第1章 电路的基本概念和基本定律
第一章 电路的基本概念和基本定律
电路的基本概念和基本定律
伏-安关系: 电压电流关系 (u,i关联参考方向下)
i u e
N
d e dt dLi di L dt dt
di u e L dt
电磁感应定律 感应电动势阻碍电流 变化,且其大小与电 流变化快慢有关
对于线性电感
伏安关系
说明1: 电压与电流的变化率成正比,电感是动态元件 当
如果U 、I方向不 一致该如何?
江苏大学电工电子教研室
电路的基本概念和基本定律
二、功率的计算:
U、 I 为关联参考方向时: U、 I 为非关联参考方向时:
P = UI或 p=ui
三、功率性质: 若计算结果 P(p) 0
若计算结果P(p) 0
Hale Waihona Puke + u –+
i
i
u –
P = -UI或 p=-ui
电工技术(电工学I)
第一章 电路的基本概念和基本定律 Basic conception and Laws of circuit
江苏大学电气信息工程学院
School of electric and information,UJS
电路的基本概念和基本定律
内容
1.1 电路的作用与组成
1.2 电路模型 1.3 电流和电压的参考方向 1.4 电路的功率
江苏大学电工电子教研室
电路的基本概念和基本定律
4.关联与非关联参考方向 对任一元件或一段电路 关联方向:
I
与
U
的参考方向一致
a
I U
b
非关联方向:
I
与
U
的参考方向相反
a
1电路的基本概念与基本定律-电工电子学
(b) 电流从“+”流入,故为负载;
(c) 电流从“+”流入,故为负载 ;
(d) 电流从“+”流出,故为电源。
2.功率与功率平衡
功率 设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电
路的电流为 I, 则这部分电路消耗的功率为:
P UI
W为瓦[特] KW为千瓦
功率平衡:由U=E-R0I得 UI=EI-R0I2
返回
物理量参考方向的表示方法
I
a
电 池
灯 泡
+ EU
_
+
R
Uab
_
b
电压
正负号 箭头 双下标
a + U_ ab b
电流:从高电位 指向低电位。
a
Uabb
I
Uab(高电位在前, + R -
低电位在后)
1.4 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。
U R I
+ I
U -
U=RI (a)
I1 R1
c
+ U3
E1 U1
R2 I2
a
d
- - U4 +
U1+U4=U2+U3
U2 E2 U1-U2-U3+U4=0
即 U=0
电位降取正
b
电位升取负
上式可改写为
I1 R1
c
+ U3
R2 a
- - U4
I2
d
+
E1-E2-R1I1+R2I2=0 E1
U1
或 E1-E2=R1I1-R2I2
U2 E2
U=E1-U1=E1-IR01
E1=U+R01I=220
第一章电路的基本概念和基本定律
开关
实际电路
电源
电路模型 3
(1)电源:供给电能的设备。
把其它形式的能量转换为电能。
(2)负载: 消耗电能的设备。
把电能转换为其它形式的能量
(3)中间环节(又称传输控制环节):
各种控制电器和导线,起传输、分 配、控制电能的作用。
4
1.1.2 电路中的物理量 1、电流
定义 电荷有规律的定向运动即形成电流
(2) 列电路方程:
Uab UR E
UR Uab E
IR
UR R
Uab E R
15Leabharlann R aIR E UR
b U
IR
U
R
E
(3) 数值计算
U 3V
IR
3-2 1
1A
(实际方向与假设方向一致)
U 1V
IR
1 2 1
1A
(实际方向与假设方向相反)
16
(共7 个)
31
(一) 克氏电流定律(KCL)
对任何节点,在任一瞬间,流入节点的电流等于由节点
流出的电流, 即: I 入= I 出 或者说,在任一瞬 间,一个节点上电流的代数和为 0。 即: I =0
例
I2
I1 I3 I2 I4
I1
I3
或:
I4
I1 I3 I2 I4 0
(二) 克氏电压定律(KVL)
对电路中的任一回路,沿任意循行方向转一周,其 电位升等于电位降。或各电压的代数和为 0。
I1
a
I2
即: U 0
R1
R2
例如: 回路 #3
电工基础——电路的基本概念和定律
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?
1.3 电功率和电能
目的与要求
或
i Gu
5.功率
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
u 2 p ui Ri Gu R
2
2
线性电阻元件是耗能元件。
6.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
Q W
负, 故 P=16+32-24=24W
Ⅳ、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?
A B A B
+
u
-
u
(a)
(b)
图1.3 电压的参考方向
1.2.2 电压及其参考方向(四)
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(五)
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。
1.1.1 电路(一)
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。
电路的基本概念和基本定律
R
R C
R
L
L
直流状态,仅 消耗能量
交流低频状 态,消能,储能
交流高频状态,消 耗能量,储磁场能 量和电场能量
{end}
1.2 电路变量及电流和电压的参考方向
1.2.1 电路变量 在电路理论中涉及的变量主要有电流、电压、电位、电荷、磁 通、磁通链、功率和能量。其中电流、电压、电位、能量和功率最 为常用。
+
–u(–u/ R) = u2/ R
能量:可用功表示。从t0 到 t电阻消耗的能量
WR pdξ ui dξ
t t t0 t0
1.3 电路元件及其伏安特性关系 1.3.2 电容元件 定义: 一个二端元件,其电荷q(t)和电压u(t)之间的 关系,可以用q-u平面上的一条曲线来确定,则 称为电容元件。 q 对于线性电容,有 q =Cu
第1章 电路的基本概念和基本定律
1.1 电路及其理论模型 1.2 电路变量及电流和电压的参考方向
1.3 电路元件及其伏安特性关系
1.4 基尔霍夫定律 1.5 电压和电位的区别
{end}
第1章 电路的基本概念和基本定律
重点:
1. 电压、电流的参考方向
2. 电路元件特性 (电阻、电源、受控源) 电路分析的基础 3. 基尔霍夫定律
+
U
I 关联参考方向
+
U
I 非关联参考方向
1.2 电路变量及电流和电压的参考方向
功率的计算
(1) u, i 取关联参考方向 (2) u, i 取非关联参考方向
+
i
u
+
u
i
p=ui
功率的判断
p=-ui
电工基础电路的基本概念和基本定律教案
电工基础-电路的基本概念和基本定律教案第一章:电路的基本概念1.1 电流定义:电流是电荷的流动,单位是安培(A)电流的产生:电压使电荷发生移动形成电流1.2 电压定义:电压是电场力推动电荷移动的能力,单位是伏特(V)电压的产生:电源提供电压,使电荷在电路中流动1.3 电阻定义:电阻是电路对电流阻碍作用的大小,单位是欧姆(Ω)电阻的计算:R = V/I,其中V为电压,I为电流第二章:电路的基本元件2.1 电源定义:电源是提供电压的装置常见电源:电池、发电机、电源适配器等2.2 负载定义:负载是电路中消耗电能的装置常见负载:电灯、电动机、电阻等2.3 开关定义:开关是控制电路通断的装置常见开关:手动开关、自动开关等第三章:基本电路定律3.1 欧姆定律定义:电流I与电压V成正比,与电阻R成反比,公式为I = V/R 应用:计算电路中的电流、电压和电阻3.2 基尔霍夫电压定律(KVL)定义:电路中任意闭合回路电压的代数和等于零应用:分析电路中的电压关系,解决电压问题3.3 基尔霍夫电流定律(KCL)定义:电路中任意节点流入电流的代数和等于流出电流的代数和应用:分析电路中的电流关系,解决电流问题第四章:简单电路分析4.1 串联电路定义:电路中元件依次连接,电流相同,电压分配特点:电流相同,电压分配应用:计算串联电路中的电流、电压和电阻4.2 并联电路定义:电路中元件并行连接,电压相同,电流分配特点:电压相同,电流分配应用:计算并联电路中的电流、电压和电阻第五章:电路测量与实验5.1 测量工具电流表:测量电路中的电流电压表:测量电路中的电压电阻表:测量电路中的电阻5.2 实验步骤与方法实验设计:确定实验目的、电路连接方式等实验操作:按照实验步骤进行测量和数据记录实验分析:根据测量数据进行分析,得出结论第六章:电路的进阶概念6.1 交流电与直流电定义:交流电是电压和电流方向周期性变化的电,直流电是电压和电流方向不变的电特点:交流电有频率和相位,直流电稳定6.2 频率与周期定义:频率是单位时间内交流电变化的次数,周期是一次完整变化所需的时间关系:f = 1/T,其中f为频率,T为周期6.3 相位差定义:交流电中两个电压或电流波形的相对时间差应用:分析电路中波形的相位关系第七章:电路图的绘制7.1 电路图符号电源符号:电池、发电机等负载符号:电灯、电动机、电阻等开关符号:手动开关、自动开关等7.2 电路图绘制规则清晰:符号清晰,连线准确简洁:简化电路,删除多余部分一致:符号一致,电压方向一致7.3 电路图的解读与绘制解读:分析电路元件和连接方式,理解电路功能绘制:根据电路元件和连接方式,绘制电路图第八章:电路仿真软件的使用8.1 电路仿真软件概述定义:电路仿真软件是一种用于电路分析和设计的工具作用:模拟电路运行,验证电路设计,分析电路性能8.2 常见的电路仿真软件Multisim:功能强大,操作简单,广泛应用于电路设计和实验教学Proteus:界面友好,兼容性好,支持多种硬件描述语言LabVIEW:基于图形化编程语言,适用于复杂电路系统的研究和开发8.3 电路仿真软件的使用方法打开软件,创建新项目绘制电路图,添加元件设置参数,运行仿真分析结果,优化电路设计第九章:磁路与电磁感应9.1 磁路定义:磁力线在电路中的路径磁阻:磁路对磁力线的阻碍作用磁通量:磁场穿过磁路的面积与磁场强度之积9.2 电磁感应定义:磁通量变化时,产生感应电动势法拉第电磁感应定律:ε= -dΦ/dt,其中ε为感应电动势,Φ为磁通量,t为时间楞次定律:感应电流的方向是阻碍磁通量变化的方向第十章:电机的工作原理与控制10.1 直流电机工作原理:电流通过电枢产生磁场,与磁极相互作用产生转矩控制方式:电压控制、电流控制、转速控制等10.2 交流电机工作原理:电流通过线圈产生磁场,与磁极相互作用产生转矩控制方式:电压控制、频率控制、转速控制等10.3 电机控制系统定义:通过控制电机的工作原理和运行参数,实现对电机的控制应用:电动汽车、工业、风力发电等第十一章:电力电子技术11.1 电力电子器件定义:用于电力转换和控制的电子器件常见器件:二极管、晶体管、晶闸管、GTO、IGBT等11.2 电力电子电路定义:利用电力电子器件实现电能转换和控制的电路应用:变频调速、整流、逆变、斩波等11.3 电力电子技术的应用定义:电力电子技术在电力系统和电气设备中的应用应用领域:电源、电机控制、电力系统、可再生能源等第十二章:电气设备12.1 概述定义:用于发电、输电、变电、配电和用电的设备分类:发电设备、输电设备、变电设备、配电设备、用电设备12.2 发电设备定义:将机械能、热能等转化为电能的设备常见设备:汽轮机、水轮机、风力发电机、太阳能光伏板等12.3 输电设备定义:将电能从发电站输送到用户的设备常见设备:输电线路、变压器、断路器等第十三章:电力系统分析13.1 电力系统的基本组成部分定义:电力系统由发电、输电、变电、配电和用电五个部分组成作用:实现电能的生产、传输、分配和消费13.2 电力系统的稳定性分析定义:分析电力系统在受到扰动时的稳定运行能力稳定性指标:暂态稳定性、静态稳定性、暂态过程中的电压稳定性等13.3 电力系统的经济性分析定义:分析电力系统的运行成本和效率经济性指标:发电成本、输电损耗、用电成本等第十四章:电力系统的保护与控制14.1 电力系统的保护定义:对电力系统进行故障检测和隔离,保护设备和人员安全保护装置:继电保护、差动保护、距离保护等14.2 电力系统的控制定义:对电力系统的运行参数进行调节和控制,保证系统稳定运行控制方法:开关控制、调节控制、最优控制等14.3 电力系统自动化定义:利用计算机技术和自动化装置实现电力系统的运行控制和管理应用:发电控制、输电控制、变电控制、配电控制等第十五章:可再生能源与电力系统15.1 可再生能源概述定义:指在自然界中不断补充的能源,如太阳能、风能、水能等优点:清洁、可再生、减少化石能源依赖等15.2 可再生能源并网技术定义:将可再生能源发电装置接入电力系统,实现电能的互补和利用技术难点:波动性、不稳定、电能质量等15.3 电力系统的可持续发展定义:在满足人类需求的保证电力系统的长期稳定和发展措施:发展可再生能源、提高能源利用效率、减少环境污染等重点和难点解析本文主要介绍了电工基础-电路的基本概念和基本定律,包括电路的基本概念、基本元件、基本电路定律、简单电路分析、电路测量与实验、电路的进阶概念、电路图的绘制、电路仿真软件的使用、磁路与电磁感应、电机的工作原理与控制、电力电子技术、电气设备、电力系统分析、保护与控制以及可再生能源与电力系统等方面的知识。
第1章 电路的基本概念与基本定律
1第1章电路的基本概念与基本定律1.11.1电路和电路模型电路和电路模型1.21.2电路中的基本物理量电路中的基本物理量 1.3 1.3 电阻电阻电阻、、电感电感、、电容元件 1.4 1.4 电压源和电流源电压源和电流源 1.5 1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律2实际电路是实际电路是为实现某种应用目的由若干电器设备或器件按一定方式用导线连接而成的电流通路成的电流通路。
实现电能的传输和转换 电力电路或强电电路实现信号的传递和处理 电子电路或弱电电路1.1 电路和电路模型一、电路的定义3负载电源电源((或信号源或信号源):):):提供电能提供电能提供电能((或信号源或信号源))的部分的部分。
负载负载::吸收或转换电能的部分吸收或转换电能的部分。
中间环节中间环节::连接和控制它们的部分连接和控制它们的部分。
电路的组成中间环节4电路在工作时电路在工作时,,对电源来说对电源来说,,通常处于下列三种方式之一种方式之一::负载负载、、空载和短路。
负载与电源接通负载与电源接通,,负载中有电流通过有电流通过,,负载电流的大小与负载电阻有关与负载电阻有关。
负载都是并联负载都是并联。
因此当负,负载电阻减小负载电阻减小,,负,即功率增大即功率增大。
一般所说的负载的大小一般所说的负载的大小,,指的是负载电流或功率的大小的是负载电流或功率的大小,,而不是指负载电阻的大小不是指负载电阻的大小。
负载工作方式:5空载开路这时电源两端的外电阻等于零,电源输出的电流仅由电源内阻限制限制,,此电流称为短路电流此电流称为短路电流。
6为了保证电器设备和器件为了保证电器设备和器件((包括电线包括电线、、电缆电缆))可以安全、可靠和经济地工作可靠和经济地工作,,每种电器设备每种电器设备、、器件在设计时都对其规定了工作时允许的最大电流对其规定了工作时允许的最大电流、、最高电压和最大功率等参数值等参数值,,这些数值统称为额定值这些数值统称为额定值。
电工技术第一章 电路的基本概念和基本定律习题解答
第一章 电路的基本概念和基本定律本章是学习电工技术的理论基础,介绍了电路的基本概念和基本定律:主要包括电压、电流的参考方向、电路元件、电路模型、基尔霍夫定律和欧姆定律、功率和电位的计算等。
主要内容: 1.电路的基本概念(1)电路:电流流通的路径,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的系统。
(2)电路的组成:电源、中间环节、负载。
(3)电路的作用:①电能的传输及转换;②信号的传递及处理。
2.电路元件及电路模型(1)电路元件:分为独立电源和受控电源两类。
①无源元件:电阻、电感、电容元件。
②有源元件:分为独立电源和受控电源两类。
(2)电路模型:由理想电路元件所组成反映实际电路主要特性的电路。
它是对实际电路电磁性质的科学抽象和概括。
采用电路模型来分析电路,不仅使计算过程大为简化,而且能更清晰地反映该电路的物理本质。
(3)电源模型的等效变换①电压源及电阻串联的电路在一定条件下可以转化为电流源及电阻并联的电路,两种电源之间的等效变换条件为:0R I U S S =或0R U I SS =②当两种电源互相变换之后,除电源本身之外的其它外电路,其电压和电流均保持及变换前完全相同,功率也保持不变。
3.电路的基本物理量、电流和电压的参考方向以及参考电位 (1)电路的基本物理量包括:电流、电压、电位以及电功率等。
(2)电流和电压的参考方向:为了进行电路分析和计算,引入参考方向的概念。
电流和电压的参考方向是人为任意规定的电流、电压的正方向。
当按参考方向来分析电路时,得出的电流、电压值可能为正,也可能为负。
正值表示所设电流、电压的参考方向及实际方向一致,负值则表示两者相反。
当一个元件或一段电路上的电流、电压参考方向一致时,称它们为关联参考方向。
一般来说,参考方向的假设完全可以是任意的。
但应注意:一个电路一旦假设了参考方向,在电路的整个分析过程中就不允许再作改动。
(3)参考电位:人为规定的电路种的零电位点。
电路分析-第1章 电路的基本概念和基本定律
Uad=φa—φd=10—(—3)=13V
Ubd=Uba+Uad=—2+13=11V
以上用两种思路计算所得结果完全相同,由此可 (1) 两点之间的电压等于这两点之间路径上的
(2) 测Uab和Ubd的电压表应按图(b)所示跨接在 待测电压的两端,其极性已标注在图上。
§1-3 电功率与电能
一 、电功率 1. 定义 图中表示电路中的一部分 a 、 b 段,图中采 用了关联参考方向,设在 dt 时间内,由 a 点转移 到b点的正电荷量为dq,ab间的电压为u,在转移 过程中dq失去的能量为 d udq 因此,ab段电路所消耗的功率为
(a)开路状态;
(b)短路状态
§1-5电压源和电流源
例1.5 某电压源的开路电压 为30V,当外接电阻R后, 其端电压为25V,此时流经 的电流为5A,求R及电压源 内阻RS。 解: 用实际电压源模型表征该 电压源,可得电路如图所示。 即: 设电流及电压的参考方向如图 中所示,根据欧姆定律可得:
+ 30 V - RS R I + U -
U=U -R I S S
(a)
(b)
内阻
电阻Rs表示实际 电源的能量损耗
§1-5电压源和电流源
电路的两种特殊状态 开路状态。如图(a)所示。此时不接负载,电 流为零,端电压等于开路电压。可用开路电压 和内阻两个参数来表征。
+ US - RS - U=UOC + + US - RS ISC = UOC RS
§1-5电压源和电流源
U R I
根据
S S
U R I
25 5 5
U U R I
30 25 1 5
U S U 可得:R S I
§1-5电压源和电流源
第1章 电路的基本概念与定律
第1章 电路的基本概念与定律
注意 若选定的参考方向与电流的实际方向一致,则电流 为正值,即I>0 ; 若选定的参考方向与电流的实际方向相反,则电流 为负值,即I<0 。
电流的实际方向 电流的实际方向
I a
I
R
b
a
R
b
电流的参考方向 I>0
电流的参考方向 I<0
第1章 电路的基本概念与定律
二、电压和电动势及其参考方向 电压 电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所作的功, 叫做这两点间的电压。
C
q u
式中q的单位为库仑,u的单位为伏特,C的单位为法拉,简称 法,用字母F表示。由于法拉的单位太大,通常采用微法(μF)或 皮法(pF)表示。
1F 1 0 F 1 0
6 12
pF
当电容电压和电流为关联参考方向时,由电流的定义
i dq dt C du dt
在任一时刻,电路中电容的电流与其端电压的变化率成正比。 对于恒定电压,电容中的电流为零。所以电容对直流电而言相当于 开路。
响应
由激励产生的结果(如某个元件上的电流和电压等) 称之为响应。 激励和响应的关系就是作用和结果的关系。
电路分析就是在已知激励、电路结构和参数(电路模型) 的情况下,根据电路的基本定律对由理想元件组成的电路模型 进行分析,求出各元件上的电压、电流及功率等物理量,预测 实际电路的特性,以便设计更优化的电路。
N
第1章 电路的基本概念与定律
如果忽略导线电阻中消耗能量等次要因素,就可以用电感 元件作为实际线圈的模型。如下图所示。 i
+
u L e
将单位电流所能产生的磁链定义为电感元件的自感系数。电 感元件的自感系数简称电感,用字母L 来表示,即
电路的基本概念和基本定理
对于交流电路电压、电流的真实方向随时间变化,要简 单的用一个函数或用一条曲线描述电流、电压需要假设电流、 电压的方向。
第一章. 电路的基本概念和基本定理
假设的电流方向就称为电流的参考方向。
电流的参考方向与电流的真实方向一致,电流取正值; 电流的参考方向与电流的真实方向相反,电流取负值。 利用电流值(大于零或小于零)并结合参考方向,就能 够确定电流的真实方向。 电压和电动势同理。 在以后的电路分析中,如果没有特别声明,所涉及的电 流、电压的方向,都是参考方向,电压、电流的值均为代数 值。
如果将上式中的 i3 移到等号左边,则有
i1 i2 i3 0
基尔霍夫电流定律则可以叙述为: 流进任一节点的电流的代数和为零。 同样
流出任一节点的电流的代数和为零。
i 0
第一章. 电路的基本概念和基本定理
基尔霍夫电流定律不仅对任意一个节点来说是成立 的,而且还可以推广到包围着多个节点的闭合面(广义 节点)。
三. 电路中的功率 电功率的定义: 平均功率: 在直流情况下
p ui
1 P T
T
0
1 pdt T
T
uidt
0
P UI
I
电压和电流的参考方向为关联参考方向
P UI
P 0
表示吸收功率 吸收功率 发出功率
P0
P 0
U R
P 0
电压和电流的参考方向为非关联方向
P
第一章. 电路的基本概念和基本定理
一.基尔霍夫电流定律(KCL)
对于电路中任意的一个节点,由于电荷是不会产生、 消灭和积累的,所以任意时刻流进节点的电荷一定等于流 出节点的电荷,也即:
流进节点的电流之和一定等于流出节点的电流之和。
电工技术--第一章电路的基本概念与基本定律
第一章电路的基本概念与基本定律知识要点一、内容提要直流电路的基本概念和基本定理是分析和计算电路的基础和基本方法。
这些基础和方法虽然在直流电路中提出,但原则上也适用于正弦交流电路及其它各种线性电路。
并且,这些方法也是以后分析电子线路的基础。
本章重点讲述电路中几个基本物理量、参考方向、电路的工作状态及基本定律。
二、基本要求1.了解电路模型及理想电路元件的意义;2.能正确应用电路的基本定侓;3.正确理解电压、电流正方向的意义;4.了解电路的有载工作、开路与短路状态,并能理解电功率和额定值的意义;5.熟练掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点电位的方法。
三、学习指导本章重点讲述了三个问题:电压、电流和参考方向。
同时,对克希荷夫定律和电路中电位的概念及计算进行了详细的分析推导和计算。
虽然这些问题都比较简单,但由于它们贯穿电工学课程始终,所以读者应通过较多的例题和习题逐步建立并加深这些概念,使之达到概念清晰,运用自如灵活,能解决实际问题的目的。
1.1 电路的组成及作用在学习本课程中,首先应掌握电路的两大作用(即强电电路电的传输、分配和转换;弱电电路中是否准确地传递和处理信息),及其三大组成部分(即电源、中间环节、负载)。
要特别注意信号源与一般电源的概念与区别:信号源输出的电压与电流的变化规律取决于所加的信息;电源输出的功率和电流决定于负载的大小。
1.2 电路模型由理想电路元件组成的电路;其中理想电路元件包括电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。
电源的电压或电流称为激励;激励在各部分产生的电压和电流称为响应。
1.3 电路的几个基本物理量若要正确地分析电路,必须先弄清楚电路中的几个基本物理量。
因为电流、电压和电动势这些物理量已在物理课中讲过,但是本章主要讨论它们的参考方向(正方向)和参考极性。
在本章学习的过程中应注意两点:第一,在分析任何一个电路中列关系式时,必须首先在电路图上标明电压、电动势和电流的参考方向和参考极性;第二,考虑电压和电流本身给定的正负,即要注意两套正负符号。
第一章 电路的基本概念和基本定律
不能充分利用设备的能力
降低设备的使用寿命甚至损坏设备
2、电源开路
A
C
I
E
U0
R
R0
B
D
特征
I=0 U=U0=E P=0
3、电源短路
IS
R1
E
U
R2
R0
特 U=0
I=IS=E/ R0
征 P = 0 PE = P = R0IS2
电流过大,将烧毁电源
R0
R1
I
E
U R2
有 I 视电路而定
源
电
路
U=0
短接
P<0,L把磁场能转换为电能,放出功率。
储存的磁场能
WL=
1 2
Li 2
L为储能元件
3、电容元件 i
uC
库仑(C)
q C= u
q 法拉(F)
(伏)V
q
若C为大于零的常数,
则称为线性电容。
电容器的电容与极板的尺寸 及其间介质的介电常数有关。C
=
S d
S —极板面积(m2) d —板间距离 (m) —介电常数(F/m)
2) 传递与处理信号
发电机
升压 输电线 降压
变压器
变压器
电灯 电动机
话筒
扬声器 放
大
器
1 电源
2 中间环节
3 负载 信号源
负载
其它形式的能量电能
话筒把声音(信息)电信号
连接电源和负载,传输、分配电能 扬声器把电信号 声音(信
电能其它形式的能量
息)
电路的组成
发电机
升压 输电线 降压
变压器
变压器
一定值,而其两端电压U 是任意的, 由负载电阻和 IS确定,这样的电源称为 理想电流源或恒流源。
第一章 电路的基本概念和基本定律
第一章电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基尔霍夫定律是电工技术和电子技术的基础。
§1-1 电路中的物理现象和电路模型一、实际电路电路:由电气器件或设备,按一定方式连接起来,完成能量的传输、转换或信息的处理、传递。
组成:电源、负载和中间环节。
日光灯实际电路二、理想电路元件、电路模型实际电路的分析方法:用仪器仪表对实际电路进行测量,把实际电路抽象为电路模型,用电路理论进行分析、计算。
1、理想电路元件实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或旗舰所组成,如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等,它们的电磁性质是很复杂的。
例如:一个白炽灯在有电流通过时,如下图所示:为了便于分析与计算实际电路,在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质,把它看成理想电路元件。
2、电路模型将实际电路中的元件用理想电路元件表示、连接,称为实际电路的电路模型。
如下图所示:U S三、电路的分类1、分布参数电路电路本身的几何尺寸相对于工作波长不可忽略的电路。
2、集中参数电路如果电路本身的几何尺寸l相对于电路的工作频率所对应的波长λ小的多,则在分析电路时可以忽略元件和电路本身几何尺寸。
例如:工作频率为50Hz,波长λ=6000km,所以在工频情况下,多数电路满足l<<λ,可以认为是集中参数电路。
集中参数电路分为:线性电路(元件参数为常数)★非线性电路(元件参数不为常数)§1-2电路中的基本物理量一、电流及电流的参考方向1、电流:带电粒子或电荷在电场力作用下的定向运动形成的电流。
dtdqi =(单位时间内通过某一截面的电荷量) 电流的单位:A (安培)、kA (千安)、mA(毫安)、μA (微安)A 10A 1 , A 10mA 1 , A 10kA 1-633===-μ2、电流的参考方向电流的实际方向:正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向(客观存在) 电流的参考方向:任意假定。
实际方向(2A )(参考方向与实际方向相同)A)2( 0=>i i 实际方向(2A )(参考方向与实际方向相反)A)2( 0-=<i i二、电压、电位及电压的参考方向1、电位(物理中的电势)电场力把单位正电荷从一点移到参考点所做的功。
电工电子第1章
2
3
t/ms
1.2.4 电压源
1、理想电压源 、
e + – + E –
图形符号
i + E – + u – 外 电 路 E i u
O
理想电压源的伏安特性
+
+ R0 U
2、实际电压源模型 、
R0 u e – 或
+ E –
–
I RO
U E IR0 U I O
+
U
+ –
RL
E
–
U = E − IRo
伏安特性
b
E2
c
Va = − E1 = −5V, Vb = 0V, Vc = E 2 = 8V U ab = Va − Vb = (−5 − 0)V = −5V U bc = Vb − Vc = (0 − 8)V = −8V
电位计算补充例题
结论:从上述计算结果可以看到, 结论:从上述计算结果可以看到,电位与参考点的 选取有关,参考点不同,各点电位不同; 选取有关,参考点不同,各点电位不同;而电压与 参考点的选取无关,参考点不同, 参考点的选取无关,参考点不同,两点之间的电压 不变,但电压的参考方向不同,则符号不同。 不变,但电压的参考方向不同,则符号不同。
15
u(t ) / V
1 0.5 1.5 2 2.5 3 t/ms
(b)
u(t )
–
R
C
1 0 –15 0.5 1.5
2 2.5
3 t/ms
(a)
i C (t ) / m A
u (t ) iR (t ) = R
du ( t ) iC ( t ) = C dt
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
1.1 电路的基本概念 1.2 电路的工作状态及最大功率传输 1.3 电路的基本元件 1.4 基尔霍夫定律及其应用 习题
第1章 电路的基本概念和基本定律
1.1 电路的基本概念
1.1.1 电路的组成与模型 1. 电路是电流的通路,它是根据不同需要由某些电工设备
或元件按一定方式组合而成的。电路通常由电源或信号源、 中间环节和负载组成。
第1章 电路的基本概念和基本定律
1.1.3 在分析电子电路时,常用电位这个概念。譬如二极管,
只有当它的阳极电位高于阴极电位时,管子才导通,否则截 止。分析三极管的工作状态时,也常要分析各个极的电位高
第1章 电路的基本概念和基本定律 两点间的电压表明了两点间电位的相对高低和相差多少, 但不表明各点的电位是多少。要计算电路中某点的电位,就 要先设立参考点。参考点的电位称为参考电位,通常设其为 零。其他各点电位与它比较,比它高的为正电位,比它低的 为负电位。电路中各点电位就是各点到参考点之间的电压, 故电位计算即电压计算。
第1章 电路的基本概念和基本定律
又如一台直流发电机,标有额定值10 kW,230 V,实际 使用时一般不允许所接负载功率超过10 kW,实际供出的功 率值可能低于10 kW。
在一定电压和额定功率范围内,电源输出的功率和电流 决定于负载的大小,就是负载需要多少电源就供多少,电源 通常不一定工作在额定工作状态。对电动机也是这样,它的 实际功率和电流决定于其轴上所带机械负载的大小,通常也 不一定处于满载状态,但一般不应超过额定值。电源设备工 作于额定状态时称满载运行。
第1章 电路的基本概念和基本定律 电能或电信号的发生器(信号源)即为电源。如图 1.1.1(a) 所示的电力系统,发电机是电源,是供应电能的,它可以将 热能、水能或核能转换为电能。电池也是常用的电源,可将 化学能或光能转化为电能。电压和电流是在电源的作用下产 生的,因此,电源又称为激励源,也称输入。
第1章 电路的基本概念和基本定律 图 1.1.3 电流的参考方向
第1章 电路的基本概念和基本定律 电流的参考方向可以用箭标表示,如图1.1.3所示。还可 用双下标表示,如图1.1.3(a)中,电流按所选电流参考方向可 写做iab,表示电流参考方向由a指向b; 在图1.1.3(b)中,按所 选电流参考方向可写做iba。对同一段电路, iab=-iba,iba= - iab。在国际单位制中,电流的基本单位是安[培](A),计量 微小电流时,也用毫安(mA)或微安(μA)作单位, 其换算关系 为1 mA=10-3A,1 μA=10-6A。
第1章 电路的基本概念和基本定律 3. 电路模型 电路理论讨论的电路不是实际电路,而是它们的电路模 型。为了便于对实际电路进行分析和用数学方法进行描述, 将实际电路元件理想化(或称模型化),用理想电路元件 (电阻、 电感、电容等)及其组合模拟替代实际电路中的器件,则这些 由理想电路元件组成的电路即为实际电路的电路模型。在电 路模型中,各理想元件的端子是用“理想导线”(其电阻为零) 连接起来的。
Va=R3I3-E2-I1R1+E1 =-E2+E1=(-4+6) V=+2 V
第1章 电路的基本概念和基本定律 图 1.1.8 例1.1.2的电路
第1章 电路的基本概念和基本定律 练习与思考
1.1.1 如图1.1.9所示电路,① 零电位参考点在哪里?画 电路表示出来。 ② 当电阻RP的触点向下滑动时,a、b两点 的电位增高还是降低了?
下a点的电位Va。
解 在S
I1
I2
E1 R1 R2
6 42
A 1 A, I3
0
Va=R3I3-E2+I2R2=(0-4+2×1) V=-2 V 或
Va=R3I3-E2-I1R1+E1 =(0-4-4×1+6)V=-2 V
第1章 电路的基本概念和基本定律 在S断开时,电路不形成回路,I3=I1=0
第1章 电路的基本概念和基本定律 2. 电压和电动势 电压是两点间的电势差(电位差),a、b两点之间的电压 可表示为uab=Va-Vb。a、b两点的电位分别用Va、Vb表示。 电压体现电场力推动单位正电荷做功的能力。电压uab在数值 上等于电场力推动单位正电荷从a点移动到b点所做的功。为 方便分析与计算,习惯上规定电压的实际方向为由高电位端 (正极性端)指向低电位端(负极性端),即电位降低的方向。
第1章 电路的基本概念和基本定律 图 1.1.2 实际电路与电路模型示例
第1章 电路的基本概念和基本定律 1.1.2 电流、电压及其参考方向
电路中的物理量主要有电流i(I)、电压u(U)、电动势e(E)、 功率p(P)、电能量w(W)、电荷q(Q)、磁通Φ和磁链Ψ。在分析 电路时,要用电压或电流的正方向导出电路方程,但电流或 电压的实际方向可能是未知的,也可能是随时间变动的, 故需要指定其参考方向。
第1章 电路的基本概念和基本定律 图 1.1.1 电路示意图
第1章 电路的基本概念和基本定律 用电设备称为负载。例如,电灯、电炉、电动机和电 磁铁等能够取用电能,是负载,它们分别将电能转换成光能、 热能、机械能和磁场能等。由激励而在电路(包括负载)各处 产生的电流和电压称为响应,也称为输出。
第1章 电路的基本概念和基本定律 2. 电路的构成形式多种多样,其作用可归纳为两大类: (1)电能的传输和转换,如图1.1.1(a)所示的电力系统。 (2)信号的传递和处理,如图1.1.1(b)所示的扩音器电路。
第1章 电路的基本概念和基本定律
1. 电流 电流是电荷有规则地定向运动而形成的。在数值上,电 流等于单位时间内通过导体横截面的电荷量,即
i Δq Δt
(i dq ) dt
第1章 电路的基本概念和基本定律 若电流不随时间而变化,则称为直流电流,常用大写字 母I表示。习惯上规定正电荷运动的方向为电流的实际方向, 它是客观存在的。但电流的实际方向往往是未知的或变动的, 故在分析和计算电路时,先任意选定(假定)某一方向为电流 的正方向,这一方向即为电流的参考方向,从而电流就可看 成代数量。当电流的参考方向与其实际方向相同时,电流为 正值,即i>0; 反之电流为负值,即i<0,如图1.1.3所示。
1.2.1 额定值与实际值 各种电器设备的电压、电流及功率等,都有一个额定值。
例如: 一盏白炽灯标有电压220 V,功率60 W,这就是它的额 定值。 额定电流、额定电压和额定功率分别用IN、UN和PN 表示。
第1章 电路的基本概念和基本定律 额定值是在全面考虑使用的经济性、可靠性、安全性及 寿命,特别是工作温度容许值等因素,使产品能在给定的工 作条件下正常运行而对产品规定的正常容许值,使用时应遵 循而不允许偏离过多。大多数电气设备,如电机、变压器等, 其寿命与绝缘材料的耐热性能及绝缘强度有关。 当电流超 过额定值过多时,绝缘材料将因发热过甚而遭损坏; 当所加 电压超过额定值过多时,绝缘材料可能被击穿。反之,若所 加电压和电流远低于其额定值,则不仅设备不能正常合理地 工作,而且也不能充分发挥设备的能力。
第1章 电路的基本概念和基本定律
在图1.1.5(c)中,选a为参考点,则Va=0,同时可得: Vb=Uba=(-4×20) V=-80 V Vc=Uca=-100 V
由以上结果可以看出: 电路中各点的电位随参考点选择 的不同而改变,其高低是相对的; 而任意两点间的电压是不 变的,与参考点无关,是绝对的。 图1.1.5(c)请读者自行分析。
则
Uab
Va
Vb
VA R1
VC R2
R2
6 (9) 5 10
5
5V
Vb Va-Uab (6 5) V 1V
第1章 电路的基本概念和基本定律 图 1.1.7 例1.1.1的电路
第1章 电路的基本概念和基本定律
【例1.1.2】 在图1.1.8所示电路中,已知: E1=6 V,
E2=4 V,R1=4 Ω, R2=R3=2 Ω。求开关S闭合和断开两种情况
第1章 电路的基本概念和基本定律
例如,线圈额定电压为380 V的电磁铁,若接上220 V的 电压,则电磁铁将不能正常吸引衔铁或工件。又如,电灯和 电阻器,其寿命与导体熔点关系很大,当电压过高或电流过 大时,其灯丝或电阻丝将被烧毁。
使用时,因电源或负载的因素,电压、电流和功率的实 际值不一定等于它们的额定值。例如,额定值为220 V、40 W的电灯接在额定电压220 V的电源上,但当电源电压因经 常波动稍低于或稍高于220 V时,加在电灯上的电压就不是 220 V,实际功率也不是40 W了。
第1章 电路的基本概念和基本定律 用理想电路元件及其组合模拟替代实际器件即为建模。 电路模型要把给定工作条件下的主要物理现象及功能反映出 来。例如白炽灯,当其通有电流时,除主要具有消耗电能的 性质(电阻性)外,还产生磁场,即也具有电感性,但电感 微小到可忽略不计,因此白炽灯的模型可以是一电阻元件。 又如一个线圈,在直流情况下的模型可以是一电阻元件,在 低频情况下其模型要用电阻和电感的串联组合代替。可见, 在不同的条件下,同一实际器件可能要用不同的电路模型来 表示。
第1章 电路的基本概念和基本定律
模型选取得恰当,电路的分析与计算结果就与实际情况 接近,反之误差会很大,甚至出现矛盾的结果。本书不讨论 建模问题。今后本书所说的电路一般均指实际电路的电路模 型,电路元件也是理想电路元件的简称。
一个简单的手电筒电路的实际电路元件有干电池、电珠、 开关和筒体,电路模型如图1.1.2所示。干电池是电源元件, 用电动势E和内电阻(简称内阻)R0的串联来表示; 电珠是电阻 元件,用参数R表示; 筒体和开关是中间环节,用来连接干电 池与电珠,开关闭合时其电阻忽略不计,认为是一无电阻的 理想导体。
图1.1.5(b)和(c)还可简化为图1.1.6(a)和(b),在电源的另 一端标以电位值,使电路图得以简化。