǎo)線,燈泡,開(kāi)關(guān),電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻Ro；,燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻R；,筒體用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。,開(kāi)關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。,今后分析的都是指電路模型，簡(jiǎn)稱(chēng)電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。,集總參數(shù)元件與集總參數(shù)電路,集總參數(shù)元件 每一個(gè)具有兩個(gè)端鈕的元件中有確定的電流，端鈕間有確定的電壓。,集總參數(shù)電路 由集總參數(shù)元件構(gòu)成的電路。,一個(gè)實(shí)際電路要能用集總參數(shù)電路近似，要滿足如下條件：即實(shí)際電路的尺寸

6、必須遠(yuǎn)小于電路工作頻率下信號(hào)的波長(zhǎng)。,分類(lèi)： 實(shí)際電路幾何尺寸(d)與其工作信號(hào)波長(zhǎng)()的關(guān)系 (1)集總參數(shù)電路：滿足d條件的電路。 (2)分布參數(shù)電路：不滿足d條件的電路。 說(shuō)明本課程只討論集總參數(shù)電路（簡(jiǎn)稱(chēng)為電路）,例 已知電磁波的傳播速度 v=3105 km/s,1.3 電壓和電流的參考方向,一、電流,電流帶電質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng)形成電流。,電流的大小用電流強(qiáng)度表示：,二、電壓,電壓電場(chǎng)中兩點(diǎn)A , B間的電壓(降)UAB 等于將單位正電荷q從A點(diǎn)移至B點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功 WAB，即,物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向,三、電路基本物理量的實(shí)際方向,參考方向：,在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方

7、向。,四、電流的參考方向,注意：必須指定電流參考方向，這樣電流的正或負(fù)值才有意義。,電流參考方向的兩種表示：,五、電壓的參考方向,參考方向：任意選定的一個(gè)方向作為電壓參考方向。,注意：必須指定電壓參考方向，這樣電壓的正值或負(fù)值才有意義。,電壓參考方向的三種表示方式,關(guān)于電流、電壓實(shí)際方向與參考方向關(guān)系的小結(jié),實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值； 實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。,注意： 在參考方向選定后，電流 ( 或電壓 ) 值才有正負(fù)之分。,若 I = 5A，則電流從 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，則電流從 b 流向 a 。,若 U = 5V，則電壓的實(shí)

8、際方向從 a 指向 b；,若 U= 5V，則電壓的實(shí)際方向從 b 指向 a 。,六、電流與電壓的關(guān)聯(lián)參考方向,常采用電壓電流的關(guān)聯(lián)參考方向，也就是說(shuō)，當(dāng)電壓的參考極性已經(jīng)規(guī)定時(shí)，電流參考方向從“ + ”指向“ - ” ，當(dāng)電流參考方向已經(jīng)規(guī)定時(shí)，電壓參考極性的“ + ”號(hào)標(biāo)在電流參考方向的進(jìn)入端， “ - ”號(hào)標(biāo)在電流參考方向的流出端。,+ u(t) ,i(t), u(t) +,i(t),關(guān)聯(lián),非關(guān)聯(lián),補(bǔ)充1 電功率,電路元件的功率,一、電功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。,二、功率的計(jì)算,補(bǔ)充2 電阻元件,集總參數(shù)電路(模型)由電路元件連接而成。電路元件是為建立實(shí)際電氣器件的模型而提出的一種理

9、想元件，它們都有精確的定義。按電路元件與外電路連接端點(diǎn)的數(shù)目，電路元件可分為二端元件、三端元件、四端元件等。本節(jié)介紹一種常用的二端電阻元件。,(a) 二端元件 (b) 三端元件 (c) 四端元件,電阻的分類(lèi)： 1. 線性電阻與非線性電阻 其特性曲線為通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，稱(chēng)為線性電阻；否則稱(chēng)為非線性電阻。 2. 時(shí)變電阻與時(shí)不變電阻 其特性曲線隨時(shí)間變化的電阻，稱(chēng)為時(shí)變電阻；否則稱(chēng)為時(shí)不變電阻或定常電阻。,a) 線性時(shí)不變電阻 b)線性時(shí)變電阻 c)非線性時(shí)不變電阻 d)非線性時(shí)變電阻,線性電阻元件,2. 歐姆定律, 線性電阻R是一個(gè)與電壓和電流無(wú)關(guān)的常數(shù)。,伏安特性曲線表明了電阻電壓與電流之間

10、的約束關(guān)系(Voltage Current Relationship，簡(jiǎn)稱(chēng)為VCR)。,u Ri i Gu,金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的尺寸及導(dǎo)體材料的 導(dǎo)電性能有關(guān)，表達(dá)式為：,3. 功率和能量,能量：可用功表示。從t0 到 t電阻消耗的能量,R正實(shí)常數(shù)，p0，故線性電阻元件是一種無(wú)源元件。,表明電阻元件把吸收的電能轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。,4. 開(kāi)路與短路,非線性電阻元件,非線性電阻：伏安特性為u-i平面過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的曲線。,非線性電阻元件的電壓電流關(guān)系一般可寫(xiě)為：,為了敘述方便，本課程把線性電阻元件簡(jiǎn)稱(chēng)為電阻。,常用的各種二端電阻器件,1.4 歐姆定律,U、I 為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，,U、I 為非關(guān)聯(lián)參考

11、方向時(shí)，,表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)： 式前的正負(fù)號(hào)由U、I 參考方向的關(guān)系確定；, U、I 值本身的正負(fù)則說(shuō)明實(shí)際方向與參考 方向之間的關(guān)系。,通常取 U、I 為關(guān)聯(lián)參考方向。,U = I R,U = IR,解：對(duì)圖(a)有, U = IR,例：應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。,對(duì)圖(b)有, U = IR,1.5 電源有載工作、開(kāi)路與短路,開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載,負(fù)載端電壓,U = IR,特征:,1.5.1 電源有載工作, 電流的大小由負(fù)載決定。, 在電源有內(nèi)阻時(shí)，I U 。,或 U = E IR0,當(dāng) R0R 時(shí)，則U E ，表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電源的端電壓變化不大，即帶負(fù)載能力強(qiáng)

12、。,開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。,負(fù)載端電壓,U = IR,特征:,1.5.1 電源有載工作, 電流的大小由負(fù)載決定。, 在電源有內(nèi)阻時(shí)，I U 。,或 U = E IRo,UI = EI IRo,P = PE P,負(fù)載 取用 功率,電源 產(chǎn)生 功率,內(nèi)阻 消耗 功率, 電源輸出的功率由負(fù)載決定。,負(fù)載大小的概念: 負(fù)載增加指負(fù)載取用的 電流和功率增加(電壓一定)。,電源與負(fù)載的判別,U、I 參考方向不同，P = UI 0，電源； P = UI 0，負(fù)載。,U、I 參考方向相同，P =UI 0，負(fù)載； P = UI 0，電源。,1. 根據(jù) U、I 的實(shí)際方向判別,2. 根據(jù)P結(jié)合U、I 的參考方

13、向判別,電源： U、I 實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出， （發(fā)出功率）；,負(fù)載： U、I 實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。 （吸收功率）。,電氣設(shè)備的額定值,額定值: 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值,電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài),欠載(輕載)： I IN ，P PN (不經(jīng)濟(jì)),過(guò)載(超載)： I IN ，P PN (設(shè)備易損壞),額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經(jīng)濟(jì)合理安全可靠),特征:,開(kāi)關(guān)斷開(kāi),1.5.2 電源開(kāi)路,1. 開(kāi)路處的電流等于零； I = 0 2. 開(kāi)路處的電壓 U 視電路情況而定。,電路中某處斷開(kāi)時(shí)的特征:,電源外部端子被短接,1.5.3 電源短路,1.

14、 短路處的電壓等于零； U = 0 2. 短路處的電流 I 視電路情況而定。,電路中某處短路時(shí)的特征:,1. 6 基爾霍夫定律,支路：電路中流過(guò)同一電流的每一個(gè)分支。 一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱(chēng)為支路電流。,結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。,回路：由支路組成的閉合路徑（閉合電路）。,網(wǎng)孔：對(duì)于平面電路，內(nèi)部不含支路的回路。,路徑：兩結(jié)點(diǎn)間的一條電流通路。路徑由支路構(gòu)成。,網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。,例1：,支路：ab、bc、ca、 （共6條）,回路：abda、abca、 adbca （共7 個(gè)）,結(jié)點(diǎn)：a、 b、c、d (共4個(gè)）,網(wǎng)孔：abd、 abc、bcd （共3 個(gè)）,1.6.1

15、 基爾霍夫電流定律(KCL定律),1定律,即: 入= 出,在任一瞬間，流入某一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。, 實(shí)質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,或: = 0,對(duì)結(jié)點(diǎn) a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。,在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻流出(流入)任一節(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和為零。,物理基礎(chǔ)：電荷守恒，電流連續(xù)性。,i1+ i2 i3+ i4= 0 i1+ i3= i2+ i4,KCL方程： 以支路電流為變量在電路各節(jié)點(diǎn)處列寫(xiě)的方程式。,節(jié)點(diǎn)A:, I1 + I2 + I3=0,節(jié)點(diǎn)B:, I2 + I4 +

16、 I5=0,節(jié)點(diǎn)C:,節(jié)點(diǎn)D:, I3 I4 + I6=0,I1 I5 I6=0,( I1 = I5 + I6 ),電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。,2推廣,I =?,例:,廣義結(jié)點(diǎn),I = 0,IA + IB + IC = 0,在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，流出(流入)任一閉合面的各支路電流的代數(shù)和恒為零?；蛘哒f(shuō)，流出閉合面的電流等于流入該閉合面的電流。,兩條支路電流大小相等， 一個(gè)流入，一個(gè)流出。,只有一條支路相連，則 i=0。,舉例：圖示電路，求I1和I2。,在任一瞬間，沿任一回路繞行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。,1.6.2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律),

17、1定律,即： U = 0,在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路繞行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。,對(duì)回路1：,對(duì)回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。, 實(shí)質(zhì): 反映了電壓與路徑無(wú)關(guān)這一性質(zhì)。,1列方程前標(biāo)注回路繞行方向；,電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2應(yīng)用 U = 0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號(hào)的確定： 如果規(guī)定電位

18、降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。,3. 開(kāi)口電壓可按回路處理,注意：,對(duì)回路1：,KVL方程： 以支路電壓在電路各回路列寫(xiě)的電路方程式。,回路1:,u1 + us2 - u5 - us1 =0,回路2:,u2 - u4 - us2=0,回路3:,- u6 + u5 + u4=0,( u1 - u5 = us1 - us2 ),(u2 - u4 = us2 ),例：,對(duì)網(wǎng)孔abda：,對(duì)網(wǎng)孔acba：,對(duì)網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,對(duì)回路 adbca，沿逆時(shí)針?lè)较蚶@行：, I1

19、 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0,應(yīng)用 U = 0列方程（KVL方程）,對(duì)回路 cadc，沿逆時(shí)針?lè)较蚶@行：, I2 R2 I1 R1 + E = 0,推論：電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于兩點(diǎn)間任 一條路徑經(jīng)過(guò)的各元件電壓的代數(shù)和。,解：,I+4=2I= -2A,U1 = 3I = -6V,U+U1+3-2=0，U=5V,例：圖示電路，電阻R有無(wú)電流？求電壓u1和u2 。,10+uR=2+8 uR=0V 所以R中無(wú)電流。,10=u1+8 u1=2V,10=2+u2 u2=8V,1.7 電路中電位的概念及計(jì)算,電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓，記為“VX” 。 通常設(shè)參考點(diǎn)的

20、電位為零。,1. 電位的概念,電位的計(jì)算步驟: (1) 任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零； (2) 標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算； (3) 計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。,某點(diǎn)電位為正，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高； 某點(diǎn)電位為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。,2. 舉例,求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解： 設(shè) a為參考點(diǎn)， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,設(shè) b為參考點(diǎn)，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,b,a,U