电工学课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第,1,章,电路的,基本概念和基本定律,电路的概念,电路是由用电设备或元器件（称为负载）与供电设备（称为电源）通过导线连接而构成的提供给,电,荷流动的通,路,。电路是电场的一种特殊形式，当电场被束缚在电荷流动的路径周围很小的范围时，即形成电路，可用“路”的理论来分析处理。,电路的组成,为电路工作提供能量的,电源,在电能作用下完成电路功能的,用电设备或元器件,连接电源和用电设备的,导线,控制电源接入的,开关,等,例如我们常用的照明电路,220V,电源,开关,灯泡（用电设备）,导线,1-1,电路的作用与组成部分,电路的功能,客观上电路提供了电荷流动的通路，电荷携带着电能在电路中流动，从电源带走电能，而在用电元器件中又释放电能，因此电路的工作伴随着能量的运动。根据电路的工作场合和工作目的及我们的着眼点，电路主要有下列作用：,电源,-,负载,电能,-(,用电设备,)-,其它形式的能量,信息传输,信息,- (,载体,)-,信号,-,电路,-,终端,-(,去载体,)-,信息,(,电流或电压,),信号,(,接受,)-,电路,-,信号,(,已经放大、去噪、合成,),信息处理,能量转换：将传输到负载的电能根据需要转换成其它形式的能量，如光、声、热、机械能等。,能量传输：将电源的电能传输给用电设备,(,负载,),。,电路的激励和响应,输入（电能或信号），称为电路的,激励,。在电路中激励常表示为电源（提供电能，使电路工作）或信号源（作为电路传输、处理信息的对象）。,输出（能量或信号），称为电路的,响应,。在电路中响应常表示为某一元件上的,电压,、,电流,或,电功率,。,从电路的作用看，无论是着眼于能量还是信息，电路的工作都有两个量需要讨论：,例如，照明电路中，,220V,交流电源就是电路的激励，而灯泡获得的电功率则是电路的响应。,220V,激励,响应,为什么要引入电路模型,构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设计带来困难,只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行深入分析,例如，对于最简单的手电筒，这样一个电路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。如果要把这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看，尽管如此，我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来（用语言或文字）。,难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的将是怎样的情形！,什么是电路模型,对实际电路的特性进行分析、抽象，将电路的主要性能用数学方法表达出来，再利用一些具有特定、理想化特性的元件（理想元件）重构出来的电路，称为原,电路,的,模型。,电路模型反映了原电路工作的主要特性，并且这些特性是已经数学化了的，便于用数学方法进行分析。,电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各种实际元器件，而是数量有限的理想元件，具有很好的规范性。有利于设计、交流。,构成电路模型的理想元件数量应尽可能少，否则，电路模型将失去其存在的价值。,1.2,电路模型,怎样建立,电路模型,对电路中的每个元器件特性建立数学模型,用理想元件实现每个元器件的特性，构成元器件的电路模型,把所有元器件的电路模型按照原电路结构连接起来，形成电路的模型,注：对元器件数学模型的建立不是本课程的内容范围，有关的知识可参考相应的资料或元器件生产厂提供的资料。,常用理想元件种类,电荷,q,磁通,电压,u,电流,i,电阻元件,电容元件,电感元件,忆阻元件,电池,灯泡,E,I,R,U,+,_,负载,电源,物理量的,正方向,：,实际正方向,假设正方向,实际正方向：,物理中对电量规定的方向。,假设正方向（参考正方向）：,在分析计算时，对电量人为规定的方向。,1.3,电压和电流的参考方向,物理量的实际正方向,物理量正方向的表示方法,电池,灯泡,I,R,U,ab,E,+,_,a,b,u,_,+,正负号,a,b,U,ab,（,高电位在前，,低电位在后）,双下标,箭 头,u,a,b,电压,+,-,I,R,电流,：从高电位,指向低电位。,电路分析中的,假设,正方向,（参考方向）,问题的提出,：,在复杂电路中难于判断元件中物理量,的实际方向，电路如何求解？,电流方向,A,B,？,电流方向,B,A,？,E,1,A,B,R,E,2,I,R,(1),在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；,解决方法,(3),根据计算结果确定实际方向：,若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；,若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(2),根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关,系的代数表达式；,例,已知：,E,=2V,R,=1,问： 当,U,分别为,3V,和,1V,时，,I,R,=?,E,I,R,R,U,R,a,b,U,解：,(1),假定电路中物理量的正方向如图所示；,(2),列电路方程：,(3),数值计算,（,实际方向与假设方向一致）,（,实际方向与假设方向相反）,E,I,R,R,U,R,a,b,U,(4),为了避免列方程时出错，,习惯上,把,I,与,U,的方向,按相同方向假设。,(1),方程式,R =,U/I,仅适用于假设正方向一致的情况。,(2),“,实际方向”,是物理中规定的，而,“假设正方向”,则,是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3),在以后的解题过程中，注意一定要,先假定“正方向”,(,即在图中表明物理量的参考方向,),，,然后再列方程,计算,。缺少“参考方向”的物理量是无意义的,.,提示,I,R,U,R,a,b,假设,:,与 的方向一致,例,假设,:,与 的方向相反,I,R,U,R,a,b,R,U,I,注意：,用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。,R,U,I,R,U,I,1.4,欧姆定律,广义欧姆定律,(,支路中含有电动势时的欧姆定律,),当,U,ab,E,时，,I,0,表明方向与图中假设方向一致,。,当,U,ab,E,时，,I,0,时,则说明,U,、,I,的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，,为,负载,。,所以，从,P,的,+,或,-,可以区分器件的性质，,或是电源，或是负载。,结 论,在进行功率计算时，,如果假设,U,、,I,正方向一致,。,当计算的,P0,时,则说明,U,、,I,的实际方向相反，此部分电路发出电功率，,为电源,。,1.5.2,电源开路,E,+,_,R,O,a,b,Uo,R,1.5.3,电源短路,E,+,_,R,O,a,b,R,Is,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括克氏电流和克氏电压两个定律。,名词注释：,节点：,三个或三个以上支路的联结点,支路：,电路中每一个分支,回路：,电路中任一闭合路径,1.6,基尔霍夫定律,支路：,ab,、,ad,、, .,（共,6,条）,回路：,abda,、,bcdb,、, .,（,共,7,个）,节点：,a,、,b,、, .,(,共,4,个）,例,I,3,E,4,E,3,_,+,R,3,R,6,+,R,4,R,5,R,1,R,2,a,b,c,d,I,1,I,2,I,5,I,6,I,4,-,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。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为,0,。,I,1,I,2,I,3,I,4,克氏电流定律的,依据,：电流的连续性。,I,=0,即：,例,或,：,1.6.1,基尔霍夫电流定律,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,例,I,1,+I,2,=I,3,例,I=,0,基尔霍夫电流定律的扩展,I,=?,I,1,I,2,I,3,E,2,E,3,E,1,+,_,R,R,1,R,+,_,+,_,R,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，电压的代数和为,0,。,例如：,回路,a,-,d,-,c,-,a,电位升,电位降,即：,或：,I,3,E,4,E,3,_,+,R,3,R,6,+,R,4,R,5,R,1,R,2,a,b,c,d,I,1,I,2,I,5,I,6,I,4,-,1.6.2,基尔霍夫电压定律,电位升,电位降,E,+,_,R,a,b,U,ab,I,基尔霍夫电压定律也适合开口电路。,例,关于独立方程式的讨论,问题的提出：在用基尔霍夫电流定律或电压定律列方程时，究竟可以列出多少个独立的方程？,例,a,I,1,I,2,E,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,#1,#2,#3,b,E,1,分析以下电路中应列几个电流方程？几个,电压方程？,基尔霍夫电流方程,：,节点,a,：,节点,b,：,独立方程只有 1 个,基尔霍夫电压方程,：,#1,#2,#3,独立方程只有 2 个,a,I,1,I,2,E,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,#1,#2,#3,b,E,1,设：电路中有,N,个节点，,B,个支路,N,=2、,B,=3,b,R,1,R,2,E,2,E,1,+,-,R,3,+,_,a,小 结,独立的,节点电流方程,有,(,N,-1),个,独立的,回路电压方程,有,(,B,-,N,+1),个,则：,（一般为网孔个数）,独立电流方程：,个,独立电压方程：,个,讨论题,求：,I,1,、,I,2,、,I,3,能否很快说出结果,？,1,+,+,-,-,3V,4V,1,1,+,-,5,V,I,1,I,2,I,3,节点电位的概念,：,V,a,= 5V,a,点电位：,a,b,1,5A,a,b,1,5A,V,b,= -5V,b,点电位：,在电路中任选一节点，设其电位为零（用,此点称为参考点。其它各节点对参考点的电压，便是,该节点的电位。记为：,“,V,X,”,（,注意：电位为单下标）。,标记），,1.7,电路中电位的概念及计算,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；,电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,电位在电路中的表示法,E,1,+,_,E,2,+,_,R,1,R,2,R,3,R,1,R,2,R,3,+,E,1,-,E,2,R,1,R,2,+15V,-15V,参考电位在哪里,？,R,1,R,2,15V,+,-,15V,+,-,第,1,章,结 束,