电工学课件

第1章电路的基本概念和基本定律1.电路的概念电路是由用电设备或元器件（称为负载）与供电设备（称为电源）通过导线连接而构成的提供给电荷流动的通路。电路是电场的一种特殊形式，当电场被束缚在电荷流动的路径周围很小的范围时，即形成电路，可用“路”的理论来分析处理。2.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例如我们常用的照明电路~220V电源开关灯泡（用电设备）导线§1-1电路的作用与组成部分3.电路的功能客观上电路提供了电荷流动的通路，电荷携带着电能在电路中流动，从电源带走电能，而在用电元器件中又释放电能，因此电路的工作伴随着能量的运动。根据电路的工作场合和工作目的及我们的着眼点，电路主要有下列作用：电源-----------负载电能-----(用电设备)-----其它形式的能量•信息传输信息--(载体)--信号--电路--终端--(去载体)---信息(电流或电压)信号(接受)---电路-----信号(已经放大、去噪、合成…)•信息处理•能量转换：将传输到负载的电能根据需要转换成其它形式的能量，如光、声、热、机械能等。•能量传输：将电源的电能传输给用电设备(负载)。4.电路的激励和响应•输入（电能或信号），称为电路的激励。在电路中激励常表示为电源（提供电能，使电路工作）或信号源（作为电路传输、处理信息的对象）。•输出（能量或信号），称为电路的响应。在电路中响应常表示为某一元件上的电压、电流或电功率。从电路的作用看，无论是着眼于能量还是信息，电路的工作都有两个量需要讨论：例如，照明电路中，220V交流电源就是电路的激励，而灯泡获得的电功率则是电路的响应。~220V激励响应1)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例如，对于最简单的手电筒，这样一个电路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。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，尽管如此，我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来（用语言或文字）。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！2)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（理想元件）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。–构成电路模型的理想元件数量应尽可能少，否则，电路模型将失去其存在的价值。§1.2电路模型3)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，形成电路的模型注：对元器件数学模型的建立不是本课程的内容范围，有关的知识可参考相应的资料或元器件生产厂提供的资料。4)常用理想元件种类电荷q磁通电压u电流i电阻元件电容元件电感元件忆阻元件ddt电池灯泡EIRU+_负载电源物理量的正方向：实际正方向假设正方向实际正方向：物理中对电量规定的方向。假设正方向（参考正方向）：在分析计算时，对电量人为规定的方向。1.3电压和电流的参考方向物理量的实际正方向物理量单位实际正方向电流IA、kA、mA、μA正电荷移动的方向电动势EV、kV、mV、μV电源驱动正电荷的方向(低电位高电位)电压UV、kV、mV、μV电位降落的方向(高电位低电位)物理量正方向的表示方法电池灯泡IRUabE+_abu_+正负号abUab（高电位在前，低电位在后）双下标箭头uab电压+-IR电流：从高电位指向低电位。电路分析中的假设正方向（参考方向）问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？电流方向AB？电流方向BA？E1ABRE2IR(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；解决方法(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；例已知：E=2V,R=1Ω问：当U分别为3V和1V时，IR=?EIRRURabU解：(1)假定电路中物理量的正方向如图所示；(2)列电路方程：EUURREURUIRREUUR(3)数值计算A1121V1A112-33VRRIUIU时时（实际方向与假设方向一致）（实际方向与假设方向相反）REUIREIRRURabU(4)为了避免列方程时出错，习惯上把I与U的方向按相同方向假设。(1)方程式R=U/I仅适用于假设正方向一致的情况。(2)“实际方向”是物理中规定的，而“假设正方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。(3)在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.提示RIURRIRURab假设:与的方向一致RIRU例RIRU假设:与的方向相反RIURRIRURabRUI注意：用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。IRUIRUIRURUIRUI1.4欧姆定律广义欧姆定律(支路中含有电动势时的欧姆定律)EIRUabREUIab当UabE时，I0表明方向与图中假设方向一致。当UabE时，I0表明方向与图中假设方向相反。E+_baIUabR1.5.1电源有载工作1.电压与电流IRoEUE+_ROabUIRIRU电源的外特性曲线)/(RREIO1.5电源有载工作、开路与短路2.功率与功率平衡aIRUb功率的概念：设电路任意两点间的电压为U,流入此部分电路的电流为I，则这部分电路消耗的功率为:WIUP功率有无正负？如果UI方向不一致结果如何？在U、I正方向选择一致的前提下，IRUab或IRUab“吸收功率”（负载）“发出功率”（电源）若P=UI0若P=UI0IUab+-根据能量守衡关系P（吸收）=P（发出）3.电源与负载的判别电源U和I的实际方向相反，电流从“+”端流出，发出功率负载U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，取用功率在U、I正方向选择一致的前提下，IRUab或IRUab“吸收功率”（负载）“发出功率”（电源）若P=UI0若P=UI0IUab+-3.额定值与实际值额定值：制造厂为了使产品能在规定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。例：有一220v/100w的灯泡，试求灯泡在220v条件下的电阻值。UPIIUR48410022022PUR例：有一电热器从220v电源取用的功率为1000w，问如将它接到110v电源上，则取用的功率为多少？UPIIUR4.48100022022PURWRUP2504.4811022当计算的P0时,则说明U、I的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。所以，从P的+或-可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。结论在进行功率计算时，如果假设U、I正方向一致。当计算的P0时,则说明U、I的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。1.5.2电源开路E+_ROabUoR00PEUUIO1.5.3电源短路E+_ROabRIs0I/02PRPREIIUOEOS用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括克氏电流和克氏电压两个定律。名词注释：节点：三个或三个以上支路的联结点支路：电路中每一个分支回路：电路中任一闭合路径§1.6基尔霍夫定律支路：ab、ad、…...（共6条）回路：abda、bcdb、…...（共7个）节点：a、b、…...(共4个）例I3E3_+R3R6abcdI1I2I5I6I4对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为0。I1I2I3I44231IIII克氏电流定律的依据：电流的连续性。I=0即：例或：04231IIII1.6.1基尔霍夫电流定律电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。例I1+I2=I3例I=0基尔霍夫电流定律的扩展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位升等于电位降。或，电压的代数和为0。例如：回路a-d-c-a33435544RIEERIRI电位升电位降即：0U或：033435544RIEERIRII3E3_+R3R6abcdI1I2I5I6I41.6.2基尔霍夫电压定律RIUEab电位升电位降E+_RabUabI基尔霍夫电压定律也适合开口电路。例关于独立方程式的讨论问题的提出：在用基尔霍夫电流定律或电压定律列方程时，究竟可以列出多少个独立的方程？例aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1分析以下电路中应列几个电流方程？几个电压方程？基尔霍夫电流方程：节点a：节点b：321III213III独立方程只有1个基尔霍夫电压方程：#1#2#32211213322233111RIRIEERIRIERIRIE独立方程只有2个aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1设：电路中有N个节点，B个支路N=2、B=3bR1R2E2E1+-R3+_a小结独立的节点电流方程有(N-1)个独立的回路电压方程有(B-N+1)个则：（一般为网孔个数）独立电流方程：１个独立电压方程：２个讨论题A11433I求：I1、I2、I3能否很快说出结果1++--3V4V11+-5VI1I2I3A615432IA7321III节点电位的概念：Va=5Va点电位：ab15Aab15AVb=-5Vb点电位：在电路中任选一节点，设其电位为零（用此点称为参考点。其它各节点对参考点的电压，便是该节点的电位。记为：“VX”（注意：电位为单下标）。标记），1.7电路中电位的概念及计算电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。注意：电位和电压的区别电位在电路中的表示法E1+_E2+_R1R2R3R1R2R3+E1-E2R1R2+15V-15V参考电位在哪里？R1R215V+-15V+-第1章结束