第1单元-电路的基本概念和欧姆定律

电工技术1.1电路和电路模型1.2电流、电压及其参考方向1.3电功率和电能1.4电阻元件和欧姆定律第1单元电路的基本概念和欧姆定律1.1电路和电路模型目的与要求1了解电路和电路模型的概念2了解电路的基本组成3初步了解电路的理想元件R、L、C重点与难点重点：电路的基本组成难点：电路模型、理想元件的特性1.1.1电路1.电路是电流的流通路径,它是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的。复杂的电路呈网状,又称网络。电路和网络这两个术语是通用的。2.路的一种作用是实现电能的传输和转换。另一种作用是实现信号的处理。1.1.1电路3.电源：电路中提供电能或信号的器件负载：电路中吸收电能或输出信号的器件干电池开关小灯泡(a)S(b)－＋RiRUs图1.1电路的组成1.1.2理想电路元件1.在一定条件下对实际器件加以理想化,只考虑其中起主要作用的某些电磁现象。2.理想电路元件是一种理想化的模型,简称为电路元件。电阻元件是一种只表示消耗电能的元件;电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件;电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件等。3.对具有两个引出端的元件,称为二端元件;对具有两个以上引出端的元件,称为多端元件。理想电路元件伏安关系（欧姆定律）：关联方向时：u=Ri非关联方向时：u=－Ri1．电阻元件符号：Ri+　　u－功率：RuRiuip22电阻元件是一种消耗电能的元件。伏安关系：2．电感元件符号：电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。+　　u－iLdtdiLudtdiLuＬ称为电感元件的电感，单位是亨利（Ｈ）。只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但ｕ＝０，相当于短路。存储能量：2L21LiW3．电容元件电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。伏安关系：符号：iC+　　u－dtduCidtduCi只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但ｉ＝０，相当于开路，即电容具有隔直作用。C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。存储能量：2C21CuW4．理想电压源（1）伏安关系u=uS端电压为us，与流过电压源的电流无关，由电源本身确定，电流任意，由外电路确定。（2）特性曲线与符号　uUsOt　Us+－　us+－（2）特性曲线与符号　iIsOu　isi=iS流过电流为is，与电源两端电压无关，由电源本身确定，电压任意，由外电路确定。5．理想电流源（1）伏安关系1.1.3电路模型实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导体连接起来模拟,这便构成了电路模型。教学方法鼓励学生自己找出日常生活中的电源负载，帮助学生理解电源、负载的定义。思考题1.什么叫电路模型？建立电路模型时应注意什么问题？2.电工基础课研究的主要对象是什么？1.2电路基本物理量电流、电压、电动势及电位目的与要求1.理解电流、电压的参考方向2.会判断电流、电压的实际方向重点与难点重点电流、电压的参考方向难点1.参考方向与实际方向间的关系2.两点间电位与电压的关系1.2.1电流及其参考方向1.电流：带电粒子（电子、离子等）的定向运动,称为电流。用符号i表示,即dtdqi2.电流的实际方向：正电荷运动方向。1.2.1电流及其参考方向3.直流：当电流的量值和方向都不随时间变化时,称为直流电流,简称直流。直流电流常用英文大写字母I表示。tqI交流：量值和方向随着时间按周期性变化的电流,称为交流电流,简称交流。常用英文小写字母i表示。1.2.1电流及其参考方向4.单位：安［培］,符号为A。常用的单位有千安（kA）,毫安（mA）,微安（μA）等。AmAA63101011.2.1电流及其参考方向（四）5.在分析与计算电路时,常可任意规定某一方向作为电流的参考方向或正方向。(a)(b)(c)(d)i参考方向实际方向iababi参考方向实际方向ibaba图1.2电流的参考方向1.2.2电压及其参考方向1.电路中A、B两点间的电压是单位正电荷在电场力的作用下由A点移动到B点所减少的电能,即式中,Δq为由A点移动到B点的电荷量,ΔWAB为移动过程中电荷所减少的电能。dqdWqWuABABqAB0lim1.2.2电压及其参考方向2.电压的实际方向：是使正电荷电能减少的方向。电压的SI单位：是伏［特］,符号为V。常用的单位：千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等。1.2.2电压及其参考方向3.量值和方向都不随时间变化的直流电压,用大写字母U表示。交流电压,用小写字母u表示。(a)(b)uuABBA＋－图1.3电压的参考方向1.2.2电压及其参考方向4.若电压的参考方向与实际方向一致，电压为正。若电压的参考方向与实际方向相反，电压为负。5.分析电路时，首先应该规定电流电压的参考方向。1.2.2电压及其参考方向6.元件的电压参考方向与电流参考方向是一致的,称为关联参考方向。i＋－u图1.4电流和电压的关联参考方向1.2.3电位1.在电路中任选一点,叫做参考点,则某点的电位就是由该点到参考点的电压。0aaUV1.2.3电位2.如果已知a、b两点的电位各为,,则此两点间的电压bababaabVVUUUUU0000即两点间的电压等于这两点的电位的差3.参考点不同，各点的电位不同，但两点间的电压与参考点的选择无关。教学方法通过自学的方法引入参考方向的定义思考题1.为什么要在电路图上规定电流的参考方向？请说明参考方向与实际方向的关系？2.电压参考方向都有哪些表示方法？3.电位的简单计算．1.3电功率和电能目的与要求1.会计算电功率和电能2.会判断电源、负载重点与难点重点电功率和电能的计算难点关联参考方向和非关联参考方向下电功率1.功率iupdtdqdqdwdtdwpdqdwudtdqi,定义：传递转换电能的速率叫电功率，简称功率，用p或P表示。2.功率的正负如果电流、电压选用关联参考方向时,则所得的p如果是正值应看成支路接受的功率,计算所得功率为负值时,表示支路实际发出功率。如果电流、电压选择非关联参考方向,判断标准同上，即计算所得功率为正值时,表示支路实际发出功率;计算所得功率为负值时,表示支路接受功率。UIPUIP3.直流功率在直流情况下UIP功率的单位为瓦［特］,简称瓦,符号为W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。4.电能的计算（一）从t0到t时间内,ttpdtW0)(0ttPW直流时，有4.电能的计算（二）JhkW63106.33600101所有元件接受的功率的总和为零。这个结论叫做“电路的功率平衡”。例1.1（一）图1.5所示为直流电路,U1=4V,U2=-8V,U3=6V,I=4A,求各元件接受或发出的功率P1、P2和P3,并求整个电路的功率P。U1＋－I－＋U2＋－U3P1P2P3图1.5例1.1图例1.1（二）解：P1的电压参考方向与电流参考方向相关联,故P1=U1I=4×4=16W(接受16W)P2和P3的电压参考方向与电流参考方向非关联,故P2=U2I=(-8)×4=-32W(接受32W)P3=U3I=－6×4=－24W(发出24W)整个电路的功率P,设接受功率为正,发出功率为负,故P=16－32-24=－4０WⅣ、教学方法讲授法Ⅴ、思考题1.当元件电流，电压选择关联参考方向时，什么情况下元件接受功率？什么情况下元件发出功率？2.有两个电源，一个发出的电能为1000kW.h,另一个发出的电能为500kW.h。是否可认为前一个电源的功率大，后一个电源的功率小？1.4电阻元件和欧姆定律目的与要求1.掌握电阻元件上的欧姆定律2.理解电路短路、开路时的特点重点与难点重点欧姆定律、电导难点1.短路、开路2.应用欧姆定律时正负号的确定1.电阻元件（一）电阻元件是一个二端元件,它的电流和电压的方向总是一致的,它的电流和电压的大小成代数关系。电流和电压的大小成正比的电阻元件叫线性电阻元件。元件的电流与电压的关系曲线叫做元件的伏安特性曲线。线性电阻元件的伏安特性为通过坐标原点的直线,这个关系称为欧姆定律。1.电阻元件（二）Oiu图1.6线性电阻的伏安特性曲线2.欧姆定律iRu在电流和电压的关联参考方向下,线性电阻元件的伏安特性如图1.6所示,欧姆定律的表达式为式中,R是元件的电阻,它是一个反映电路中电能消耗的电路参数,是一个正实常数。式中电压用V表示,电流用A表示时,电阻的单位是欧［姆］,符号为Ω。电阻的十进倍数单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）等。(1.7)３.非线性电阻元件电流和电压的大小不成正比的电阻元件叫非线性电阻元件。本书只讨论线性电阻电路。4.电导令G=1/R,则式（1.7）变为uGi式中,G称为电阻元件的电导,单位是西［门子］,符号为S。如果线性电阻元件的电流和电压的参考方向不关联,则欧姆定律的表达式为GuiiRu或(1.8)5.功率222GuRuRiuip在电流和电压关联参考方向下,任何瞬时线性电阻元件接受的电功率为线性电阻元件是耗能元件。6.焦耳定律dtRudtRipdtWQtttttt00022若电流不随时间变化,TRUTRIPTttPWQ220)(以上两式称为焦耳定律。如果电阻元件把接受的电能转换成热能,则从t0到t时间内。电阻元件的热［量］Q,也就是这段时间内接受的电能W为7.两种特殊情况线性电阻元件有两种特殊情况值得注意:一种情况是电阻值R为无限大,电压为任何有限值时,其电流总是零,这时把它称为“开路”;另一种情况是电阻为零,电流为任何有限值时,其电压总是零,这时把它称为“短路”。例1.2有220V,100W灯泡一个,其灯丝电阻是多少？每天用5h,一个月（按30天计算）消耗的电能是多少度？解灯泡灯丝电阻为48410022022PUR一个月消耗的电能为度5115305101003hkWPTW教学方法“欧姆定律”在物理课中曾经接触过，这里可采用先自学的形式，提出问题：电工基础课中的“欧姆定律”与物理中的“欧姆定律”有何不同？思考题1.线性电阻元件的伏安关系是怎样的?2.线性电阻元件接受功率的计算公式有哪些？补充：电路的工作状态1、负载状态I+US－R0Rabcd+U－RRUI0SIRU0SIRUUPPPEP=UI：电源输出的功率PS=USI：电源产生的功率ΔP=I2R0：内阻消耗的功率I+US－R0SRabcd+U－2、空载状态00S0CPUUUI3、短路状态02E0SSC00RIPPPRUIIUI+US－R0Rabcd+U－例：设图示电路中的电源额定功率PN=22kW，额定电压UN=220V，内阻R0=0.2Ω，R为可调节的负载电阻。求：（1）电源的额定电流IN；（2）电源开路电压U0C；（3）电源在额定工作情况下的负载电阻RN；（4）负载发生短路时的短路电流ISC。+US－R0SRI+U－+US－R0SRI+U－A10022010223NNNUPIV2401002.02200NNS0CRIUUU2.2100220NNNIURA12002.02400SSCRUI解：(1)电源的额定电流为：(2)电源开路电压为：(3)电源在额定状态时的负载电阻为：(4)短路电流为：