秦曾煌《电工学》第1章

下一页总目录章目录返回上一页第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下一页总目录章目录返回上一页本章要求: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下一页总目录章目录返回上一页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...输电线下一页总目录章目录返回上一页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...输电线下一页总目录章目录返回上一页直流电源直流电源: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。下一页总目录章目录返回上一页1.2电路模型手电筒的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。例：手电筒R+RoE–S+U–I电池导线灯泡开关手电筒由电池、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。下一页总目录章目录返回上一页手电筒的电路模型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。下一页总目录章目录返回上一页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、μA低电位高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV下一页总目录章目录返回上一页(2)参考方向的表示方法电流：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2.电路基本物理量的参考方向aRb箭标abRIU+_Uab双下标正负极性+–abU箭标下一页总目录章目录返回上一页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。(3)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。下一页总目录章目录返回上一页1.4欧姆定律U、I参考方向相同时，称电压电流一致参考方向（或关联参考方向）U、I参考方向相反时，称电压电流非一致参考方向（非关联参考方向）RU+–IRU+–I通常取U、I参考方向相同。U=IRU=–IR下一页总目录章目录返回上一页解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=–IRΩ326:IUR所以Ω326:IUR所以RU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A下一页总目录章目录返回上一页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。下一页总目录章目录返回上一页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，I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。下一页总目录章目录返回上一页开关闭合,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，I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下一页总目录章目录返回上一页电源与负载的判别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）。下一页总目录章目录返回上一页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下一页总目录章目录返回上一页特征: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下一页总目录章目录返回上一页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下一页总目录章目录返回上一页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。I1I2I3baE2R2R3R1E1123下一页总目录章目录返回上一页例1：支路：ab、bc、ca、…（共6条）回路：abda、abca、adbca…（共7个）结点：a、b、c、d(共4个）网孔：abd、abc、bcd（共3个）adbcE–+GI2I4IGI1I3I下一页总目录章目录返回上一页1.6.1基尔霍夫电流定律(KCL定律)1．定律即:Ｉ入=Ｉ出在任一瞬间，流进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:Ｉ=0I1I2I3baE2R2R3R1E1对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0在任一瞬间，流进（流出）任一结点的电流代数和恒等于零。若规定流进前加“+”号，则流出前加“-”号；反之亦然。下一页总目录章目录返回上一页电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。2．推广I=?例:广义结点I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V下一页总目录章目录返回上一页在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。1.6.2基尔霍夫电压定律（KVL定律)1．定律即：U=0对回路l1：对回路l2：+I1R1+I3R3–E1=0(2)I2R2电压与循行方向一致，该电压前加”+”号;电压与循行方向相反，该电压前加”-”号;U1I1I2I3baE2R2R3R1E1l1l2U3U1U3E1=0(1)I3R3E2=0++–下一页总目录章目录返回上一页2.当回路中有电阻Ri时,该电压写成IiRi,当Ii与回路循行方向一致时,IiRi前加“+”号；当Ii与回路循行方向相反时,IiRi前加“-”号。3.开口电压可按回路处理对回路l1：I1R1I2R2E1=0+––E2l1E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_l2I1+对回路l2：I2R2E2UBE=0+–+UBE=–I2R2+E24.比较正负极列方程(1)将所求电压写到“=”左侧,将构成回路的其余电压写到“=”右侧;(2)分别比较右边的每个电压和所求电压的正负极,若为“+”极接“+”极该项电压前加“+”号；若为“+”极接“-”极该项电压前加“-”号。如UBE=–I1R1+E1下一页总目录章目录返回上一页例：对网孔abda：对网孔acba：对网孔bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0对回路adbca，沿逆时针方向循行：–I1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0应用U=0列方程对回路cadc，沿逆时针方向循行：–I2R2–I1R1+E=0adbcE–+I2I4I6I1I3I下一页总目录章目录返回上一页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“VX”。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。下一页总目录章目录返回上一页2.举例求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。解：设a为参考点，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca=4×20=80VVd=Uda=6×5=30V设b为参考点，即Vb=0VVa=Uab=10×6=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90VUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V下一页总目录章目录返回上一页结论：(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bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd下一页总目录章目录返回上一页例1:图示电路，计算开关S断开和闭合时A点的电位VA解:(1)当开关S断开时(2)当开关闭合时,电路如图（b）电流I2=0，电位VA=0V。电流I1=I2=0，电位VA=6V。电流在闭合路径中流通2KA+I12kI2–6V(b)2k+6VA2kSI2I1(a)下一页总目录章目录返回上一页例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RP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–12VBRPR1R212V–12V–BARPR2R1I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RP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）VA=–IR1+12VB=IR2–12下一页总目录章目录返回上一页1.2电路模型电阻元件：理想电路元件：反映消耗电能用于发热的特性；单位欧姆Ω,kΩ,MΩ理想电压源：理想电流源：is电压恒为常数或某函数不变；和任何元件并联电压并联不变。电流恒为常数