电路基本概念.ppt

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1、电 工 学,Electrotechnics,上册 电工技术,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,电路理论:直流电路 交流电路 暂态电路,绪论,电工学是大学工科各非电专业必设的技术基础课,是研究电磁现象在工程中应用的技术科学。,电工学包括电工技术和电子技术。电工及电子技术已深入到生产、生活、国民经济的所有行业，电工和电子技术与其他技术的交叉融合，也产生了许多新兴学科。电子信息类产业已经成为增长最快的产业之一。,电能的应用及其与生产发展的关系,第一次工业革命由蒸汽机的发明而引发越来越广泛的机械化大大提高了工农业的生产效率,第二次工

2、业革命由电动机的发明而引发 越来越广泛的电气化进一步推动 人类文明的发展，极大地改变着 物质生活和精神生活的条件,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,电能的应用,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,测量与控制长度、速度、温度、时间、压力、流量、照度和色度等,交通与通讯汽车与火车、飞机、轮船广播、电视、电影及电话,农业医疗军事国防信息,第二次工业革命对社会生产力的发展起着变革性的推动作用电子技术的发展和广泛应用极大地促进了社会生产力的提高,电能的应用为人们提供了极大便利,便于转换电能水能电能

3、热能电能光能电能机械能电能化学能,电工技术 的 发展概况,1819世纪电磁理论与技术的快速发展 1785年库仑定律 1820年奥斯特及安培各自揭示的电磁作用 1826年发现的欧姆定律 1831年总结出的电磁感应定律 1834年制造了世界第一台电动机 1873年麦克斯韦完善了电磁理论,古代发现的电磁现象 古籍中记载“慈石招铁”、“琥珀拾芥”磁石首先应用于指示方向和校正时间，韩非子和论衡中的“司南”十一世纪发明了指南针,电子技术 的 发展概况,1888年赫兹进行了电磁波实验1892年马可尼和波波夫分别进行了无线电通讯实验1883年爱迪生发现电子的热效应及1904年佛莱明制成了电子二极管1906年德

4、福雷斯发明了电子三极管1948年美国贝尔实验室发明了晶体三极管1958年第一块集成电路问世,电子计算机 的 发展概况,1943年英国制造了第一台电子计算机1946年美国的ENIAC成为世界公认的电子计算机1974年微型计算机（微处理器）问世1980年起美国Intel公司推出通用型单片机以及个人计算机九十年代Internet广泛应用,课程 的 要求,电工学课程是必修课（学院规定为考试课）是大学工科各专业的技术基础课 电工理论是在实验基础上发展起来的一门学科。本课程具有理论与实践紧密结合的特点，是后续专业课程及以后从事工业技术的必要基础。,出勤：,作业,答疑：,课堂：,课程 的 学习方法,（1）课

5、堂学习,最快最有效的学习途径，,认真听课、主动学习,（2）习题,巩固和加深所学理论知识，培养分析和运算能力,（3）实验,验证和巩固所学理论，训练实验技能，培养严谨的科学作风,（4）各个学习环节,培养分析和解决问题的能力和创新精神,按要求参加实验 培养良好的实验素质注重实践技能的培养掌握常用实验仪器的功能及使用方法理论与实践相结合，互相促进，全面提高及时完成实验报告,第一部分 电路理论,电路理论就是研究电路基本规律的一门学科，它是一门具有丰富内容的学科，它的理论和方法，在其它领域也得到了广泛的应用。,已知输出输入的条件，求元件参数和电路结构。,电路理论：,电路分析：,电路综合：,已知电路结构、元

6、件参数，求电路中的电流、电压和功率。,下面我们看一个例题,求图示电路中的电流。,第一部分 电路理论,求图示电路中的电流。,第一部分 电路理论,US1,求图示电路中的电流。,第一部分 电路理论,？,第一章：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 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。,1.1

7、电路的作用与组成部分,电路:电路是电流的通道,1、实现电能的传输和转换,电路的作用:,1.1 电路的作用与组成部分,电路:电路是电流的通道,电路的作用:,2、传递和处理信号,即寻找xo=f(xi)的关系,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),结构模型：激励 响应,电路的结构:,扩音机（话筒）+（放大器）+(扬声器),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,信号源:提供信息,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

8、为响应。,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。为便于对电路的分析和数学描述，常将实际元器件理想化（即模型化）。,所谓电路模型就是指一个实际元件在特定的条件下，所表现的主要的电磁特性，而忽略其次要因素，如R、L、C等。这种表示的参数，我们称为集总参数。,实际电路,电路模型：,电路与电路模型,电路模型：,电路与电路模型,实际电路,即讨论响应与激励的关系,分析电路问题的核心点,任何电路，都是在电动势、电压或电流的作用下进行工作的，对于电路的分析和计算就是要讨

9、论电压、电动势和电流状态以及它们之间的关系。,电路的分类,线性,非线性,时变,时不变,集总参数,分布参数,动态,静态,电 流,概念:电荷有规则的定向运动,方向:正电荷移动的方向,1.3电压和电流的参考方向,大小:单位时间通过导体横截面的电荷量,单位：安培(A)毫安(mA)微安(A),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方向一致时，所得电流的数值为正，反之为负。,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)为电流的方向。

10、电流的方向是客观存在的！,概念：电荷在导体中定向运动时，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：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方向。,参考方向：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),电 压,如图为关联方

11、向定义的电压和电流,电压和电流,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a指向b，这种参考方向的定义方式称为关联方向。,E,电源力,为维持导体中的电流能够连续不断，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。,衡量电源力对电荷作功的能力的物理量电动势E,电动势,电源中必须具有这种力电源力(非静电力)。,大小：电动势E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a端所作的功，,方向：电动势的实际方向是由电源低电

12、位端指向电源高电位端。,标量性：电动势与电压和电流都是标量。,也就是单位正电荷从电源低电位端移到高电位端所获得的能量。,在分析问题时可设参考方向。,电动势,单位：电动势与电压的单位相同，为伏特(V),1.4 欧姆定律,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这就是欧姆定律。,U=RI，它是电阻元件的约束方程，也是我们分析电路的主要的理论依据。,使用时应注意：,1）U=RI为关联方向得出的；,2）U=-RI为非关联方向；,3）伏安特性曲线。线性电阻为一直线。,I（A）,U（V）,0,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U=IR,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，I

13、 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。,1.5电源有载工作、开路与短路,1、电压与电流,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U=IR,特征:,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，I 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:负载增加指负载取用的电流和功率增加(电压一定)。,2功率及功率平衡,3、电源与负载的判别方法,U,P=UI,关联方向,0电源（发出功率）,0负载(吸收功率),非关联方向,0电源（发出功率）,0

14、负载(吸收功率),例,试求电路中各元件的功率，并验证功率平衡。,解：,（5）当R=R0时，电源输出功率为最大（最大功率传输）。,几点注意事项：,（1）功率与电压的平方成比，即电压增大1倍，P增大4倍；,（2）P=UI为关联方向的关系式；。,（3）在关联方向下功率大于0为耗能，小于0为放能（电源与负载的判别）；,（4）对于独立电路来说P0；,4额定值与实际值,各种电气设备的电压、电流及功率都有一个额定值，额定值是标明设备在给定条件下能正常工作而规定的正常允许值。,UN额定电压,IN额定电流,PN额定功率,特征:,开关 断开,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

15、路中某处断开时的特征:,1.5.2电源开路（引伸为支路电流为零）,电源外部端子被短接,1.短路处的电压等于零；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:,1.5.3 电源短路,短路通常是一种严重事故，应该尽量预防。,1.6基尔霍夫定律,除了欧姆定律外，分析与计算电路的基本定律，还有基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL)。基尔霍夫电流定律应用于结点，基尔霍夫电压定律应用于回路。,5网络：指较多元件组成的电路。,1.6.1 名词解释,1支路：电路中的每一分支称为支路（流过同一电流）。流过支路的电流称为支路电流。,2结点：支路的交叉点称为结点。,3回路：一条或多条

16、支路所组成的闭合电路。,4网孔：不含支路的回路。,1定义：在任一时刻，任一结点上的所有支 路电流的代数和恒为零。即I=0；或 I入=I出,1.6.2 KCL（电流定律）,也可写成：I1+I2=I3（入）（出）,2注意正负号的取法（两套符号）,3推广到广义结点上使用，任一闭合面。,IC=ICA-IBC,将三式相加得：IA+IB+IC=0或 I=0,IA=IAB-ICA,IB=IBC-IAB,IA+IB+IC=0,【证明】,图示电路中，已知I1=11mA，I4=12mA，I5=6mA。求I2，I3和I6。,例,解：,I3=I1I5=116=5（mA),I2=I3I4=512=7（mA),I6=I1

17、I2=11(7)=18（mA),I6=I4+I5=12+6=18（mA),4物理意义：KCL是电流的连续 性的体现，也是能量守衡的体现。,5KCL对各支路电流施加了约束，而与支路元件的性质无关。,1定义：在任一时刻，沿任一回路内所有支路或元件电压降的代数和恒为零。,1.6.3 KVL（电压定律）,E=(RI),2表达式 U=0,E1=I1R1+I3R3,E2=I2R2+I3R3,E1=I1R1I2R2+E2,（1）列KVL前，要首先选定回路绕行方向，然后再列方程，电压降和回路绕行方向一致取正，否则取负。,（2）KVL对闭合回路中各支路电压施加了约束，它与元件性质无关。,3讨论,4绕行方向的选择

18、：原则上是任意的。,电路如图所示，已知UAB=5V，UBC=4V，UDA=3V。试求：（1）UCD；（2）UCA,解：,（2）ABCA不是闭合回 路，也可应用KVL求解。,（1）,UAB+UBC+UCD+UDA=0,5+（4）+UCD+（3）=0,UCD=2V,UAB+UBC+UCA=0,UCA=1V,例,KCL和KVL是在实验的基础上得出的，是分析电路的理论基础，它和欧姆定律一起构成了电路分析的两个基本依据。,局部约束方程：U=RI整体约束方程：KCL和KVL,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

19、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、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路作图,例1.7.1 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,