電工學(xué)上冊(cè),電工技術(shù),,電工技術(shù),第 1 章 電路的基本概念與基本定律,電路的基本概念及其分析方法是電工技術(shù)和電子技術(shù)的基礎(chǔ)。,本章首先討論電路的基本概念和基本定律，如電路模型、電壓和電流的參考方向、基爾霍夫定律、電源的工作狀態(tài)以及電路中電位的計(jì)算等。這些內(nèi)容是分析與計(jì)算電路的基礎(chǔ)。,1.1 電路的作用與組成部分,1.1.1 電路的概念,電路是電流的通路，它是為了某種需要由某些電工設(shè)備或元件按一定方式組合起來的 。,1.1.2 電路的任務(wù),根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，不同電路能夠完成各種不同的任務(wù)。現(xiàn)舉兩例如下：,a.電力系統(tǒng),b.擴(kuò)音機(jī),此電路的作用是實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和傳輸。,其中包括電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)。,a. 電力系統(tǒng),韓城發(fā)電廠-陜西第一座大型坑口電廠,潘家口水電廠,秦山核電站位于東海之濱美麗富饒的杭州灣畔，是中國第一座依靠自己的力量設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營管理的壓水堆核電站，總裝機(jī)容量2300MW。1985年3月動(dòng)工，1991年12月首次并網(wǎng)發(fā)電。它的建成使我國成為繼美、英、法、前蘇聯(lián)、加拿大、瑞典之后世界上第七個(gè)能夠自行設(shè)計(jì)、建造核電站的國家。,太陽能發(fā)電光伏發(fā)電,風(fēng)車,返回,此電路的作用是傳遞和處理信號(hào)。,包括信號(hào)源、中間環(huán)節(jié)和負(fù)載。,1.1.3,激勵(lì)和響應(yīng),b. 擴(kuò)音機(jī),1.激勵(lì):電路中電源和信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作。,激勵(lì),響應(yīng),2.響應(yīng):由激勵(lì)在電路中產(chǎn)生的電壓和電流。,3.電路分析:是在已知電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)的條件下，討論,與,的關(guān)系。,,返回,,,1.2 電路模型,實(shí)際的電路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所組成，如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電池、電阻器等，它們的電磁性質(zhì)是很復(fù)雜的。,例如：一個(gè)白熾燈在有電流通過時(shí)，,消耗電能(電阻性),產(chǎn)生磁場 儲(chǔ)存磁場能量 (電感性),忽略 L,為了便于分析與計(jì)算實(shí)際電路，在一定條件下常忽略實(shí)際部件的次要因素而突出其主要電磁性質(zhì)，把它看成理想電路元件。,電源,負(fù)載,連接導(dǎo)線,電路實(shí)體,電路模型,1.2 電路模型,用理想電路元件組成的電路，稱為實(shí)際電路的電路模型。,開關(guān),1.3 電壓和電流的參考方向,對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，不僅要算出電壓、電流、功率值的大小，還要確定這些量在電路中的實(shí)際方向。但是，在復(fù)雜電路中各處電位的高低、電流的方向等很難事先判斷出來。因此電路內(nèi)各處電壓、電流的實(shí)際方向也就不能確定。為此引入?yún)⒖挤较虻囊?guī)定。,,電路舉例：,,+,_,,R1,E1,,,,+,_,,E2,,R2,,R3,,,I1,I2,I3,c,a,d,b,直流電路,電流的實(shí)際方向：,正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向；,正弦交變電路,習(xí)慣上規(guī)定,,1.3 電壓和電流的參考方向,,電壓的實(shí)際方向：,由高電位端指向低電位端；,電動(dòng)勢的實(shí)際方向：,在電源內(nèi)部由低電位端指向高電位端。,電壓、電流的參考方向：,電流的參考方向用箭頭表示；電壓的參考方向除用極性 “+”、“” 外，還用雙下標(biāo)或箭頭表示。,任意假定。,當(dāng)電壓、電流參考方向與實(shí)際方向相同時(shí)，其值為正，反之則為負(fù)值。,1.3 電壓和電流的參考方向,例如：圖中若 I = 3 A，則表明電流的實(shí)際方向與參考方向相同 ；反之，若 I = 3 A，則表明電流的實(shí)際方向與參考方向相反 。,,在電路圖中所標(biāo)電壓、電流、電動(dòng)勢的方向，一般均為參考方向。,1.3 電壓和電流的參考方向,電壓的參考方向除用極性“+”、“-”表示外，也可用雙下標(biāo)表示 。,,Uab：表示它的參考方向由a端指向b端，也就是說a點(diǎn)的參考極性為“+”， b點(diǎn)的參考極性為“-”。,Uab,a,b,+,,Uab是否表示a端的電位高于b端的電位?,1.3 電壓和電流的參考方向,電壓和電路的關(guān)聯(lián)參考方向（參考方向一致）：,,因?yàn)殡娏鞯姆较驗(yàn)檎姾蛇\(yùn)動(dòng)的方向，而電流原則上是從電壓高端流向電壓低端。,圖示電路電壓和電流參考方向一致。,電壓和電流的單位：伏特和安培。,,歐姆定律：通過電阻的電流與電壓成正比。(線性電阻),表達(dá)式,U 、I 參考方向相同,U = RI,U、 I 參考方向相反,圖 (a),或,圖 (b),I,,+,,1.4 歐姆定律,圖 (c),圖 (b) 中若 I = 2 A，R = 3 ， 則 U = 3 ( 2 ) = 6 V,U = RI,U、 I 參考方向相反,電流的參考方向 與實(shí)際方向相反,,圖 (b),I,,電壓與電流參 考方向相反,,,返回,線性電阻的伏安特性曲線：為過原點(diǎn)的直線。,電阻分類:線性電阻和非線性電阻。,,,,,E,I,U,1.5 電源有載工作、開路與短路,1. 電壓與電流,,,,R0,R,a,b,c,d,,,電源的外特性曲線,當(dāng) R0 << R 時(shí)， 則 U E,說明電源帶負(fù)載能力強(qiáng),,+,_,+,_,U = RI,或 U = E R0I,,,,,,,,,,,1.5.1 電源有載工作,1.5.1電源有載工作,U = E R0I,2. 功率與功率平衡,UI = EI R0I2,P = PE P,電源產(chǎn) 生功率,內(nèi)阻消 耗功率,電源輸 出功率,功率的單位：瓦特(W) 或千瓦(kW),電源產(chǎn) 生功率,=,負(fù)載取 用功率,+,內(nèi)阻消 耗功率,功率 平衡式,,,E,I,U,,,,R0,R,a,b,c,d,+,_,+,_,,,,,,,,,,,講解:例1.5.1,1.5.1 電源有載工作,3. 電源與負(fù)載的判別,根據(jù)電壓、電流的實(shí)際方向判別，若,1. U 和 I 的實(shí)際方向相反，電流從“+”端流出,則是電源，發(fā)出功率；,2. U 和 I 的實(shí)際方向相同，電流從“+”端流入,是負(fù)載，取用功率。,根據(jù)電壓、電流的參考方向判別,1. P = UI 為負(fù)值，是電源，發(fā)出功率；,若電壓、電流的參考方向相同,2. P = UI 為正值，是負(fù)載，取用功率。,,,1.5.1 電源有載工作,3. 電源與負(fù)載的判別,例 1,已知：圖中 UAB= 3 V， I = 2 A,解 P = UI = (2) 3 = 6 W,求：N 的功率，并說明它是電源還是負(fù)載。,因?yàn)榇死须妷骸㈦娏鞯膮⒖挤较蛳嗤?而 P 為負(fù)值，所以 N 發(fā)出功率，是電源。,想一想，若根據(jù)電壓、電流的實(shí)際方向應(yīng)如何分析？,,4. 額定值與實(shí)際值,,,,,,U,,,,,,,,,,,+,,,I,,,,,,,,,P,,,,電源輸出的電流和功 率由負(fù)載的大小決定（電源端電壓基本不變）,額定值是為電氣 設(shè)備在給定條件下正 常運(yùn)行而規(guī)定的允許 值。（PN、UN、IN）,電氣設(shè)備不在額定 條件下運(yùn)行的危害：,,不能充分利用設(shè)備的能力；,,,降低設(shè)備的使用壽命甚至損壞設(shè)備。,,S1,S2,S3,,額定電流為100A的發(fā)電機(jī),只接了60A的照明負(fù)載,還有40A流到哪里去了?,,,有一臺(tái)直流發(fā)電機(jī),其銘牌上標(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？,,思考題:,,,,有人打算將110V 100W和110V 40W兩只白熾燈串聯(lián)后接在220V的電源上使用，是否可以？為什么？,分析練習(xí)與思考1.5.4,1.5.2 電源開路,電源開路時(shí)的特征,I = 0,U = U0 = E,P = 0,當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電源則處于開路(空載)狀態(tài)。,,,,U,IS,,,1.5.3 電源短路,U = 0,I = IS = E / R0,P = 0,PE = P = R0IS2,,,E,,,R0,R,b,c,d,+,_,,,,,,,電源短路時(shí)的特征,a,當(dāng)電源兩端由于某種原因連在一起時(shí)，電源 則被短路。,,,使電源遭受機(jī)械損壞。,為防止事故發(fā)生，需在電路中接入熔斷器或自動(dòng)斷路器，用以保護(hù)電路設(shè)備。,U = 0,I 視電路而定,1.5.3 電源短路,,由于某種需要將電路的某一段短路，稱為短接。,,,,U,I,,,E,,,R0,R,+,_,,,,,,,,R1,變壓器進(jìn)行短路試驗(yàn):目的是測量某些參數(shù)。,,2.結(jié)點(diǎn) 電路中三條或三條 以上支路連接的點(diǎn),1.支路 電路中的每一分支,3.回路 由一條或多條支路組成的閉合電路,如 acb ab adb 流過支路的電流稱為支路電流,如 abca adba adbca,1.6 基爾霍夫定律,如 a,b,,+,_,,R1,E1,,,,+,_,,E2,,R2,,R3,,,I1,I2,I3,c,a,d,b,概念,(直流電路中), I = 0, i = 0,(對(duì)任意波形的電流),在任一瞬間，流向某一結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零。,1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL),基爾霍夫電流定律是用來確定連接在同一結(jié)點(diǎn)上的各支路電流之間的關(guān)系。,根據(jù)電流連續(xù)性原理，電荷在任何一點(diǎn)均不能堆積(包括結(jié)點(diǎn))。故有,數(shù)學(xué)表達(dá)式為,1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL),若以流向結(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)， 背向結(jié)點(diǎn)的電流為正，則根據(jù) KCL，結(jié)點(diǎn) a 可以寫出,I1 I2 + I3 + I4 = 0,例 1 上圖中若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。,9 ( 2) + I3 + 8 = 0,,解,把已知數(shù)據(jù)代入結(jié)點(diǎn) a 的KCL方程式，有,,式中的正負(fù)號(hào)由 KCL 根據(jù)電流方向確定,,由電流的參考方向與實(shí)際方向是否相同確定,,,I3 電流為負(fù)值，是由于電流 參考方向與實(shí)際方向相反所致。,,I3 = 19 A,IA,IB,IAB,IBC,ICA,KCL 推廣應(yīng)用：包圍部分電路的任一假想的閉合面,即 I = 0,,,,IC,,IA + IB + IC = 0,可見，在任一瞬間通過任一封閉 面的電流的代數(shù)和也恒等于零。,,,,A,B,C,,,,,,,,,,對(duì) A、B、C 三個(gè)結(jié)點(diǎn) 應(yīng)用 KCL 可列出：,IA = IAB ICA,IB = IBC IAB,IC = ICA IBC,上列三式相加，便得,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),基爾霍夫電壓定律用來確定回路中各段電壓之間的關(guān)系。,由于電路中任意一點(diǎn)的瞬時(shí)電位具有單值性。,在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。,,即 U = 0,,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),I2,左圖中，各電壓參考方向均已標(biāo)出，沿虛線所示循行方向，列出回路 KVL 方程式。,U1 U2 + U4 U3 = 0,根據(jù)電壓參考方向，回路 c b d a c KVL 方程式，為,,+,_,,R1,E1,+,_,,E2,R2,U2,,I1,U1,c,a,d,b,,,,+,_,U3,+,,U4,_,,,1.6.2 基爾霍夫電壓定律(KVL),I2,U1 U2 + U4 U3 = 0,上式也可改寫為 U3 U4 = E1 E2,,+,_,,R1,E1,+,_,,E2,R2,U2,,I1,U1,c,a,d,b,,,,+,_,U3,+,,U4,_,即 U = 0,即 U = E,或 I1 R1 I2R2 = E1 E2,即 IR = E,,,KVL 推廣應(yīng)用于假想的閉合回路,E RI U = 0,U = E RI,或,根據(jù) KVL 可列出,,根據(jù) U = 0,UAB = UA UB,UA UB UAB = 0,,例 2 圖中若 U1= 2 V，U2 = 8 V，U3 = 5 V，U5 = 3 V， R4 = 2 ，求電阻 R4 兩端的電壓及流過它的電流。,解 設(shè)電阻 R4 兩端電壓的極性及流過它的電流 I 的參考方向如圖示。,沿順時(shí)針方向列寫回路的 KVL 方程式，有,,返回,,U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0,(2)+ 8 5 U4+(3)= 0,U4 = 2 V,I = 1 A,沿順時(shí)針方向列寫回路的 KVL 方程式，有,代入數(shù)據(jù)，有,U4 = IR4,,返回,電位的概念：,,1.7 電路中電位的概念及計(jì)算,電路中某一點(diǎn)的電位是 指由這一點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。,電路的參考點(diǎn)可以任意選取。,通常認(rèn)為參考點(diǎn)的電位為零。而其他各點(diǎn)的電位都同它比較，比它高的為正，比它低的為負(fù)。,Va = E1,Vc = E2,Vb = I3 R3,若以 d 為參考點(diǎn)， 則：,+E1, E2,簡 化 電 路,+,_,,R1,E1,,,,+,_,,E2,,R2,,R3,,I3,a,b,c,d,,,接地的含義？,例 1 電路如圖所示,分別以 a、b 為參考點(diǎn)，計(jì)算 c 和 d 點(diǎn)的電位及 c 和 d 兩點(diǎn)間的電壓。,,2 ,10 V,,+,,5 V,+,,3 ,b,c,d,,,,解 以 a 為參考點(diǎn),I,,I =,= 3 A,VC = 3 3 = 9 V,VD = 3 2= 6 V,以 b 為參考點(diǎn),VD = 5 V,VC = 10 V,UCD = VC VD= 15 V,,,,,,a,UCD = VC VD = 15 V,,返回,小結(jié)：,,電路中某一點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓；,電路中各點(diǎn)的電位隨參考點(diǎn)選的不同而改變，但是任意兩點(diǎn)間的電壓不變(電位差不變)。,電位值是相對(duì)的,參考點(diǎn)選得不同，電路中其它各點(diǎn)的電位也將隨之改變； 電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考點(diǎn)的不同而改變。,注意：電位和電壓的區(qū)別,,電工技術(shù),