技能培训专题 电工技术 1章

1.1电路组成与电路模型1.1电路组成与电路模型1.2电路的基本物理量及其参考方向1.2电路的基本物理量及其参考方向1.3电阻元件与欧姆定律1.3电阻元件与欧姆定律1.4独立电源1.4独立电源1.5基尔霍夫定律1.5基尔霍夫定律第1章电路的基本概念与基本定律BasicConceptionandBasicPrinciples一.电路：电工设备构成的整体，电流的流通路径。1.1电路组成与电路模型电路形式与功能：电力电路：实现电能的转换、传输、分配和控制。电能易于转换、传输和控制。电为能量枢纽。1.1.1电路的组成10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡例:放大器话筒扬声器通讯和测量控制电路：实现电信号的传递和处理。计算机电路：实现信息的存储和处理。电为信息载体。电路的组成部分：电源、中间环节、负载。电源(source)：将其他形式的能量转换成电能或电信号负载(load)：将电能或电信号转化为其它形式的能量或信号。中间环节：连接电源与负载的部件如导线(line)、开关(switch)、控制电器和保护电器10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡例:放大器话筒扬声器1.1电路的基本概念与基本定律1.1.2电路模型(circuitmodel)1.理想元件:将实际器件所具备的电磁性质抽象出来,用单一电磁性质描述,伏安关系u=f(i)可数学公式严格表示表示实际器件主要特性的理想元件有：电阻：消耗电能,将电能转变成其他形式的能量(热效应)电感：电流产生磁场,储存磁场能量(磁场效应)电容：电荷产生电场,储存电场能量(电场效应)电源：将其它形式的能量转变成电能的装置,按实际特性分为电压源和电流源两种形式受控电源：描述存在电量控制关系的实际器件。集总参数元件，满足集总条件：实际电路尺寸远小于工作时的电磁波波长。其电磁现象集中在元件内部。2.电路模型：在一定条件下,由理想元件组成的,与实际电路和器件具有相同电磁性质的模型电路。*电路模型由理想元件的符号构成电路图10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡例:RLSRSE3.几种理想元件符号RLC+-+-u2u1+-u1μi2i1βi1RSISRSUSRSUS-+主要物理量：电流、电压、电动势、电位、电功率1.2.1电流(Current)：带电粒子的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度(简称电流)表示：即单位时间内通过导体截面的电量。tqtqitddlim)t(0Δ==→ΔΔ电流的单位：安培(Ampere)，A、mA、μA1.2电路的基本物理量及参考方向(Variableandreferencedirection)电流的方向：将正电荷的移动方向定为电流的实际方向交流AC:i恒定直流DC:I为什么要引入参考方向？(b)交流电流的方向是变化的，标定电流的参考方向,才能正确地用函数表达式表示出电流的变化规律。(a)复杂电路无法预知电流的方向,必须选定参考方向才能用电路定律求解。此时电流成为代数量，根据参考方向和电流数值的正负,即可确定电流的真实方向。(c)参考方向与电流数值的正负是一个整体。电流的参考方向(Referencedirection)计算电路时，请先在电路图中标明变量和参考方向，各种电路定律、定理和电路方程中出现的正负号，以及电量数值的正负都与参考方向的选择有关。即任意选定的电流方向。不正确不正确电流的参考方向+10V10kΩI=1mA/1AI=？2A正确吗？未标参考方向，无法确定实际方向未标参考方向，无法确定未知量元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:参考方向：任意选定的电流方向。i参考方向AB当参考方向与实际方向相同时，电流为正值；当参考方向与实际方向相反时，电流为负值。故参考方向又称为正方向i0i0实际方向实际方向ABBA⊕⊕不标参考方向，则电流的正负没有任何意义。•用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。•用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。i参考方向i参考方向实际方向1A实际方向1Ai=1Ai=-1AABAB实际方向不要标出标电流参考方向的两种方法:根据参考方向与电流数值的正负即可确定实际方向直流实验中,先选定电表的参考方向,测量时,请完整记录电表读数的数值和符号。i参考方向实验中如何测量电流?实际方向读数为正值A+-i参考方向A+-实际方向读数为负值串联电流表测电流电流表。。电流插孔1.2.2电压(Voltage):qWUABAB=电压的单位：伏特(Volt伏特),V、mV、kV电压实际方向即为电场力做功的方向，即由高电位端指向低电位端。交流:u恒定直流:U电压是衡量电场力做功能力的物理量。在电场力的作用下,将单位正电荷从A点沿电源外电路移至B点所做的功，等于AB两点间的电压UAB。电压的方向：将电位降的方向定为电压的实际方向。qwudd=UAB+10V10kΩAB+电压的参考方向++U0U0实际方向实际方向参考方向U+–参考方向U–+ABAAABBB不要在电路中标出电压的实际方向即任意选定的电压方向。此时，电压为代数量。++U0U0实际方向实际方向参考方向U+–参考方向U–+ABAAABBB不要在电路中标出电压的实际方向即任意选定的电压方向。此时，电压为代数量。电压的参考方向标电压参考方向的三种方式：(1)箭头表示：参考方向由A指向B，高电位指向低电位(2)正负极性表示：正极为高电位，负极为低电位(3)下标表示：UAB即指参考方向由A点指向B点U+ABUABUAABB电压又称为：电压降、电位降、电位差。(1)参考方向是任意选定的电压和电流方向(2)参考方向一经选定，必须在电路图上标注出来。改变参考方向,电路公式中变量的正负号应随之改变。计算过程中不能随意改变方向,否则影响计算的正确性。U=RIU=–RI小结:U=1VU=1V计算步骤：标参考方向→选公式→计算→确定实际方向关联方向非关联方向例:求U？+–R=1ΩUABI=1A+–I=-1AUABR=1Ω(4)电路中标定的电量方向均为参考方向。数值的正负均相对于参考方向而言，数值的正负结合参考方向才能确定实际方向。在计算过程中不必考虑实际方向。(3)关联方向：元件或支路上u、i的参考方向相同非关联方向：u、i的参考方向相反。通常尽量选关联方向，以减少计算公式中的负号。+–iu+–iu关联方向非关联方向ABui+-哪个元件为关联方向？电动势(eletromotiveforce)：(V)qWE=电动势的单位与电压相同，V(伏特)根据能量守恒：|UAB|=|EBA|电场力将正电荷经外部从A移到B所做的功与电源力克服电场力将正电荷经电源内部从B移向A做的功是等值的。+Us10VREAB|US|=|E|=10V直流电动势E，交流电动势e非电场力将单位正电荷从电源内部的负极移到正极所作的功称为电动势。电压与电动势的大小相等和极性相同，箭头方向相反常用电压US来表示电源电动势E电位：电路中某点到参考点之间的电压称为该点的电位设电位参考点的电位为0，即U0=0，故电位参考点又称电位零点。各点电位均相对于参考点而言。电位与电压有相同的单位和物理意义。abcd设c点为电位参考点，则Uc=0Ua=Uac，Ub=Ubc，Ud=Udc各点电位为：电压与电位的关系：abcd设c点为电位参考点，Uc=02.已知电位,求电压Uad=Uac–Udc=Ua–Ud结论：1.已知电路中各段电压，便可求得各点电位;2.已知电路中各点电位，便可求得任意两点间的电压，故电压又名电位差。1.已知电压,求电位Ua=Uac=Uad+Udc=Uab+UbcUac=Ua，Udc=Ud例：已知Uab=3V，Ubc=-5V(1)以b点为参考点，Ub=0(2)以a点为参考点，Ua=0结论：当改变参考点时，电路中各点电位也随之改变,但任意两点间电压保持不变。Ua=3VUc=5VUac=-2Vabc5V3VUb=-3VUc=2VUac=-2Vabc5V3V电位与参考点有关,而电压与参考点无关。简化画法(电位画法):-++-+-3v3v5vD1D2RLABC电位画法与回路画法的转换：因电子线路复杂，电路图一般采用电位画法，有公共端作为电位参考点+3V-3V+5VD2D1RLBAC例:分别求开关S断开、闭合时A点电位UA+12V-12V6k6k12kASCDI1)S断开:mA11266)12(12I=++−−=2).S闭合:V4126126UA=×+=UA:3V5V7V题1:求A点电位UAUAC=-1mA×12kΩ=-12VUA=UAC+12V=0V+-+-6v1k2k4k3vAB题2：当R2触点下移,电位Ua增加减小不变+12V-12VabR1R2R31.2.3.电功率单位时间内，电场力所做的功。tqiqwu,twpdd,dddd===uitqqwtwp===dddddd功率的单位：瓦特(Watt),W、mW、kW能量的单位：焦耳(Joule),J(W·s)度(kW·h)直流：P交流：p、P、Q、S元件吸收功率的算式:p＜0表示元件发出功率，为电源。(ui实际方向相反)根据功率数值的正负可判定元件在电路中的作用p＞0表示元件吸收功率，为负载；(ui实际方向相同)关联方向时：p=ui;非关联方向时：p=-ui例1.2.1计算功率以此评定元件功能解：（a）P=UI=6V×1A=6W，（吸收功率,为负载）（b）P=UI=6V×(-1A)=-6W，（发出功率,为电源）（c）P=-UI=-(6V×1A)=-6W，（发出功率,为电源）+-U=6VI=1Aa-+U=6VI=-1Ab+-U=6VI=1Ac上述功率计算不仅适用于元件，也适用于任意二端网络电阻元件在电路中总是消耗功率,而电源的功率与外电路有关,可能吸收功率,也可能发出功率。例:US1=10V，US2=5V，求电源和电阻的功率。I=UR/5=(US1–US2)/5=(10–5)/5=1APR=URI=5×1=5WPUS1=-US1I=-10×1=-10W(电源)PUS2=US2I=5×1=5W(负载)P发=10W，P吸=5+5=10W∑P发=∑P吸—功率平衡+–5ΩIURUS1US2++––负载从电源获得最大功率的条件:I+RLUsRSL2SLSL2LSLSR)RRU(RIPRRUI+==+=，当US、RS一定:3SLLS2SLL2LSSLL)R(RRRUdR]R)RRUd[(dRdP+−=+=则当RL=RS时效率低：η=PRL/PUS=50%负载获得最大功率：LSRUP4Lmax2=令=0,PL=PLmaxdRLdPL电源含内阻有功率损耗，输出到负载RL上的功率为:←最大功率匹配一、有载状态S断开，I=0，电源不输出电流和功率,额定值：为保证电气设备可靠运行,对其承受电流、电压和功率的限制规定：IN、UN、PN规定指标和使用寿命;低于额定值为轻载;超过额定值,为过载。设备不允许长时间过载运行。二、开路状态开关S闭合,电源输出电能到负载RL。电路的工作状态+SUsRs+URLIU=US-IRS输出功率：PL=I2RL在额定值下运行称满载状态,可以满足三、短路状态电压源短路属严重事故,要加保护措施，避免发生。称为空载，电源端为开路电压：UOC=USU=0，短路电流远大于额定值：USISC＝—RSISC一、电阻元件电阻值R与自身电压和电流无关,伏安关系VAR为过原点的直线IRU1.线性电阻UI01.3电路的理想元件欧姆定律:关联方向，R=u/i=U/I；非关联方向，R=-u/i=-U/I电阻的单位：Ω欧姆(Ohm)、kΩ、MΩ电导：G=1/R=I/U电导的单位：西门子S(Siemens)实际电阻器的额定值：阻值和额定功率p=ui=i2R=u2/R≥0，电阻是耗能元件2.非线性电阻元件非线性电阻的伏安关系为曲线，阻值与工作点有关△IuiO△UIU非线性元件(如二极管、三极管)IUR=设u变化△U时，i变化为△IdIdUr=交流特性:动态电阻rR与r皆与工作点有关，一般数值相差很大。r=lim(△U/△I)，△→0对于含非线性电阻电路，常采用图解法和估算法。Q直流特性:静态电阻R1.右侧非