電路的基本概念與基本原理第一章

電路的基本概念與基本原理第一章第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月上篇

電工技術(shù)電路理論

直流電路交流電路暫態(tài)電路磁路理論

磁路變壓器電磁鐵電機(jī)原理與控制

異步電動(dòng)機(jī)的原理、特性、使用及控制安全用電及工業(yè)測(cè)量

第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章

電路的基本概念與基本定律 本章主要內(nèi)容: 1.電路的基本物理量 2.電路的基本定律 3.電路的工作狀態(tài) 4.電壓和電流的正方向第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-1電路的作用與組成部分電路:電路是電流的通道電路的作用:實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器負(fù)載(電燈)(電動(dòng)機(jī))(電爐)…輸電線第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電路的另一作用：傳遞和處理信號(hào)聲音信號(hào)圖象信號(hào)測(cè)量信號(hào)或控制信號(hào)放大器話筒揚(yáng)聲器第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電路的結(jié)構(gòu)電路=電源+中間環(huán)節(jié)+負(fù)載電力系統(tǒng)：(發(fā)電機(jī))+(變壓器、輸電線…)+(電爐、電動(dòng)機(jī)…)擴(kuò)音機(jī)：(話筒)+(放大器…)+(揚(yáng)聲器)結(jié)構(gòu)模型：激勵(lì)——>響應(yīng)即尋找xo=f(xi)的關(guān)系第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-2電路模型實(shí)際電路都是根據(jù)人們的需要將實(shí)際的電路元件或器件搭接起來，以完成人們的預(yù)想要求。如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電阻器及電容器等但是，實(shí)際元器件的電磁特性十分復(fù)雜。為便于對(duì)電路的分析和數(shù)學(xué)描述，常將實(shí)際元器件理想化（即模型化）由理想電路元件組成的電路就是電路的電路模型。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電路與電路模型實(shí)際電路：電路模型：導(dǎo)線開關(guān)電池?zé)襞?R0R開關(guān)E干電池電珠S導(dǎo)線開關(guān)電池+R0R開關(guān)E干電池電珠SI第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

分析“電路”問題的

核心點(diǎn)任何電路，都是在電動(dòng)勢(shì)、電壓或電流的作用下進(jìn)行工作的，對(duì)于電路的分析和計(jì)算就是要討論電壓、電動(dòng)勢(shì)和電流狀態(tài)以及它們之間的關(guān)系。即討論響應(yīng)的狀態(tài)及與激勵(lì)的關(guān)系電第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-3電路的基本物理量電流概念:電荷有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)大小:單位時(shí)間通過導(dǎo)體橫截面的電荷量方向:正電荷移動(dòng)的方向單位:安培(A)

毫安(mA)微安(

A)

abSIab

i=dq/dt

I=q/t

(直流)第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電流的正方向習(xí)慣上規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向(或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向)為電流的正方向。電流的正方是客觀存在！電路的基本物理量在分析問題前，有時(shí)無法預(yù)知電流的實(shí)際方向；而交流電路的電流方向又時(shí)刻發(fā)生變化，也無法指定其電流方向。在分析電路時(shí)，一般先選定某一方向作為電流的正方向——稱為參考方向當(dāng)所選電流正方向與實(shí)際電流正方向一致時(shí)，所得電流的數(shù)值為正，反之為負(fù)。第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓概念：電荷在導(dǎo)體中作定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定要受到力的作用。如果這個(gè)力源是電場(chǎng)，則電荷運(yùn)動(dòng)就要消耗電場(chǎng)能量，或者說電場(chǎng)力對(duì)電荷作了功。為衡量電場(chǎng)力對(duì)電荷作功的能力，引入一新的物理量——電壓大?。篴、b兩點(diǎn)間電壓Uab在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所作的功。也就是單位正電荷在移動(dòng)過程中所失去的電能。電路的基本物理量第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月方向：正電荷在電場(chǎng)的作用下，從高電位向低電位移動(dòng)。規(guī)定這時(shí)正電荷的的移動(dòng)方向?yàn)殡妷旱恼较颉Ｔ诜治鲭娐分?，可以任意選擇某一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较?。?dāng)實(shí)際電壓方向與參考方向一致時(shí)，電壓值為正，反之為負(fù)。單位：伏特(V)

千伏(kV)毫伏(mV)電路的基本物理量電壓第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖為關(guān)聯(lián)方向定義的電壓和電流電壓關(guān)聯(lián)方向當(dāng)a、b兩點(diǎn)間所選擇的電壓參考方向由a指向b時(shí)，也選擇電流的參考方向經(jīng)電路由由a指向b，這種參考方向的定義方式成為關(guān)聯(lián)方向。電路的基本物理量abIUabIU第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電動(dòng)勢(shì)正電荷從高電位a向低電位b移動(dòng)，a端的正電荷逐漸減少會(huì)使其電位逐漸降低。

為維持導(dǎo)體中的電流能夠連續(xù)不斷地流過，且應(yīng)使得導(dǎo)體a、b兩端的電壓不致喪失，就要將b端的正電荷移至a端。但電場(chǎng)力的作用方向恰好與此相反，因此就必須要有另一種力去克服電場(chǎng)力而使b端的正電荷移至a端。電源中必須具有這種力——電源力(非靜電力)。電路的基本物理量IEabUab+_ab電源力第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電動(dòng)勢(shì)大?。弘娫措妱?dòng)勢(shì)Eab的數(shù)值等于電源力把單位正電荷從電源的低電位b端經(jīng)電源內(nèi)部移到電源高電位b端所作的功，也就是單位正電荷從電源低電位端移到高電位端多獲得得能量。方向：電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向是由電源低電位端指向電源高電位端。在分析問題時(shí)可設(shè)參考方向。單位：電動(dòng)勢(shì)與電壓的單位相同。為伏特(V)標(biāo)量性：電動(dòng)勢(shì)與電壓和電流都是標(biāo)量。電路的基本物理量第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電動(dòng)勢(shì)例題電路的基本物理量+R0U=2.8VU=-2.8VI=0.28AI=-0.28A如圖所示E=3V電動(dòng)勢(shì)為E=3V方向由負(fù)極

指向正極

電壓為U=2.8V由

指向

電流為I=0.28A由

流向

其參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)方向。U

與I

的參考方向選擇亦為關(guān)聯(lián)方向的定義方式。而電壓U與電流I

的參考方向?yàn)榉顷P(guān)聯(lián)方向。第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-4歐姆定律歐姆定律：流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比。或者表示為：歐姆定律的單位：在SI中，電阻為歐姆()或者為千歐(k)、兆歐(M)UIR第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月歐姆定律的符號(hào)根據(jù)電路上所選電壓和電流方向的不同，歐姆定律的表達(dá)式有著不同的符號(hào)：當(dāng)電流和電壓的正方向定義為關(guān)聯(lián)方向時(shí)，歐姆定律如(1)式

UIR歐姆定律當(dāng)電流和電壓的正方向定義為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)歐姆定律如(2)式

(1)(2)UIR第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用歐姆定律對(duì)如下各圖列出表達(dá)式，并求出電阻值。例題(1-1)：歐姆定律UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V2A歐姆定律的符號(hào)第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于(a)圖例題(1-1)分析歐姆定律的應(yīng)用UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)對(duì)于(b)圖第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V2A例題(1-1)分析歐姆定律的應(yīng)用對(duì)于(c)圖對(duì)于(d)圖第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例題(1-2)：計(jì)算圖中電阻R的值，已知Uab=-12V歐姆定律的應(yīng)用I=-2ARnmUnmE1=5VE2=3Vab解：a點(diǎn)電位比b點(diǎn)電位低12Vn點(diǎn)電位比b點(diǎn)電位低7V

m點(diǎn)電位比b點(diǎn)電位高3V于是：

n點(diǎn)電位比m

點(diǎn)電位低7+3=10V即

Unm=-10V第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章§1-5電路的工作狀態(tài)最簡(jiǎn)單的電路為直流電路，本節(jié)討論電路的工作狀態(tài)、開路狀態(tài)和短路狀態(tài)，所討論的內(nèi)容有電流、電壓及功率等方面的特性。本節(jié)討論問題的理論依據(jù)是歐姆定律R0EUabR如圖電路：E為電源的電動(dòng)勢(shì)U為電源的端電壓R0為電源的內(nèi)阻R為電路負(fù)載電阻第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月一.有載工作狀態(tài)當(dāng)開關(guān)閉合，電源與負(fù)載接通，即電路處于有載工作狀態(tài)。電路狀態(tài)UabR0ERI電路中的電流為I=E/(R0+R)負(fù)載電阻兩端的電壓為

U=IR當(dāng)電源電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻R0一定時(shí)負(fù)載電阻R愈小，則電流I愈大?；?qū)懗蒛=E-IR0可見電源端電壓小于電動(dòng)勢(shì)，二者之差為電源內(nèi)阻的電壓降IR0即U=E-IR0

為電源外特性關(guān)系式第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月有載工作狀態(tài)一般常見電源的內(nèi)阻都很小當(dāng)R0?R時(shí)，則U

E此時(shí)當(dāng)電流(負(fù)載)變動(dòng)時(shí)，電源的端電壓變化不大。電路狀態(tài)R0EUabRI第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月有載工作狀態(tài)當(dāng)式U=E-IR0各項(xiàng)乘以電流I時(shí)，得到

UI=EI-I2R0或P=PE+

P電路狀態(tài)R0EUabRI式中：PE=EI

為電源產(chǎn)生的功率

P=I2R0為電源內(nèi)阻上消耗的功率

P=UI為電源輸出的功率單位：在SI中功率的單位是瓦特(W)或千瓦(kW)1W功率的含義是：在1s時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)換1J的能量。第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1-3.R01E1UI有載工作狀態(tài)已知:電路中，U=220V，I=5A，內(nèi)阻R01=R02=0.6。求:(1)電源的電動(dòng)勢(shì)E1和負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)E2；(2)說明功率的平衡關(guān)系。R02E2第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1-3.R01E1UI有載工作狀態(tài)解：(1)對(duì)于電源

U=E1-U1=E1-IR01即

E1=U

+IR01

=220+50.6=223VU=E2+U2=E2+IR02即

E2=U

-IR01

=220-50.6=217VR02E2第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1-3.有載工作狀態(tài)(2)由上面可得，E1=E2+IR01+IR02等號(hào)兩邊同時(shí)乘以

I，則得

E1I

=E2I

+I2R01+I2R02代入數(shù)據(jù)有223

5=217

5+52

0.6+5+52

0.61115W=1085W+15W+15W。R01E1UIR02E2其中E1I是電源產(chǎn)生的功率；E2I是負(fù)載取用的功率；I2R01是電源內(nèi)阻上損耗的功率；I2R02是反電動(dòng)勢(shì)電源(負(fù)載)內(nèi)阻上損耗的功率。可見電路具有功率平衡特性。

第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月能量的傳輸和電源/負(fù)載的判定有載工作狀態(tài)對(duì)于電阻R，其消耗的功率P=UI或P=U2/R=I2R0作為負(fù)載其電流與電壓方向相同，符合關(guān)聯(lián)定義方向。由此，功率值的正負(fù)與電流、電壓的參考方向的選擇有關(guān)。電源：U與I的實(shí)際方向相反，I從“+”端流出，發(fā)出功率。負(fù)載：U與I的實(shí)際方向相同，I從“+”端流入，取用功率。R01E1UIR02E2電源負(fù)載第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣設(shè)備的名牌.有載工作狀態(tài)電氣設(shè)備或元器件的標(biāo)定值通常標(biāo)注在其名牌上或記載在說明書中，這些標(biāo)定值都是給定的額定值，如UN表示額定電壓、IN表示額定電流、PN表示額定功率。在使用電氣設(shè)備或元器件時(shí)不得超過其額定值，以免影響其正常使用甚至使其遭到損壞。注意：電氣設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際值不一定都等于其額定值，要能夠加以區(qū)別。例如：一只220V，40W的白熾燈，正常工作的電流為I=40/220=0.182A，24小時(shí)消耗電能W=Pt=4024=96Wh。第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月二.開路工作狀態(tài)如圖電路：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電路則處于開路(空載)狀態(tài)。R0EU=U0abRI=0開路時(shí)，外電路的電阻為無窮大，電路中的電流I為零。電源的端電壓(稱為開路電壓或空載電壓U0)等于電源的電動(dòng)勢(shì)，電源不輸出電能。電路開路時(shí)的特征為I=0U=U0=EP=0第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三.短路工作狀態(tài)當(dāng)電源兩端由于某種原因而聯(lián)在一起時(shí)，稱電源被短路。R0EabRIScd短路時(shí)，可將電源外電阻視為零，電流有捷徑流過而不通過負(fù)載。由于R0很小，所以此時(shí)電流很大，稱之為短路電流Is。U=0I=Is=E/R0P=

P=I2R0電路短路時(shí)的特征為第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月【思考與練習(xí)】1-5-2額定值為1W、100

的碳膜電阻，在使用時(shí)電流和電壓不得超過多大值？答：由功率P與電阻R的關(guān)系公式P=I2R或P=U2/R可得：電流I=√P/R=(1/100)1/2=0.1A同理：電壓U=√PR=(1×100)1/2=10V第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月【思考與練習(xí)】1-5-5有一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，其名牌上標(biāo)有40kW、230V、174A。試問：什么是發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行、輕載運(yùn)行、滿載運(yùn)行和過載運(yùn)行？負(fù)載的大小，一般指什么而言？答：空載運(yùn)行指發(fā)電機(jī)對(duì)外開路，無功率輸出；

輕載運(yùn)行指發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載取用功率小于或遠(yuǎn)小于額定功率的40kW，或輸出電流小于或遠(yuǎn)小于174A；

滿載運(yùn)行發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載取用功率基本與發(fā)電機(jī)額定功率(40kW)相當(dāng)；

過載運(yùn)行負(fù)載從發(fā)電機(jī)取用的功率大于發(fā)電機(jī)的額定功率，這種情況對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行有較大危害。負(fù)載的大小一般指負(fù)載從電源取用功率的大小。顯然，此時(shí)R愈小負(fù)載愈大，反之亦然。第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-6克希荷夫定律根據(jù)歐姆定律分析電路，已是中學(xué)物理中常用的分析方法，但對(duì)某些電路有時(shí)是無能為力的，克希荷夫定律分為兩個(gè)部分，即：1.克希荷夫電流定律(KCL)——應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)2.克希荷夫電壓定律(KVL)——應(yīng)用于回路為此本節(jié)討論克希荷夫定律，它亦是分析與計(jì)算電路的基本方法。第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§1-6克希荷夫定律根據(jù)歐姆定律分析電路，已是中學(xué)物理中常用的分析方法，但對(duì)某些電路有時(shí)是無能為力的，克希荷夫定律分為兩個(gè)部分，即：1.克希荷夫電流定律(KCL)——應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)2.克希荷夫電壓定律(KVL)——應(yīng)用于回路為此本節(jié)討論克希荷夫定律，它亦是分析與計(jì)算電路的基本方法。第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月名詞、概念1.支路：電路中的每一個(gè)分支，稱為支路。它是由若干個(gè)二端元件串聯(lián)而成。2.節(jié)點(diǎn)：電路中三條或三條以上的支路相聯(lián)結(jié)的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)?？讼：煞蚨蒩bcdI2I3一條支路中各部分都流過一個(gè)相同的電流，稱為支路電流。如圖中的ab、acb及adb共3條支路。I1如圖中的I1、I2及I3共3個(gè)電流。圖中共有a、b兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月名詞、概念(2)回路：是由一條或多條支路所組成的閉合電路。網(wǎng)孔：網(wǎng)孔是回路，但認(rèn)定的網(wǎng)孔一定要比其他網(wǎng)孔包含有新的支路。如圖電路:adbca、abca

和abda

共三個(gè)回路。abcdI2I3I1克希荷夫定律如圖電路:當(dāng)認(rèn)定adbca和abca

是網(wǎng)孔時(shí)，abda

就不能認(rèn)為是網(wǎng)孔，它所包含的支路都已被前兩個(gè)網(wǎng)孔所包含。第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月名詞、概念(3)克希荷夫定律acdI2I1I3當(dāng)然，當(dāng)認(rèn)定adba和abca

是網(wǎng)孔時(shí)，acbda

就不是網(wǎng)孔，因其支路都已被前兩個(gè)網(wǎng)孔所包含。同樣，當(dāng)認(rèn)定acbda

和adba

是網(wǎng)孔時(shí)，abca

就不再認(rèn)定是網(wǎng)孔，其支路也已被前兩個(gè)網(wǎng)孔所包含。因此，不能認(rèn)為所有的回路都是網(wǎng)孔。b第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月定律(1)——KCL克希荷夫定律acdI2I1I3KCL也可表述為，在任一瞬時(shí)，流入某一節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和恒為零。克希荷夫第一定律：在任一瞬時(shí)，流向某一節(jié)點(diǎn)的電流之和等于由該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。如圖對(duì)于節(jié)點(diǎn)a：

流入電流=

流出電流

I1+I2=I3或I1+I2-I3=0bc克希荷夫第一定律：在任一瞬時(shí)，流向某一節(jié)點(diǎn)的電流之和等于由該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月由此，KCL亦可表示為：定律(1)——KCL克希荷夫定律如圖：3個(gè)電阻的節(jié)點(diǎn)A、B和C可看成為廣義節(jié)點(diǎn)。ABCIABICAIBCIAIBIC對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、B及C，可分別列出KCL方程：IA＝IAB－ICAIB＝IBC－IABIC＝ICA－IBCIA+IB+IC=0即I=0第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月定律(2)——KVL如電路中dabd回路，沿逆時(shí)針繞行方向da段電阻上為電壓降

Uda=I2R2ab段電阻上亦為電壓降

Uab=I3R3

而bd段電源部分為電壓升，即Ubd=E2由KVL可得：E2=I2R2+I3R3

克希荷夫電壓定律(KVL)是用來確定回路中各段電壓間關(guān)系的。它應(yīng)用于回路?？讼：煞蚨煽讼：煞虻诙?KVL)：在任一瞬時(shí)，流向某一節(jié)點(diǎn)的電流之和等于由該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。acdI2I1I3bcR1R2R3E2第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月克希荷夫電壓定律還可以敘述為：沿任一回路繞行一周，回路各段的電壓降代數(shù)和恒為零。KVL的應(yīng)用克希荷夫定律acdI2I1I3bcR1R2R3E2E1ac段(+

I1R1),cb段(-

E1),bd段(+

E2),da段(-

I2R2)表達(dá)式為:Va=Va+I1R1-E1++E2-I2R2即(EIiRi)＝０

應(yīng)用上式的方法之一為數(shù)電壓法：從回路中任一點(diǎn)a數(shù)起，沿回路繞行一周再數(shù)回到a點(diǎn)，電位值不變(如adbca回路):公式為:末點(diǎn)電位=起點(diǎn)電位+數(shù)電壓一周(上升+,下降-)第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖電路：UAB=VA-VB數(shù)電壓法還可以應(yīng)用于任意的部分電路。克希荷夫定律KVL的應(yīng)用“數(shù)電壓法”公式為:

末點(diǎn)電位=起點(diǎn)電位+數(shù)電壓一周(上升“+”,下降“-”)公式為:

末點(diǎn)電位=起點(diǎn)電位+從起點(diǎn)數(shù)電壓到末點(diǎn)。ABCUAUBUABVB=VA–UA+UB即：UAB=VA-VB=UA-UB或VA=VB–UB+UA第46頁，