电工精品课件：第一章电路的基本概念和基本定律.ppt

1、第一节 电路和电路模型 第二节 电路的基本物理量及其参考方向 第三节 无源理想元件 第四节 电源 第五节 基尔霍夫定律 第六节 电路的工作状态及电气设备的 额定值 第七节 电路中的电位及其计算,第一章 电路的基本概念和基本定律,目录,习 题,第一节 电路和电路模型,电 路 电路模型,返回,什么是电路呢？例如电子诱饵,R水,A,B,3V,返回,一、电 路,电路是由某些电气元件按一定方 式连接起来的总体，它提供了电 流流通的路径。,电路主要由电源、负载和中间环 节三部分组成。,1.定义:,2.组成:,返回,例如：手电筒电路,电源,中间环节,负载,* 一般不希望中间环节产生能量或 信号的转换,返回,

2、返回,2. 常见的理想电路元件,返回,3. 手电筒的电路模型,电源,中间环节,负载,电路模型只反映实际电路的作用及其相互的连接方式，不反映实际电路的内部结构、几何形状及相互位置。,返回,S,第二节 电路的基本物理量及其参考方向,电流及其参考方向 电压及其参考方向 关联参考方向 电能和电功率,返回,一、电流及其参考方向,1. 定义：,在电场的作用下，电荷有规则的定向移动形成电流，我们把单位时间内通过导体横截面积的电荷量定义为电流强度。,i = dq/dt,大小和方向都随时间改变的叫交流 用i 表示， 大小和方向都不随时间改变的叫直流 用I 表示。,返回,2. 单位：,1安培（A）=1000毫安(

3、mA) 1毫安(mA)=1000微安(A),4. 参考方向 ：在分析和计算电路时往往任意选 定某一方向作为电流的正方向，也称参考方 向。,返回,二、电压及其参考方向,* 参考方向与实际方向的关系 在规定的参考方向下，若计算结果： I 0 参考方向与实际方向一致， I 0 参考方向与实际方向相反。,2. 单位 : 1千伏(kV)=1000伏(V),返回,1伏(V)1000毫伏(mV) 1毫伏(mV)1000微伏(V),4.参考方向 ：任意选定某一方向作为电压的正 方向，也称参考方向。,返回,* 参考方向与实际方向的关系 在规定的参考方向下，若计算结果： U 0 参考方向与实际方向一致， U 0

4、参考方向与实际方向相反。,返回,a,b,a,b,I,I,U,U,关联,非关联,E,U,I,非关联,返回,2.电功率,1） 定义: 单位时间内电能所作的功称为电功率, 简称功率。 p = u i,四、电能和电功率,1.电能,返回,当某元件的电压电流关联参考方向时 有 p = u i 当某元件的电压电流非关联参考方向时 有 p = u i,2）正电荷从电路元件的电压“+”极移到电压“” 极，是电场力对电荷作功，元件吸收能量。 正电荷从电路元件的电压“”极移到电压“+” 极,外场力对电荷作功，元件释放能量。 电路中，能量满足守恒定律,电源产生的能量等于负载消耗的能量。 有 P电源= P负载,返回,*

5、 若求出的P 0，说明元件在吸收功率，一定是负载； 求出的P 0，说明元件在发出功率，一定是电源。,例1、在图示电路中, Uab = 5V ，I2A， 求: (1) 各个元件的功率; (2) 这段电路上的总功率。,返回,a,1,4, +,10V,I,R1,R2,E1,E2,b,E1的电流与电压参考方向相关联 E2的电流与电压参考方向相关联 E1、E2起电源作用 R1起负载作用、R2起电源作用 这段电路ab起负载作用,+ ,5V,Uab = 5V ，I2A，下列哪些答案是正确的？,返回,别难过， 再好好想想！,习题,题解,哈哈，对了！,不要骄傲， 继续努力！,习题,题解,解:,(吸收）,(吸收）

6、,(吸收）,(吸收）,（发出）,Uab = 5V ，I2A,a,1,4, +,10V,I,R1,R2,E1,E2,b,+ ,5V,返回,例2、,图中五个元件代表电源或负载。参考方向如图所示。已知：I1=4A、I2=6A、U1=140V、U2=90V、U3=60V、U4=80V、U5=30V。 （1）试标出各电流和电压的实际方向；（2）判断哪些元件是电源，哪些是负载；（3）计算各元件功率。,U,I,电流、电压同相 负载 电流、电压反相 电源,元件1、2 电源 元件3、4、5 负载,P1=140V4A560W P290V6A540W P480V4A320W P530V6A180W P3(560 +

7、 540320180)W 600W,返回,例3、一个含有电压源和负载的闭合电路。电压源电压US24V，内阻RS0.5，负载电阻R7.5。求：,(1)电路中的电流; (2)负载端电压; (3)各元件的功率。,返回,解: (1)电路中的电流,(2)负载端电压,U=IR=3A7.5=22.5V,(3)各元件的功率,Ps= USI=24V3A=72W(电源产生的功率),P=UI=22.5V3A=67.5W(负载消耗的功率),P=I2US =320.5W=4.5W(电源内阻消耗的功率),返回,第三节 无源理想元件,电阻元件 电感元件 电容元件,返回,一、电阻元件,i,u,R,1.电压与电流关系 u =

8、i R 满足欧姆定律 R=u / i,若R为常数则称为线性电阻； 若R随u、i的变化而变化称为非 线性电阻。 只有线性电阻才满足欧姆定律。,2.功率,返回,* P总是大于0 即 P 0 电阻是耗能元件。 (一般电阻上电压与电流取关联参考方向。),返回,常用电阻,二、电感元件,1.电感,返回,=Li L=i L单位是亨利(H) L为常数则称为线性电感； L不是常数称为非线性电感。,返回,* 若i = I ，uL=0 电感对直流相当于短路,* 它是一种储能元件 不消耗能量。,返回,返回,常用电感,返回,2. 电压与电流关系,i =,dq,dt,=,C,duC,dt,若 uCUC 则 i0 * 电容

9、元件对直流相当于开路,返回,电容是一种储能元件，不消耗电能。,电路中能量转换过程 电阻 耗能元件 电 电感 源 储能元件 电容,返回,例1、一电容器C = 0.2F，从t = 0开始通入5A恒定电流，求t =10s时，电容器电压及其储能是多少?设电容器电压uC(0) = 0。,当t =10s时， uC(10)250V,返回,第四节 电 源,电压源 电流源 受控源,返回,一、电压源 1. 理想电压源(恒压源),US,I,U,返回,O,2. 实际电压源,US,U,R0,U = US I R0,I,当R0 R时，R00, U= US,返回,O,二、电流源 1. 理想电流源(恒流源),I,IS,U,返

10、回,O,2. 实际电流源,IS,I,U,R0,I= IS UR0,返回,O,例1、电路如图，求理想电压源和理想电流源的功率。,解: 该电路为串联电路 各元件的电流均为IS。,PUS = US IS=1W PR = IS2 R = 1W PIS = (PUS +PR) = 2W,此时电压源吸收功率(负载),返回,在电路中起电源作用，但其大小和方向受 电路中其它支路的电流或电压控制，这种电源 称为受控源。,VCVS,CCVS,VCCS,CCCS,u,ri1,i1,gu1,常见的受控电流源和电压源，如下图。,三、 受控源,返回,电流控制的电流源,ii,ri,ii,io,ro,电压控制的电压源,ri,

11、ro,ui,uo,ui,返回,第五节 基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律（KCL) 基尔霍夫电压定律 （KVL),返回,几个概念 支路: 电路中的每一分支叫做支路。一个支路通 过同一个电流。 节点: 由三条或三条以上的支路相连接的点叫 做节点。 回路:电路中的任一闭合路径叫做回路。,图中有6个节点,纯属失误,图中有4个节点,图中有6条支路,图中有8条支路,图中有3个回路,图中有7个回路,你犯了严重错误,不好意思又错了,聪明的脑瓜, OK！, 恭喜你!,一、基尔霍夫电流定律(KCL),返回,对于电路中的任 一节点，在任一瞬间 流入节点的电流之和 一定等于流出该节点 的电流之和。(第一 定律),如图：

12、 I1 I2 I3,对电路中的任一节点，在任一瞬间，该节点 上电流代数和等于零。 I 如图 I1 I2 I3 ,规定流入节点的电流取正,流出节点的电流取负。,Ii Io,返回,推广：适用于封闭面,IB,IC,IE,IB IC IE 满足晶体管电流分配关系,返回,例1、标出图中未知电流大小。,2A 8A,3A,3,4,6A,1A,5A,返回,二、基尔霍夫电压定律(KVL) 在任一瞬间，沿任一闭合回路绕行一周，各部分电压降的代数和等于零，即 U 与绕向一致的电压取正，反之取负。,返回,R1,R2,U1,U2,I1,I2,US1,US2,a,U1US1US2U2 = 0 I1 R1US1US2I2

13、R20,在电路中任意回路绕行方向上电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和 US IR,规定 与绕行方向一致的电压取正，反之取负。,US1 US2 I1 R1 I2 R2,返回,推广: 适用于开口电路 U开=U,说明：上述两定律适用于任何变化的电压和电流。,例1、已知E1=7V，E2=16V，E3=14V，R1=16 R2=3，R3=9。求：S打开时，Uab=？ S闭合时，I3=？,1、S打开，I3=0 UR3=0,E1+Uab+E3E2= 0 Uab=(714+16)V=9V,2、S闭合，Uab=0 E1+E3E2 + I3R3= 0 I3=(E1E3 + E2) R3 =99A=1A,返回,

14、例2、求图中的U2。,I1,U1 10V,U2,R2 2,E2,E1,R1,R3 5,4,4V,2V,I1=(104)/(R1+R2)=1A,U2=E2+ I1 R1 +E1=6V,I3 = 0（开路） I2 = 0,I2,I3,U1=I1(R1+R2)+E1,返回,例3、电路如图，试用基尔霍夫定律求Ix和Ux。,解:根据基尔霍夫定律,对节点a:I1+1A4A=0,I1=3A,对节点b:2AI1I2=0,I2=1A,根据基尔霍夫电压定律,设绕行方向为顺时针，则,5I2Ux 10=0,Ux =15V,4A,10V,2A,1A,3A,5,I1,Ux,Ix,a,b,c,d,I3,对节点c: I2+I

15、33A=0 I3=4A,对节点d: 1AI3Ix0 Ix5A,返回,第六节 电路的工作状态及电气设备的额定值,有载工作状态 开路 短路,返回,一、有载工作状态,R,R0,U,US,S,I,图中S闭合 I=US/(R0 +R) U=I R U = US I R0 PS=PR0+PR,1. 特 征,返回,电气设备在额定状态下工作是最佳状态， 称为满载。在额定电压下，电气设备通过的 电流高于额定电流称为过载，低于额定电流 称为轻载。,2.电气设备的额定值 为了安全可靠地工作，各种电气设备承 受的电压，允许通过的电流及消耗的功率都 有一个限额，这个限额称为电气设备的额定 值。 UN IN PN,返回,

16、二、开路 ( S断开 ) I = 0 U = 0 P = 0 U0 = US,R,R0,U,US,S,I,返回,例1、有一直流电源，额定功率PN4.4kW，额电压UN220V，内阻RS0.25，负载电阻为R，求: (1)电源的额定电流IN及电源电压US； (2)额定工作状态下的负载电阻R； (3)负载发生短路时的电流IS。,S,I,US,R0,R,+,U,返回,电源电压:USU+INRS220V+20A0.25 225V,(2)额定工作状态下的负载电阻:,返回,第七节 电路中的电位及其计算,电 位 电源的习惯画法,返回,一、电 位 电路中某点的电位等于该点到参考点之间的电压，参考点就是零电位点

17、。,Ve=0 I=9/9A=1A Va=5V Vb=5V2V=3V Vc=5V6V= 1V Vd=4V Uab=2V,返回,e,5V,4V,a,b,c,d,3,2,4,若参考点选在d点，则： Va = 9V Vb = 7V Vc = 3V Vd = 0V Ve = 4V Uab = 2V,电路中某点的电位与参考点的选择有关，而任意两点之间的电压与参考点的选择无关。,返回,二、电路中电源的习惯画法 与参考点相联的一端不画，另外一端标出极性，写出电位值，如下图所示。,返回,e,5V,4V,a,b,c,d,3,2,4,返回,5k,+12V,5k,S,10k,B,A,例1、求S闭合和断开时A B点的电

18、位。,S打开时 VA=VB=12V S闭合时 VA=VB=(12/15)5V=4V,解：,返回,例2、求图中S闭合和打开两种情况下a点的电位。,a,12V,+ 12V,S,4k,26k,2k,S打开: I=(12+12)/32mA=0.75mA Va=(I26+12)V=7.5V S闭合: I=12/30mA=0.4mA Va=4kI=1.6V,解：,返回,例3、电路如图，已知:US1=8V，US2=16V，R1=2，R2=4，R3=6，求电路中a、b和c点的电位。,解:US1和R1支路中无电流; US2、R2和R3组成闭合 回路，在图示的电流电压 参考方向下,b,a,c,R3,R2,R1,US1,US2,+ , +,返回,C点为参考点，Vc=0,VbUbcUS2IR216V1.64V9.6V,或VbUbcIR31.66V9.6V,因为UabUS1+0R18V,所以VaUab+Vb8V+9.6V17.6V,返回,