电工学第一章课件

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由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路，称为实际电路。电阻器电容器线圈电池运算放大器晶体管根据实际电路的几何尺寸(d)与其工作信号波长(λ)的关系，可以将它们分为两大类：(1)集总参数电路：满足dλ条件的电路。(2)分布参数电路：不满足dλ条件的电路。说明：本书只讨论集总参数电路,今后简称为电路。下一页总目录章目录返回上一页低频信号发生器的内部结构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手电筒电路常用电路图来表示电路模型(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图下一页总目录章目录返回上一页晶体管放大电路(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图下一页总目录章目录返回上一页电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。图1－3线圈的几种电路模型(a)线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型(c)圈通过高频交流的模型下一页总目录章目录返回上一页图1－1手电筒电路常用电路图来表示电路模型(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图下一页总目录章目录返回上一页图1－2晶体管放大电路(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图下一页总目录章目录返回上一页电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。图1－3线圈的几种电路模型(a)线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型(c)圈通过高频交流的模型下一页总目录章目录返回上一页下一页总目录章目录返回上一页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：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2.电路基本物理量的参考方向aRb箭标abRI正负极性+–abUU+_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对于二端元件而言，电压的参考极性和电流参考方向的选择有四种可能的方式，如图1－6所示。为了电路分析和计算的方便，常采用电压电流的关联参考方向，也就是说，当电压的参考极性已经规定时，电流参考方向从”+”指向”－”，当电流参考方向已经规定时，电压参考极性的”＋”号标在电流参考方向的进入端.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，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路中的功率和能量下面讨论图示二端元件和二端网络的功率。当电压电流采用关联参考方向时，二端元件或二端网络吸收的功率为uitqqWtWpdddddd与电压电流是代数量一样，功率也是一个代数量。当p(t)0时，表明该时刻二端元件实际吸收（消耗）功率；当p(t)0时，表明该时刻二端元件实际发出（产生）功率。下一页总目录章目录返回上一页例在下图电路中，已知U1=1V,U2=-6V,U3=-4V,U4=5V,U5=-10V,I1=1A,I2=-3A,I3=4A,I4=-1A,I5=-3A。试求：(1)各二端元件吸收的功率；(2)整个电路吸收的功率。W1)A1()V1(111IUPW18)A3()V6(222IUPW16)A4()V4(333IUP5W)(W5)A1()V5(444发出IUP30W)(W30)A3()V10(555发出IUP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:Ｉ=0I1I2I3baE2R2R3R1E1对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=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。下一页总目录章目录返回上一页例如下图所示电路中的a、b、c、d4个结点写出的KCL方程分别为：0321iii06421iiii065ii0543iiiKCL方程是以支路电流为变量的常系数线性齐次代数方程，它对连接到该结点的各支路电流施加了线性约束。下一页总目录章目录返回上一页若已知i1=1A,i3=3A和i5=5A，则由KCL可求得：A4A3A10312321iiiiiiA2A5A30534543iiiiiiA505665iiii3A5A1A此例说明，根据KCL，可以从一些电流求出另一些电流。-4A-2A5A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例如下图所示电路中的a、b、c、d4个结点写出的KCL方程分别为：0321iii06421iiii065ii0543iiiKCL方程是以支路电流为变量的常系数线性齐次代数方程，它对连接到该结点的各支路电流施加了