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1、,电工学,郭四海E-mail:联系电话：18971306352,秦曾煌 主编电工学上下册，刘明 主编新编电工学(电工技术)题解Principles and ApplicationsOf ElectricalEngineering Giorgio,Rizzoni.,参考书目,上篇 电工技术,电路理论 直流电路 交流电路 暂态电路磁路理论 磁路 变压器 电磁铁电机原理与控制 异步电动机的原理、特性、使用及控制安全用电及工业测量,第1章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路的作用与组成部分,1.2 电路模型,1.3 电压和电流的参考方向,1.4 欧姆定律,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.6
2、基尔霍夫定律,1.7 电路中电位的概念及计算,本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；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1章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路的作用与组成部分,(1)实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,1.电路的作用,电路是电流的通路，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。,2.电路的组成部分,电源:提供电能的装置,负载:取用电能的装置,中间环节：传递、分配和控制电能的作用,直流电源:提供能源,信号处理：放大、调谐、检波等,负载,信号
3、源:提供信息,2.电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,3.电路的结构,电路=电源+中间环节+负载电力系统：(发电机)+(变压器、输电线)+(电炉、电动机)扩音机：(话筒)+(放大器)+(扬声器)结构模型：激励响应,即寻找xo=f(xi)的关系,1.2 电路模型,实际电路都是根据人们的需要将实际的电路元件或器件搭接起来，以完成人们的预想要求。如发电机、变压器、电动机、电阻器及电容器等但是，实际元器件的电磁特性十分复杂。为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器
4、件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。由理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。,1.2 电路模型,手电筒的实际电路,例：手电筒,手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；,灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；,筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,1.3 电压和电流的参考方向,电流概念
5、:电荷有规则的定向运动大小:单位时间通过导体横截面 的电荷量方向:正电荷移动的方向单位:安培(A)毫安(mA)微安(A),i=dq/dt I=q/t(直流),电流的正方向,习惯上规定正电荷的运动方向(或负电荷运动的相反方向)为电流的正方向。电流的正方是客观存在！,在分析问题前，有时无法预知电流的实际方向；而交流电路的电流方向又时刻发生变化，也无法指定其电流方向。,在分析电路时，一般先选定某一方向作为电流的正方向称为参考方向,当所选电流正方向与实际电流正方向一致时，所得电流的数值为正，反之为负。,(2)参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1)参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。
6、,电路基本物理量的参考方向,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,实际方向与参考方向的关系,注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。,若 I=5A，则电流从 a 流向 b；,例：,若 I=5A，则电流从 b 流向 a。,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。,电压,概念：电荷在导体中作定向运动时，一定要受到力的作用。如果这个力源是电场，则电荷运动就要消耗电场能量，或者说电场力对电荷作了功。为衡量电场力对电荷作功的能力，引入一新的物理量电压大小：a、b两点间电压
7、Uab 在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所作的功。也就是单位正电荷在移动过程中所失去的电能。,电压,方向：正电荷在电场的作用下，从高电位向低电位移动。规定这时正电荷的的移动方向为电压的正方向。在分析电路之前，可以任意选择某一方向为电压的参考方向。当实际电压方向与参考方向一致时，电压值为正，反之为负。单位：伏特(V)千伏(kV)毫伏(mV),如图为关联方向定义的电压和电流,电压,关联方向 当a、b两点间所选择的电压参考方向由a指向b时，也选择电流的参考方向经电路由由a指向b，这种参考方向的定义方式成为关联方向。,电动势,正电荷从高电位a向低电位b移动，a端的正电荷逐渐减少会使其电位逐
8、渐降低。为维持导体中的电流能够连续不断地流过，且应使得导体a、b两端的电压不致丧失，就要将b端的正电荷移至a端。但电场力的作用方向恰好与此相反，因此就必须要有另一种力去克服电场力而使b端的正电荷移至a端。电源中必须具有这种力电源力(非静电力)。,大小：电源电动势Eab的数值等于电源力把单位正电荷从电源的低电位b端经电源内部移到电源高电位b端所作的功，也就是单位正电荷从电源低电位端移到高电位端多获得得能量。方向：电动势的实际方向是由电源低电位端指向电源高电位端。在分析问题时可设参考方向。单位：电动势与电压的单位相同。为伏特(V)标量性：电动势与电压和电流都是标量。,电动势,例题,U=2.8V,I
9、=0.28A,如图所示,E=3V,电动势为E=3V方向由负极指向正极,电压为U=2.8V 由指向电流为I=0.28A 由流向其参考方向为关联方向。,电动势,1.4 欧姆定律,U、I 参考方向相同时，,U、I 参考方向相反时，,表达式中有两套正负号：式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；,U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。,通常取 U、I 参考方向相同。,U=I R,U=IR,解：对图(a)有,U=IR,例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有,U=IR,应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。,例,对于(a)图,对于(b)图,对于(c)
10、图,对于(d)图,例,计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V,解：a点电位比b点电位低12V n点电位比b点电位低7V m点电位比b点电位高3V于是：n点电位比m 点电位低7+3=10V即Unm=-10V,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,1.5 电源有载工作、开路与短路,最简单的电路为直流电路，本节讨论电路的工作状态、开路状态和短路状态，所讨论的内容有电流、电压及功率等方面的特性。,本节讨论问题的理论依据是欧姆定律,如图电路：,E 为电源的电动势,U 为电源
11、的端电压,R0 为电源的内阻,R 为电路负载电阻,1.5 电源有载工作、开路与短路,开关闭合,接通电源 与负载,负载端电压,U=IR,特征:,1.5.1 电源有载工作,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，R0 U。,或 U=E IR0,当 R0R 时，则U E，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U=IR,特征:,1.5.1 电源有载工作,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，R0 U。,或 U=E IRo,UI=EI IRo,P=PE P,负载取用功率,电源产生功率,内阻消耗功率,电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念:
12、负载增加指负载取用的电流和功率增加(电压一定)。,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）。,例题,R01,E1,U,I,已知:电路中，U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。求:(1)电源的电动势E1和负载的反电动势E2；(2)说明功率的平衡关系。,R02,E2,R01,E1,U,I
13、,解：(1)对于电源 U=E1-U1=E1-IR01 即 E1=U+IR01=220+50.6=223V U=E2+U2=E2+IR02 即 E2=U-IR01=220-50.6=217V,R02,E2,例题,(2)由上面可得，E1=E2+IR01+IR02等号两边同时乘以 I，则得 E1 I=E2 I+I2R01+I2R02代入数据有 223 5=217 5+52 0.6+5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,其中E1I是电源产生的功率；E2I是负载取用的功率；I2R01是电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源(负载)内阻上损耗的功率。可见电路具有功率平衡特性。
14、,例题,电气设备的额定值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)：I IN，P PN(不经济),过载(超载)：I IN，P PN(设备易损坏),额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠),【思考与练习】,额定值为1W、100的碳膜电阻，在使用时电流和电压不得超过多大值？,答：由功率P与电阻R的关系公式P=I2 R 或 P=U2/R,有一台直流发电机，其名牌上标有40kW、230V、174A。试问：什么是发电机的空载运行、轻载运行、满载运行和过载运行？负载的大小，一般指什么而言？,答：空载运行 指发电机对外开路，无功率输出；轻载运行 指发电机所带
15、负载取用功率小于或远小于额定功率的40kW，或输出电流小于或远小于174A；满载运行 发电机所带负载取用功率基本与发电机额定功率(40kW)相当；过载运行 负载从发电机取用的功率大于发电机的额定功率，这种情况对发电机的运行有较大危害。,负载的大小 一般指负载从电源取用功率的大小。显然，此时R愈小负载愈大，反之亦然。,【思考与练习】,特征:,开关 断开,1.5.2 电源开路,I=0,电源端电压(开路电压),负载功率,U=U0=E,P=0,1.开路处的电流等于零；I=02.开路处的电压 U 视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征:,电源外部端子被短接,1.5.3 电源短路,1.短路处的电压等于零
16、；U=02.短路处的电流 I 视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,1.6 基尔霍夫定律,根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的，,基尔霍夫定律分为两个部分，即：1.基尔霍夫电流定律(KCL)应用于节点2.基尔霍夫电压定律(KVL)应用于回路,为此本节讨论基尔霍夫定律，它亦是分析与计算电路的基本方法。,1.6 基尔霍夫定律,支路：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。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,名词、概念,1.支路：电路中的每一个分支，称为支路。它是由若干个二端
17、元件串联而成。,2.节点：电路中三条或三条以上的支路相联结的点称为节点。,a,b,c,d,一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为支路电流。,如图中的ab、,acb,及adb共3条支路。,如图中的I1、,I2,及I3共3个电流。,图中共有a、,b两个节点。,回路：是由一条或多条支路所组成的闭合电路。,网孔：网孔是回路，但认定的网孔一定要比其他网孔包含有新的支路。,如图电路:adbca、abca 和 abda 共三个回路。,a,b,c,d,如图电路:当认定adbca和abca 是网孔时，abda 就不能认为是网孔，它所包含的支路都已被前两个网孔所包含。,名词、概念(2),a,c,d,当然，当认
18、定adba和abca 是网孔时，acbda 就不是网孔，因其支路都已被前两个网孔所包含。,同样，当认定acbda 和 adba 是网孔时，abca 就不再认定是网孔，其支路也已被前两个网孔所包含。,因此，不能认为所有的回路都是网孔。,b,名词、概念(3),例1：,支路：ab、bc、ca、（共6条）,回路：abda、abca、adbca（共7 个）,结点：a、b、c、d(共4个）,网孔：abd、abc、bcd（共3 个）,1.6.1 基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律,即:入=出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,实质:电流连续性的体现。,或:=0,对结点 a：,I1+I
19、2=I3,或 I1+I2I3=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。,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。,2推广,I=?,例:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,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。,1.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即：U=0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1=I1 R1+I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1+I3 R3 E1=0,或 I2 R2+I3 R3
20、E2=0,基尔霍夫电压定律（KVL）反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,如电路中dabd回路，沿逆时针绕行方向da段电阻上为电压降 Uda=I2R2 ab段电阻上亦为电压降 Uab=I3R3 而bd段电源部分为电压升，即 Ubd=E2由KVL可得：E2=I2R2+I3R3,a,c,d,b,c,R1,R2,R3,E2,a,c,d,b,c,R1,R2,R3,E2,E1,ac段(+I1 R1),cb段(-E1),bd段(+E2),da段(-I2 R2),表达式为:Va=Va+I1R1-E1+E2-I2R2,即(E Ii Ri),应用上式的方法之一为数电压法：从回路中任一点 a 数起，沿
21、回路绕行一周再数回到a点，电位值不变(如adbca回路).还可以叙述为：沿任一回路绕行一周，回路各段的电压降代数和恒为零。,公式为:末点电位=起点电位+数电压一周(上升+,下降-),应用基尔霍夫定律时，要认清研究对象，对电路中的各个电流和各段电压及各电源的电动势选好参考方向。,对于KCL的应用，要选好节点，对与该节点有关的电流列出方程有方向和数值两套符号。,I3,I1,对于节点A，设流入为正，流出为负，则(I1)(-I2)(I3)(-I4)=0,即：I1I2I3I4=0,注意：,应用基尔霍夫定律时，要认清研究对象，对电路中的各个电流和各段电压及各电源的电动势选好参考方向。,对于KVL的应用，要
22、选好回路，从回路的任一点起沿回路绕行一周列出电压方程同样有方向和数值两套符号。,设如图回路，选顺时针为绕行方向，电压上升为正，电压下降负，则-(U1)(U2)+(-U3)-(-I4 R4)=0,U1,U2,注意：,1列方程前标注回路循行方向；,电位升=电位降 E2=UBE+I2R2,U=0 I2R2 E2+UBE=0,2应用 U=0列方程时，项前符号的确定：如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,例：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3+I1 R1=0,I2 R2 I4 R4 I6 R6=0,I4
23、R4+I3 R3 E=0,对回路 adbca，沿逆时针方向循行：,I1 R1+I3 R3+I4 R4 I2 R2=0,应用 U=0列方程,对回路 cadc，沿逆时针方向循行：,I2 R2 I1 R1+E=0,1.7 电路中电位的概念及计算,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。,1.电位的概念,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。,2.举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、
24、Vd。,解：设 a为参考点，即Va=0V,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80 VVd=Uda=65=30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va=Uab=106=60 VVc=Ucb=E1=140 VVd=Udb=E2=90 V,b,a,Uab=106=60 VUcb=E1=140 VUdb=E2=90 V,Uab=106=60 VUcb=E1=140 VUdb=E2=90 V,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
25、路作图,例1:图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA,解:(1)当开关S断开时,(2)当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2=0，电位 VA=0V。,电流 I1=I2=0，电位 VA=6V。,电流在闭合路径中流通,例2：,电路如下图所示，(1)零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。(2)当电位器RP的滑动触点向下滑动时，A、B两点的电位增高了还是降低了？,解：（1）电路如左图，零电位参考点为+12V电源的“”端与12V电源的“+”端的联接处。,当电位器RP的滑动触点向下滑动时，回路中的电流 I 减小，所以A电位增高、B点电位降低。,（2）VA=IR1+12 VB=IR2 12,
