电工与电子技术第一章-电路的基本概念与基本定律new

电工与电子技术曹现刚西安科技大学机械工程学院2004.9第一章电路的基本概念与基本定律本章主要内容:1.电路的基本物理量2.电路的基本定律3.电路的工作状态4.电路分析电路的作用与组成部分电路:电路是电流的通道电路的作用:实现电能的传输和转换发电机升压变压器降压变压器负载(电灯)(电动机)(电炉)…输电线电路的另一作用：传递和处理信号声音信号图象信号测量信号或控制信号放大器话筒扬声器电路的结构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§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。为便于对电路的分析和数学描述，常将实际元器件理想化（即模型化）由理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。电路与电路模型实际电路：电路模型：导线开关电池灯泡+R0R开关E干电池电珠S导线开关电池+R0R开关E干电池电珠SI分析“电路”问题的核心点任何电路，都是在电动势、电压或电流的作用下进行工作的，对于电路的分析和计算就是要讨论电压、电动势和电流状态以及它们之间的关系。即讨论响应的状态及与激励的关系§电路的基本物理量电流概念: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。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。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)电压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电源力电动势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。§欧姆定律欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。RIU或者表示为：IRU欧姆定律的单位：在SI中，电阻为欧姆()或者为千欧(k)、兆欧(M)UIR欧姆定律的符号根据电路上所选电压和电流方向的不同，欧姆定律的表达式有着不同的符号：当电流和电压的正方向定义为关联方向时，欧姆定律如(1)式UIR欧姆定律当电流和电压的正方向定义为非关联方向时欧姆定律如(2)式IRU(1)IRU(2)UIR应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。例题(1-1)：欧姆定律UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V2A欧姆定律的符号对于(a)图例题(1-1)分析欧姆定律的应用UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)IUR326对于(b)图IUR263UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V2A例题(1-1)分析欧姆定律的应用对于(c)图IUR对于(d)图IUR263263例题(1-2)：计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V5210IURnm欧姆定律的应用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电路的工作状态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为电路负载电阻一.有载工作状态当开关闭合，电源与负载接通，即电路处于有载工作状态。UabR0ERI电路中的电流为I=E/(R0+R)负载电阻两端的电压为U=IR当电源电动势E和内阻R0一定时负载电阻R愈小，则电流I愈大。或写成U=E-IR0可见电源端电压小于电动势，二者之差为电源内阻的电压降IR0即U=E-IR0为电源外特性关系式有载工作状态一般常见电源的内阻都很小当R0«R时，则UE此时当电流(负载)变动时，电源的端电压变化不大。R0EUabRI有载工作状态当式U=E-IR0各项乘以电流I时，得到UI=EI-I2R0或P=PE+PR0EUabRI式中：PE=EI为电源产生的功率P=I2R0为电源内阻上消耗的功率P=UI为电源输出的功率单位：在SI中功率的单位是瓦特(W)或千瓦(kW)1W功率的含义是：在1s时间内，转换1J的能量。例题1-3.R01E1UI有载工作状态已知: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。R02E2例题1-3.R01E1UI有载工作状态解：(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1-3.有载工作状态(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。能量的传输和电源/负载的判定有载工作状态对于电阻R，其消耗的功率P=UI或P=U2/R=I2R0作为负载其电流与电压方向相同，符合关联定义方向。由此，功率值的正负与电流、电压的参考方向的选择有关。电源：U与I的实际方向相反，I从“+”端流出，发出功率。负载：U与I的实际方向相同，I从“+”端流入，取用功率。R01E1UIR02E2电源负载电气设备的名牌.有载工作状态电气设备或元器件的标定值通常标注在其名牌上或记载在说明书中，这些标定值都是给定的额定值，如UN表示额定电压、IN表示额定电流、PN表示额定功率。在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。例如：一只220V，40W的白炽灯，正常工作的电流为I=40/220=0.182A，24小时消耗电能W=Pt=4024=96Wh。二.开路工作状态如图电路：当开关断开时，电路则处于开路(空载)状态。R0EU=U0abRI=0开路时，外电路的电阻为无穷大，电路中的电流I为零。电源的端电压(称为开路电压或空载电压U0)等于电源的电动势，电源不输出电能。电路开路时的特征为I=0U=U0=EP=0三.短路工作状态当电源两端由于某种原因而联在一起时，称电源被短路。R0EabRIScd短路时，可将电源外电阻视为零，电流有捷径流过而不通过负载。由于R0很小，所以此时电流很大，称之为短路电流Is。U=0I=Is=E/R0P=P=I2R0电路短路时的特征为【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【思考与练习】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。§基尔霍夫定律根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的，基尔霍夫定律分为两个部分，即：1.基尔霍夫电流定律(KCL)——应用于节点2.基尔霍夫电压定律(KVL)——应用于回路为此本节讨论基尔霍夫定律，它亦是分析与计算电路的基本方法。§1-6基尔霍夫定律根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的，基尔霍夫定律分为两个部分，即：1.基尔霍夫电流定律(KCL)——应用于节点2.基尔霍夫电压定律(KVL)——应用于回路为此本节讨论基尔霍夫定律，它亦是分析与计算电路的基本方法。名词、概念1.支路：电路中的每一个分支，称为支路。它是由若干个二端元件串联而成。2.节点：电路中三条或三条以上的支路相联结的点称为节点。基尔霍夫定律abcdI2I3一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为支路电流。如图中的ab、acb及adb共3条支路。I1如图中的I1、I2及I3共3个电流。图中共有a、b两个节点。名词、概念(2)回路：是由一条或多条支路所组成的闭合电路。网孔：网孔是回路，但认定的网孔一定要比其他网孔包含有新的支路。如图电路:adbca、abca和abda共三个回路。abcdI2I3I1基尔霍夫定律如图电路:当认定adbca和abca是网孔时，abda就不能认为是网孔，它所包含的支路都已被前两个网孔所包含。名词、概念(3)基尔霍夫定律acdI2I1I3当然，当认定adba和abca是网孔时，acbda就不是网孔，因其支路都已被前两个网孔所包含。同样，当认定acbda和adba是网孔时，abca就不再认定是网孔，其支路也已被前两个网孔