电工技术电路基本概念和基本定理

电工技术电工技术电工学主讲：张国平郑州大学材料科学与工程学院电工技术绪论《电工学》是大学工科各专业必设的技术基础课当今世界上，人们衣食住行的基本生活条件现代一切科学技术的发展与工农业生产都离不开电工及电子技术的支撑电工技术绪论电能的优点1.电能便于转换为其他形式的能量。如：热能、光能、机械能等等2.电能的传输方便、迅速、经济3.电能便于控制，电气设备易于操作，效率高、灵敏度也高电工技术绪论电路的功能1.供电电路：用来传输电能2.整流电路：可将交流电变为直流电3.滤波器电路：可滤掉附加在有用信号上的噪音，完成信息的处理4.计算机中的存储器电路：可存储原始数据、中间数据和最终结果。具有存储功能……电工技术绪论电路的应用工业生产中电力机械的动力设备——电动机采矿、冶金、轧钢、锻造和铸造机械、金属冷加工机械机床等机械加工工艺——电加工技术电镀、电焊、电炉冶金、电蚀加工、超声波加工、电子束和离子束加工等……交通与通讯汽车与火车、飞机、轮船……广播、电视、电影及电话……测量与控制长度、速度、温度、时间、压力、流量、照度和色度等……电工技术绪论电工学的两大分支1.电路分析：主要内容是在给定电路结构、元件参数的条件下，求电路中各处电压、电流的分配。2.电路综合：主要内容是在给定输入（激励）、输出（响应）的条件下，求电路结构。电工技术绪论本课程的目的和任务主要任务是研究线性、非时变电路的基本理论和基本分析方法非线性电路，只涉及最简单的非线性电阻电路的分析是电路理论的入门课程，是一门实践性较强的技术基础课通过本课程的学习，能够掌握电路的基本理论和基本的分析方法，培养分析问题和解决问题的能力，为后续课程的学习以及以后从事的工程技术工作打下必要的基础电工技术1.4无源电流元件1.5有源电路元件1.1电路与电路模型1.2电压、电流及其方向1.3基尔霍夫定律1.6电路的基本状态和电气设备的额定值第一章电路的基本概念和基本定律电工技术本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解基尔霍夫定律并能正确应用；3.了解电路的有载工作、开路与短路状态，理解电功率和额定值的意义；4.会计算电路中各点的电位。第一章电路的基本概念和基本定律电工技术1.1电路与电路模型一.电路的组成电流通过的路径叫电路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。手电筒的电路模型R+RoE–S+U–I电池中间环节灯泡一个完整的电路是由电源、负载、中间环节（包括开关和导线等）三部分按一定方式组成的。电工技术电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线中间环节：传递、分配和控制电能的作用电路各部分的作用电工技术电路按其功能可分为两类：电力电路、信号电路。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线（2）信号电路——实现信号的传递和处理放大器扬声器话筒（1）电力电路——实现电能的传输和转换二.电路的功能和分类电工技术三、电路模型实际电路元件都是一个物理实体，它们在工作过程中所表现出的电磁性能和能量转换过程往往比较复杂，为了便于分析，常将实际电路元件用具有某一性能的理想电路元件或它们的组合表示，称为电路元件模型。理想电路元件分为：有源元件和无源元件。电压源电流源有源元件电阻电感电容无源元件由电路元件组成的电路称为电路模型电工技术1.2电压、电流及其参考方向电流其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。一.电流电流的方向：规定正电荷移动的方向为电流的方向。参考方向：在分析与计算电路时，任意假设的方向。（正方向）I=Qt随时间变化的电流定义为：dqidt直流电流定义为：电工技术例：abRI若I=5A，则电流从a流向b；若I=–5A，则电流从b流向a。实际方向与参考方向一致，电流值为正值；实际方向与参考方向相反，电流值为负值。实际方向与参考方向的关系：电流的单位：kA、A、mA、μA注意：在参考方向选定后，电流值才有正负之分。电工技术二.电压、电位、电动势和电功率电压U:电场力移动单位正电荷所作的功。电压U实际方向：从高电位点指向低电位点。单位：kV、V、mV、μV实际方向与参考方向的关系:实际方向与参考方向一致，电压值为正值；实际方向与参考方向相反，电压值为负值。1.电压电工技术当U与I参考方向一致，称为关联参考方向U=RI；abRU+–若U=5V，则电压的实际方向从a指向b；若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a。当U与I参考方向不一致，称为非关联参考方向U=–RI；OOR+-UIABOOR+-UIAB电工技术电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”。通常设参考点的电位为零。2.电位电位的计算步骤:(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2)标出各电流参考方向并计算；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。电工技术ABO2V1K1K举例求图示电路中各点的电位:VA、VB、V0。解：设O为参考点，即Vo=0VVA=UAO=1×1=1VVB=UBO=-1×1=-1VI电流I＝1mAUAB=VA–VB=2VUAB=VA–VB=2VVA=UAB=1×2=2VVO=UOB=1×1=1V解：设B为参考点，即VB=0V电工技术结论：(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变；(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。借助电位的概念可以简化电路作图bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd电工技术例1－2－1:图示电路，试计算电路中B点的电VBVB=VA-R1I=9-10=-1V解：电流R1=100k+9VVBIAR2=50kB-6V=IVA-VcR1+R2=9-(-6)100+50=0.1mABR1=100kR2=50k9VA6VO-++-C电工技术3、电动势电动势E:电源力移动单位正电荷所作的功。实际方向：由低电位端指向高电位端。单位：kV、V、mV、μV4、电能和电功率电能W=UQ=UIt电功率P=W/t=UI单位：瓦特（W）千瓦（KW）电工技术电源与负载的判别U、I参考方向不同，P=UI0，电源；P=UI0，负载。U、I参考方向相同，P=UI0，负载；P=UI0，电源。1.根据U、I的实际方向判别2.根据U、I的参考方向判别电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；负载：U、I实际方向相同，即电流从“-”端流出。（吸收功率）。电工技术例1－2－2某电路中的一段支路含有电源，如图1－1（a）所示，支路电阻为R0=0.6Ω，测得该电路的端电压为230V，电路中的电流I＝5A，并有关系U＝E－R0I，试求：（1）此有源支路的电动势；（2）此有源支路在电路中是属于电源性质还是负载性质？（3）写出功率平衡关系式。电工技术解：（1）因为U=E－R0I所以E=U+R0I=（230＋0.6×5）＝233VR0EUI（2）由于EU,I的实际方向如图所示。即U与I的实际方向相反，属于电源性质。（3）PE＝EI＝233×5＝1165WP＝UI＝230×5＝1150WΔP＝I2R＝52×0.6＝15W功率平衡关系式PE＝P＋ΔP电工技术1.3基尔霍夫定律支路：由一个或几个元件首尾相接构成的无分支的电路或电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。在同一条支路中，流过所有元件的电流都相等。结点：三条或三条以上支路的联接点。一、基尔霍夫电流定律(KCL定律)定律:在任一瞬间，通过电路中任一结点的各支路电流的代数和恒等于零。即：ＩK=0电工技术实质:电流连续性的体现。对结点a：I1+I3=I2+I4或I1+I3–I2–I4=0基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。I1R4I2baR3US3R1US1R2I4I3例：电工技术电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。推广例1-3-2广义结点Ib+Ic=IecbeIcIeIb例1-3-1A系统B系统I1I2I1–I2=0在任意瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和恒等于零。即：Ｉk=0电工技术定律:在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。二、基尔霍夫电压定律（KVL定律)即：UK=0回路：由支路组成的闭合路径。US1BACI2US2R1R2R3I1I3回路方向即：-US1+I1R1-I2R2+US2+I3R3=0图中回路ABCA：UAB+UBC+UCA=0E1E2规定:电位降取正号，电位升取负号电工技术US1BACI2US2R1R2R3I1I3回路方向E1E2或：-E1+I1R1-I2R2+E2+I3R3=0E1-E2=I1R1-I2R2+I3R3∑Ek=∑IkRk表明：在任一回路方向上，回路中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和。规定：当电源的电动势的方向与回路方向一致时，取正号，相反时取负号。当电流的正方向与回路方向一致时，该电流在该支路电阻上所产生的电压降取正号，相反时取负号。电工技术1．列方程前标注各支路电流的正方向和回路方向；∑Ek=∑IkRkE2=UBE+I2R2U=0I2R2–E2+UBE=02．应用U=0或∑Ek=∑IkRk列方程时，要注意各项前符号的确定；3.开口电压可按回路处理注意：1对回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_电工技术试决定图示的晶体管电路Ucb、Ube和Uce之间的关系。cbeUceUcbUbe解：由于电压Ucb、Uce、Ube构成一个虚拟回路，各级间的电压满足基尔霍夫电压定律。例1－3－3即：-Ucb+Uce–Ube=0电工技术例1－3－4图示电路中，已知US1=23V，US2=6V，R1=10Ω，R2=5Ω，R3=8Ω，R4=10Ω，R5=4Ω，R6=7Ω，R7=1Ω。试求电压UAB。解：I4I3US2R3R1US1R4R5R7R6R2DC++++----UDCUCBUDAUABI5032113RRRURUSAB76525RRRURS)(1746485102386AB3344550ABIRIRIRU电工技术1.4无源电路元件一、理想电路元件理想电路元件——理想电阻元件、理想电感元件、理想电容元件和理想电压源、理想电流源。1、电阻元件Ruiu=Riuio伏安特性伏安特性是直线的电阻称为线性电阻。电阻的单位：Ω、KΩ、MΩ电阻元件总是消耗电功率，故电阻是耗能元件。u=Ri两边乘以电流并对时间积分可得：200ttuidtiRdt电工技术Φe2.电感元件设一单匝线圈，当通过单匝线圈的磁通量发生变化时，线圈中要产生感应电动势。其大小等于磁通的变化率。即：dedtddt此式仅反映了感应电动势的大小感应电动势的方向：取决于磁通的变化情况。磁通的变化率是增大还是减小，所产生的感应电动势的方向是不同的，也就是说感应电动势有两个可能的方向。规定：感应电动势的正方向和磁通的正方向之间满足右手螺旋定则。则有：dedt电工技术dedt不仅反映了感应电动势的大小，同时确定了感应电动势的方向。当磁通的正值增大时，即，则，即感应电动势的实际方向与所选定的正方向相反。当磁通的正值减小时，即，则，即感应电动势的实际方向与所选定的正方向相同。0ddt0ddt0e0e如果线圈有N匝，且绕的比较集中，可认为通过各匝线圈的磁通相同，那么感应电动势是单匝线圈感应电动势的N倍。即：dNdeNdtdtNdedt令——磁链则电工技术磁链或磁通是由通过线圈的电流i产生的，当线圈中没有铁磁材料时，磁链或磁通与提高线圈的电流i成正比。即NLiLiLdieLdtL：电感或自感系数线圈的匝数越多，电感L越大线圈中单位电流产生的磁通越大，电感L越大dedt