前沿及电路的基本概念与基本定律(机电).ppt

河海大学常州校区 第一章电路的基本概念与定律 第三章电路的时域分析 第二章电路分析方法 第四章正弦交流电路 第五章三相交流电路 第六章变压器与安全用电 课程性质 技术基础课 服务对象 非电专业 课程特点 内容丰富 技术更新快 紧密联系实际 应用非常广泛 本课是非电专业一切电类后续课程的基础 非电类专业学生学习电工学重在应用 应具有将电工和电子技术应用于本专业和发展本专业的一定能力 加深对世界的认知程度 主要教学环节 教学形式 课堂上 多媒体授课 课后 网上查寻 考核形式 作业完成情况 点名情况小测试考试 第一章电路的基本概念与定律 介绍概念 什么是电路 电路元件 电路模型 电路参数 参考方向 什么是 什么是 KCL KVL 第三节电路变量及其参考方向 第六节基尔霍夫定律 第七节电位的计算 第四节电路的工作状态 第五节电路元件 电路的作用 实现电能的传输和转换 作用之一 电路的结构形式和所完成的任务多种多样的 举例1 电路的组成 电源 负载 中间环节三部分 电路就是电流所通过的路径 是由电路器件 例如晶体管 和电路元件 例如电容 电感 电阻等 相互连接而成 具有传输电能 处理信号 测量 控制 存储等功能 电源 将非电能转换成电能的装置 例如 发电机 干电池 负载 将电能转换成非电能的装置 例如 电动机 电炉 灯 中间环节 连接电源和负载的部分 其传输和分配电能的作用 例如 输电线路 举例2 电子电路 即信号电路 电路的作用之二 传递和处理信号 最简单的电路是由电源 负载 中间环节构成的 下面的就是这个简单电路和电路模型 可以看到电流的通路 电压源 中间环节 负载 电池 中间环节 负载 实际电路 电路模型 实际的电路是很复杂的 本书只讨论电路模型而非实际电路本身 比如上图的电池等效成了电压源 而灯泡等效成了电阻 电容 电感 电压源 电流源 它从复杂实际电路等效而来 是由电路元件构成的 电阻 1 电流 在导体中 自由电子在电场力的作用下做有规则的移动形成电流 正电荷移动的方向为电流的实际方向 规定 电路理论中涉及的电路变量通常有 2 电压 电场力把单位正电荷由A搬到B所做的功 表示为UAB 也叫电压降或电位差 单位伏特V 1V 1000mV 1mV 1000 V 与电压代表的意义相同 可以说电位是电压的一种特例 定义 A点的电位是A点与参考点间的电压 记做UA 方向为从A至B 电场力将单位正电荷从电源的低电位点移到高电位点所做的功 电动势用E表示 实际方向为电位升的方向 与电压方向相反 电压 电位 电动势 电压 电位 电动势 电压 电压降 电位差 电位 电动势 它们的相同点 它们的区别 单位相同都是伏特 V 仅电动势的方向与其它的相反 3 电功率 注意电压的名称 电功率与电压和电流密切相关 当正电荷从元件上电压的 极经元件移至 极时 电场力要对电荷作功 这时 元件吸收能量 反之 正电荷从 极到 极时 电场力作负功 元件向外释放能量 功率用p来表示 p t u t i t 单位为W mW kW 定义 电功率的计算 在直流电路中 I U1发出功率 U2吸收功率 U1与I方向相反 U2与I方向相同 在电路中 功率是平衡的 记住喽 电源与负载的判别 方法一 由电压电流的实际方向判别 如图 电源 和 的实际方向相反 电流从电源 端流出 发出功率负载 和 的实际方向相同 电流从电源 端流入 取用功率 4 参考方向 物理量的方向 实际方向 物理中对电量规定的方向 参考方向 在分析计算时 对电量人为规定的方向 电路分析中的参考方向 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 1 在解题前先设定一个方向 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 已知 E 2V R 1 问 当U分别为3V和1V时 IR E IR R a b 例1 3 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 实际方向 是物理中规定的 而 参考方向 则是人们在进行电路分析计算时 任意假设的 2 在以后的解题过程中 注意一定要先假定物理量的参考方向 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 电流参考方向 I 如此确定电流 才有如此的电压 I UAB UAB 方法二 由U I参考方向判别 1 当U和I参考方向选择一致的前提下 当U和I参考方向选择不一致的前提下 在图示电路中 Uab 5V I 2A 求 1 各个元件的功率 2 这段电路上的总功率 例2 解 吸收 吸收 吸收 吸收 发出 Uab 5V I 2A A 1 4 10V I R1 R2 E1 E2 B 5V 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 140V 4 A 560WP2 90 V 6A 540WP4 80 V 4A 320WP5 30V 6A 180WP3 560 540 320 180 W 600W 例3 从a到b 从b到a 有源元件上自有方向 电压源 电流源 在这一节里要弄懂电路变量和变量的参考方向 伏安特性 一 电源有载工作 开关和上 1 电压与电流关系 R0 R时 U E 单位 w Kw 式中 PE EI 是电源产生的功率 P R0I2 是电源内阻上所损耗的功率P UI 是电源输出的功率 2 功率与功率平衡 4 额定值与实际值 额定值概念 在实际电路中 电气设备的电压 电流都有一个额定值 它是制造厂家综合考虑了用电设备的工作能力 运行性能 经济性 可靠性及其使用寿命等命等因素制定的 电路中通常以UN IN PN表示 在使用时 电压 电流 功率的实际值不一定等于它们的额定值 二 电源开路 开关断开 I 0U U0 EP 0 PE 0 P 0 三 电源短路 U 0I IS E R0P 0PE P R0I2 无源电路元件 电阻R 电感L 电容C 这里介绍 1 电阻 文字符号 R 图形符号 灯泡 电炉等均可视为电阻 当电压和电流取关联参考方向时 任何时刻它两端的电压和电流关系服从欧姆定律 u Ri 伏安关系 功率情况 p ui 直流电路中 永远消耗功率 2 电容 文字符号 图形符号 伏安关系 功率情况 C p ui 3 电感 文字符号 图形符号 伏安关系 功率情况 L p ui 实际电感线圈 支路 Branch 电路中的每一条分支 节点 Node 三条以上支路的汇节点 回路 Loop 由支路构成的闭合路径 6条支路 b 64个节点 n 47个回路 L 7 该电路拥有 1 6 1 基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 Kirchhoff sCurrentLaw 基尔霍夫电压定律 Kirchhoff sVoltageLaw 简称KCL 简称KVL KCL内容 KVL内容 对任意节点 任意时刻 对任意闭合回路 任意时刻 沿一定方向绕行一周 各元件上电压降的代数和为零 流入 或流出 该节点的电流代数和为零 1 6 2 基尔霍夫电流定律 KCL 详解 KCL的依据 电流的连续性 例如在下图节点中可以根据KCL列写方程 流入为正流出为负 1 6 2 定律内容 i o KCL还可适用于任意封闭的面 对下面封闭面可列方程 I1 I2 I3 0 I I 0 标出图中未知电流大小 2A 8A 3A 3 4 6A 1A 5A 例4 基尔霍夫电压定律 KVL 详解 回路 1 回路 2 回路 3 第3个方程不独立 1 6 2 对下图中各回路列写方程 1 必须明确回路绕行的方向 取顺时针方向或逆时针方向 R2I2 US2 Uab 0 3 绕行的回路也可以不经过支路 以图中回路1为例 2 电压的方向是电压降的方向 电压方向和回路循行方向相同取正号 相反则取负号 这里Uab是ab之间的电压 ab之间没有支路 注意 R2I2 US2 Uab 0 这里Uab是ab之间的电压 ab之间没有支路 将这个式子可以写为 Uab US2 R2I2 这表明两点之间的电压与路径无关 在有些情况下 利用这一点可以比较方便的计算两点之间的电压 US1 b a R1 US2 R2 d e 例 右图中US1 12V US2 8V 求Ude 解 两点之间电压与路径无关 沿图示路径计算电压Ude Ude US1 US2 12 8 4 V 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 独立方程只有2个 1 6 2 设 电路中有N个节点 B个支路 N 2 B 3 小结 1 6 2 说明 上述两定律适用于任何变化的电压和电流 已知E1 7V E2 16V E3 14V R1 16 R2 3 R3 9 求 K打开时 Uab K闭合时 I3 1 K打开 I3 0 UR3 0 E1 Uab E3 E2 0Uab 7 14 16 9V 2 K闭合 Uab 0 E1 E3 E2 I3R3 0I3 E1 E3 E2 R3 9 9 1A 例5 图示电路 求U和I 解 3 1 2 I 0 I 2 A U1 3I 6 V U U1 3 2 0 U 5 V 例6 节点电位的概念 电压的概念 两点间的电压就是两点的电位差 某点电位值是相对的 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 举例 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 设a为参考点 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V 电位在电路中的表示法 参考电位在哪里 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 例7 5k 12V 5k S 10k B A 求S闭合和断开时AB点的电位 S打开时UA UB 12VS闭合时UA UB 12 15 5V 4V 解 例8 a 0V 应用举例 1 电路中某一点的电位等于该点与参考点 电位为零 之间的电压 2 参考点选的不同 电路中各点的电位值随着改变 但是任意两点间的电压值是不变的 所以各点电位的高低是相对的 而两点间的电压是绝对的 电位小结 第一章电路的基本概念和定律 学习要点 本章学习要点是理解和掌握下述基本概念和知识点 1 电路和电路模型分析方法 2 电路变量的参考方向 3 一般激励时的R L C电路特性 4 基尔霍夫定理 5 电功率和电位的计算 1 在下图电路中 当增大电阻R1的阻值时 电流I2相 a 减小b 增大c 不变 c 4Vb 8 67Vc 6V c I 对回路列写KVL c 3 在图示电路中 当开关S打开时 A点的电位UA 3V 6Vc 9V 4 在下图的电路中 当开关S闭合时 A点的电位UA a 3Vb 6Vc 9V b