01电路的基本概念与基本定律--武汉理工大学-电工学-课件

郭四海E-mail:[e-mail]联系电话：[phone]秦曾煌主编《电工学》上下册，刘明主编新编电工学(电工技术)题解PrinciplesandApplicationsOfElectricalEngineeringGiorgio,Rizzoni.参考书目上篇电工技术电路理论直流电路交流电路暂态电路磁路理论磁路变压器电磁铁电机原理与控制异步电动机的原理、特性、使用及控制安全用电及工业测量第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。3.电路的结构•电路=电源+中间环节+负载•电力系统：(发电机)+(变压器、输电线…)+(电炉、电动机…)•扩音机：(话筒)+(放大器…)+(扬声器)•结构模型：激励——响应即寻找xo=f(xi)的关系1.2电路模型实际电路都是根据人们的需要将实际的电路元件或器件搭接起来，以完成人们的预想要求。如发电机、变压器、电动机、电阻器及电容器等但是，实际元器件的电磁特性十分复杂。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。由理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。1.2电路模型手电筒的实际电路例：手电筒手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。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。导线开关电池手电筒的电路模型R+RoE–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Ro；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电流概念:电荷有规则的定向运动大小:单位时间通过导体横截面的电荷量方向:正电荷移动的方向单位:安培(A)毫安(mA)微安(A)abSIabi=dq/dtI=q/t(直流)电流的正方向•习惯上规定正电荷的运动方向(或负电荷运动的相反方向)为电流的正方向。电流的正方是客观存在！•在分析问题前，有时无法预知电流的实际方向；而交流电路的电流方向又时刻发生变化，也无法指定其电流方向。•在分析电路时，一般先选定某一方向作为电流的正方向——称为参考方向•当所选电流正方向与实际电流正方向一致时，所得电流的数值为正，反之为负。(2)参考方向的表示方法电流：Uab双下标电压：(1)参考方向IE+_在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab双下标电路基本物理量的参考方向aRb箭标abRI正负极性+–abUU+_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。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。abRIabRU+–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。电压•概念：电荷在导体中作定向运动时，一定要受到力的作用。如果这个力源是电场，则电荷运动就要消耗电场能量，或者说电场力对电荷作了功。为衡量电场力对电荷作功的能力，引入一新的物理量——电压•大小：a、b两点间电压Uab在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所作的功。也就是单位正电荷在移动过程中所失去的电能。电压•方向：正电荷在电场的作用下，从高电位向低电位移动。规定这时正电荷的的移动方向为电压的正方向。•在分析电路之前，可以任意选择某一方向为电压的参考方向。当实际电压方向与参考方向一致时，电压值为正，反之为负。•单位：伏特(V)千伏(kV)毫伏(mV)如图为关联方向定义的电压和电流电压•关联方向当a、b两点间所选择的电压参考方向由a指向b时，也选择电流的参考方向经电路由由a指向b，这种参考方向的定义方式成为关联方向。abIUabIU电动势正电荷从高电位a向低电位b移动，a端的正电荷逐渐减少会使其电位逐渐降低。为维持导体中的电流能够连续不断地流过，且应使得导体a、b两端的电压不致丧失，就要将b端的正电荷移至a端。但电场力的作用方向恰好与此相反，因此就必须要有另一种力去克服电场力而使b端的正电荷移至a端。电源中必须具有这种力——电源力(非静电力)。IEabUab+_ab电源力•大小：电源电动势Eab的数值等于电源力把单位正电荷从电源的低电位b端经电源内部移到电源高电位b端所作的功，也就是单位正电荷从电源低电位端移到高电位端多获得得能量。•方向：电动势的实际方向是由电源低电位端指向电源高电位端。在分析问题时可设参考方向。•单位：电动势与电压的单位相同。为伏特(V)•标量性：电动势与电压和电流都是标量。电动势例题+R0U=2.8VU=-2.8VI=0.28AI=-0.28A•如图所示E=3V电动势为E=3V方向由负极指向正极电压为U=2.8V由指向电流为I=0.28A由流向其参考方向为关联方向。U与I的参考方向选择亦为关联方向的定义方式。而电压U与电流I的参考方向为非关联方向。电动势1.4欧姆定律U、I参考方向相同时，U、I参考方向相反时，RU+–IRU+–I表达式中有两套正负号：①式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；②U、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=IRU=–IR•应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V2A例•对于(a)图UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)IUR326•对于(b)图IUR263UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V2A•对于(c)图IUR•对于(d)图IUR263263例•计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V1052nmURII=-2ARnmUnmE1=5VE2=3Vab解：a点电位比b点电位低12Vn点电位比b点电位低7Vm点电位比b点电位高3V于是：n点电位比m点电位低7+3=10V即Unm=-10V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/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：常数即：IUR线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。1.5电源有载工作、开路与短路•最简单的电路为直流电路，本节讨论电路的工作状态、开路状态和短路状态，所讨论的内容有电流、电压及功率等方面的特性。•本节讨论问题的理论依据是欧姆定律R0EUabR如图电路：E为电源的电动势U为电源的端电压R0为电源的内阻R为电路负载电阻1.5电源有载工作、开路与短路开关闭合,接通电源与负载RREI0负载端电压U=IR特征:1.5.1电源有载工作IR0REUI①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，R0U。或U=E–IR0电源的外特性EUI0当R0R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。RREI0负载端电压U=IR特征:1.5.1电源有载工作①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，R0U。或U=E–IRoUI=EI–I²RoP=PE–P负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率③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)。IR0REU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）。•例题R01E1UI已知:电路中，U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。求:(1)电源的电动势E1和负载的反电动势E2；(2)说明功率的平衡关系。R02E2R01E1UI解：(1)对于电源U=E1-U1=E1-IR01即E1=U+IR01=220+50.6=223VU=E2+U2=E2+IR02即E2=U-IR01=220-50.6=217VR02E2•例题(2)由上面可得，E1=E2+IR01+IR02等号两边同时乘以I，则得E1I=E2I+I2R01+I2R02代入数据有2235=2175+520.6+5+520.61115W=1085W+15W+15W。R01E1UIR02E2其中E1I是电源产生的功率；E2I是负载取用的功率；I2R01是电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源(负载)内阻上损耗的功率。可见电路具有功率平衡特性。•例题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)：IIN，PPN(不经济)过载(超载)：IIN，PPN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(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：UN=220V，PN=60W电阻：RN=100，PN=1W【思考与练习】•额定值为1W、100的碳膜电阻，在使用时电流和电压不得超过多大值？答：由功率P与电阻R的关系公式P=I2R或P=U2/R可得：电流I=√P/R=(1/100)1/2=0.1A同理：电压U=√PR=(1×100)1/2=10V•有一台直流发电机，其名牌上标有40kW、230V、174A。试问：什么是发电机的空载运行、轻载运行、满载运行和过载运行？负载的大小，一般指什么而言？答：空载运行指发电机对外开路，无功率输出；轻载运行指发电机所带负载取用功率小于或远小于额定功率的40kW，或输出电流小于或远小于174A；满载运行发电机所带负载取用功率基本与发电机额定功率(40kW)相当；过载运行负载从发电机取用的功率大于发电机的额定功率，这种情况对发电机的运行有较大危害。负载的大小一般指负载从电源取用功率的大小。显然，此时R愈小负载愈大，反之亦然。【思考与练习】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=U0=EP=01.开路处的电流等于零；I=02.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IRoREU0电源外部端子被短接1.5.3电源短路特征:0SREII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=0PE=P=I²R0P=01.短路处的电压等于零；U=02.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IR0REU01.6基尔霍夫定律•