电工学少学时第一章课件.ppt

电工学 少学时 唐介主编 第1章直流电路 1 1电路的作用和组成 1 2电路的基本物理量 1 3电路的状态 1 4电路中的参考方向 1 5理想电路元件 1 6基尔霍夫定律 1 7支路电流法 1 8叠加定理 1 9等效电源定理 1 10非线性电阻电路 1 1电路的作用和组成 一 什么是电路 电路是电流的通路 它是为了某种需要由某些电工 电子器件或设备组合而成的 实际电路 电路模型 电路是为完成某种预期的目的而设计 安装 运行的 由电路元件和电路器 部 件相互连接而成 具有传输电能 处理信号 测量 控制 计算等功能的整体 各种蓄电池和干电池由化学能转换成电能 电源 汽轮发电机和风力发电机将机械能转换成电能 实际的负载包括电动机 电动工具和家用电器等等 负载 二 电路的作用 电力系统 扩音器 功率低 10 3w 力能电路 信号电路 从电源来看 电源本身的电流通路称为内电路 电源以外的电流通路称为外电路 当电路中的电流是不随时间变化的直流电流时 这种电路称为直流电路 当电路中的电流是随时间按正弦规律变化的交流电流时 这种电路称为交流电路 二端网络 1 2电路的基本物理量 I 1 电流 电流的实际方向 规定为正电荷运动的方向 E US UL 直流电路中 A 2 电位 电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所消耗的电能 参考点的电位为零 直流电路中电位用V表示 单位为伏 特 V 参考点的选择 选大地为参考点 选元件汇集的公共端或公共线为参考点 3 电压 电场力将单位正电荷从电路的某一点移至另一点时所消耗的电能 电压就是电位差 I US E UL 直流电路中电压用U表示 单位为伏 特 V US是电源两端的电压 UL是负载两端的电压 4 电动势 电源中的局外力 非电场力 将单位正电荷从电源负极移至电源正极时所转换而来的电能称为电源的电动势 电动势的实际方向 由低电位指向高电位 符号 E或e 单位 V 5 电功率 定义 单位时间内所转换的电能 电源产生的功率 PE EI 符号 P 直流电路 单位 W 负载取用的功率 PL ULI 6 电能定义 在时间t内转换的电功率称为电能 W Pt符号 W 直流电路 单位 J 单位转换 千瓦时 kW h 1千瓦时为1度电 1kW h 3 6 106J 已知 4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J 由b点移动到c点电场力做功为12J 1 若以b点为参考点 求a b c点的电位和电压Uab Ubc 2 若以c点为参考点 再求以上各值 解 1 以b点为电位参考点 a b 解 2 电路中电位参考点可任意选择 参考点一经选定 电路中各点的电位值就是唯一的 当选择不同的电位参考点时 电路中各点电位值将改变 但任意两点间电压保持不变 结论 以c点为电位参考点 当电源与负载接通 电路中有了电流及能量的输送和转换 电路的这一状态称为通路 1 3电路的状态 一 通路 I S 通路时 电源向负载输出电功率 电源这时的状态称为有载或称电源处于负载状态 各种电气设备在工作时 其电压 电流和功率都有一定的限额 这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的 称为电气设备的额定值 二 开路 S1 S2 E EL1 EL2 当某一部分电路与电源断开 该部分电路中没有电流 亦无能量的输送和转换 这部分电路所处的状态称为开路 开路的特点 开路处的电流等于零 I 0 开路处的电压应视电路情况而定 电源既不产生也不输出电功率 电源这时的状态称为空载 U视电路而定 三 短路 当某一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来 使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路 这一部分电路所处的状态称为短路或短接 S1 S2 电源短路 短路的特点 短路处的电压等于零 U 0 短路处的电流应视电路情况而定 I视电路而定 EL1 EL2 1 4电路中的参考方向 I I 原则上参考方向可任意选择 在分析某一个电路元件的电压与电流的关系时 需要将它们联系起来选择 这样设定的参考方向称为关联参考方向 U 电源 负载 U 参考方向对电路功率的影响 u i取关联参考方向 p ui表示元件吸收的功率 P 0吸收正功率 实际吸收 P 0吸收负功率 实际发出 p ui表示元件发出的功率 P 0发出正功率 实际发出 P 0发出负功率 实际吸收 u i取非关联参考方向 1 5理想电路元件 理想电路元件 理想有源元件 理想无源元件 电压源 电流源 电阻元件 电容元件 电感元件 一 理想有源元件 1 电压源 US 电压源的特点 输出电流I不是定值 与输出电压和外电路的情况有关 可提供一个固定的电压US 称为源电压 输出电压U等于源电压US 是由其本身所确定的定值 与输出电流和外电路的情况无关 实际电压源不能短路 2 电流源 IS 电流源的特点 输出电流I等于源电流IS 是由其本身所确定的定值 与输出电压和外电路的情况无关 输出电压U不是定值 与输出电流和外电路的情况有关 电激流 可提供一个固定的电流IS 称为源电流 实际电流源不能开路 当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时 它们输出 产生 电功率 起电源作用 当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时 它们取用 消耗 电功率 起负载作用 实际电压源 实际电流源两种模型可以进行等效变换 所谓的等效是指端口的电压 电流在转换过程中保持不变 u uS Rii i iS Ri u i uS Ri u Ri 比较可得等效的条件 iS uS RiRi Ri 实际电压源 实际电流源 端口特性 3 电压源与电流源模型的等效变换 二 理想无源元件 电阻元件 当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁场能的储存 这一部分电路可用电阻元件来代替 线性电阻与非线性电阻 电阻消耗的功率 电阻图片 水泥电阻 线绕电阻 碳膜电阻 可变电阻 压敏电阻 功率电阻 解 1 由于电压源与电流源串联 I IS 3A 根据电流的方向可知 U US RIS 3 1 3 V 6V 2 功率平衡关系 电压源吸收电功率 PL USI 3 3 W 9W 电流源发出电功率 PO UIS 6 3 W 18W 电阻R消耗的电功率 PR RIS2 1 32 W 9W功率平衡 PO PL PR 用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系 其中包括基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律两个定律 1 6基尔霍夫定律 基尔霍夫 1824 1887 Kirchhoff GustavRobert德国物理学家 1824年3月12日生于普鲁士的柯尼斯堡 今为俄罗斯加里宁格勒 1887年10月17日卒于柏林 基尔霍夫在柯尼斯堡大学读物理 1847年毕业后去柏林大学任教 3年后去布雷斯劳作临时教授 1854年由R W E 本生推荐任海德堡大学教授 1875年因健康不佳不能做实验 到柏林大学作理论物理教授 直到逝世 电路设计方面的研究成就 1845年 21岁时他发表了第一篇论文 提出了稳恒电路网络中电流 电压 电阻关系的两条电路定律 即著名的基尔霍夫第一电路定律和基尔霍夫第二电路定律 解决了电器设计中电路方面的难题 后来又研究了电路中电的流动和分布 从而阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理量在量纲和单位上的一致 使基尔霍夫电路定律具有更广泛的意义 直到现在 基尔霍夫电路定律仍旧是解决复杂电路问题的重要工具 基尔霍夫被称为 电路求解大师 一 基尔霍夫电流定律 KCL b a 电路中3个或3个以上电路元件的连接点称为结点 有a b两个结点 有acb adb aeb三条支路 两结点之间的每一条分支电路称为支路 由于电流的连续性 流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和 对结点a I1 I2 I3 I1 I2 I3 0 流入结点的电流前取正号 流出结点的电流前取负号 在电路的任何一个结点上 同一瞬间电流的代数和为零 对任意波形的电流 i 0在直流电路中 I 0 基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中任意结点 而且还可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面 广义结点 IC IB IE 0 I1 I2 I3 I 0 I 广义结点 解 由图中所示电流的参考方向 应用基尔霍夫电流定律 分别由结点a b c求得 I6 I4 I1 5 3 A 8A I2 I5 I4 8 5 A 13A I3 I6 I5 8 8 A 16A 或由广义结点得I3 I1 I2 3 13 A 16A 二 基尔霍夫电压定律 KVL 由电路元件组成的闭合路径称为回路 有adbca aebda和aebca三个回路 未被其他支路分割的单孔回路称为网孔 有adbca aebda两个网孔 由于电位的单值性 从a点出发沿回路环行一周又回到a点 电位的变化应为零 对回路adbca US2 U1 US1 U2 与回路环行方向一致的电压前取正号 与回路环行方向相反的电压前取负号 US2 U1 US1 U2 0 在电路的任何一个回路中 沿同一方向循行 同一瞬间电压的代数和为零 对任意波形的电压 u 0 在直流电路中 U 0 如果回路中理想电压源两端的电压改用电动势表示 电阻元件两端的电压改用电阻与电流的乘积来表示 则 RI E 或 U E U RI E 对回路adbca R1I1 R2I2 E1 E2 与回路环行方向一致的电流 电压和电动势前面取正号 不一致的前面取负号 基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭合的回路 而且还可以推广应用于任何一个假想闭合的一段电路 将a b两点间的电压作为电阻电压降一样考虑进去 RI U E 或RI U US 0 解 由回路abcdefa Uab Ucd Ued Uef E1 E2 求得Ued Uab Ucd Uef E1 E2 4 6 5 20 10 V 7V 由假想的回路abcda Uab Ucd Uad E2 求得Uad Uab Ucd E2 4 6 10 V 8V 1 7支路电流法 支路电流法解题的一般步骤 1 确定支路数 选择各支路电流的参考方向 2 确定结点数 列出独立的结点电流方程式 n个结点只能列出n 1个独立的结点方程式 结点a I1 I2 I3 0 结点b I1 I2 I3 0 只有1个方程是独立的 3 确定余下所需的方程式数 列出独立的回路电压方程式 左网孔 R1I1 R3I3 E1右网孔 R2I2 R3I3 E2 4 解联立方程式 求出各支路电流的数值 R1I1 R3I3 E1 I1 I2 I3 0 R2I2 R3I3 E2 求出 I1 I2和I3 1 1右图电路中 I1 I2 I3的参考方向已标示 已知I1 1 75A I2 0 5A I3 1 25A R1 2 R2 3 U1 12V U2 6V 试求 1 电阻R1和R2两端的电压UR1和UR2 2 a b c d各点的电位Va Vb Vc和Vd 1 2右图所示电路中 已知US 10V IS 1A R1 10欧 R2 R3 5欧 求流过R2的电流I2 习题 1 8叠加定理 叠加定理是分析线性电路最基本的方法之一 在含有多个有源元件的线性电路中 任一支路的电流和电压等于电路中各个有源元件分别单独作用时在该支路产生的电流和电压的代数和 由支路电流法可得 由支路电流法可得 1 在考虑某一有源元件单独作用时 应令其他有源元件中的US 0 IS 0 即应将其他电压源代之以短路 将其他电流源代之以开路 应用叠加定理时要注意 2 最后叠加时 一定要注意各个有源元件单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否与总电流和电压的参考方向一致 一致时前面取正号 不一致时前面取负号 3 叠加定理只适用于线性电路 4 叠加定理只能用来分析和计算电流和电压 不能用来计算功率 解 电压源单独作用时 1 75V 电流源单独作用时 1 1 6 3 1 25 V 5 35V 最后求得 3 25 0 35 A 3 6A 1 75 5 35 V 3 6V 1 9等效电源定理 等效电源定理是将有源二端网络用一个等效电源模型代替的定理 有源二端网络 对R2而言 有源二端网络相当于其电源 在对外部等效的条件下可用一个等效电源来代替 戴维宁等效电源 诺顿等效电源 一 戴维宁定理 输出端开路时 二者的开路电压UOC应相等 输出端短路时 二者的短路电流ISC应相等 因此 UOC US R1IS 对于图 a 二 诺顿定理 输出端短路时 二者的短路电流ISC应相等 输出端开路时 二者的开路电压UOC应相等 R0求法与戴维宁定理中相同 戴维宁等效电源和诺顿等效电源既然都可以用来等效代替同一个有源二端网络 因而在对外等效的条件下 相互之间可以等效变换 等效变换的公式为 变换时内电阻R0不变 IeS方向应由UeS的负极流向正极 解 利用等效电源定理解题的一般步骤如下 1 将待求支路提出 使剩下的电路成为有源二端网络 2 求出有源二端网络的开路电压UOC和短路电流ISC 根据KVL求得 UOC US R1IS 6 1 3 V 9V 根据KCL求得 3 用戴维宁等效电源或诺顿等效电源代替有源二端网络 简化原电路 或用除源等效法求得 UeS UOC 9V IeS ISC 9A R0 R1 1 若用戴维宁定理 4 求待求电流 若用诺顿定理 1 10非线性电阻电路 线性电阻的电阻值是一常数 线性电阻两端的电压和通过它的电流成正比 非线性电阻的电阻值不是常数 随电压或电流值的变化而变化 电压与电流不成正比 非线性电阻的图形符号 非线性电阻的伏安特性 I U Q 工作点 工作点处的电压电流之比称为静态电阻 Q点附近的电压的微小增量与电流的微小增量之比称为动态电阻 求解含有非线性电阻的电路时 常采用图解分析法 当电路中只含有一个非线性电阻时 可将它单独从电路中提出 剩下的电路为一个线性有源二端网络 利用戴维宁定理 用一个戴维宁等效电源来代替这个线性有源二端网络 由此可化简电路 Q U I M US 0 U US R0I 负载线 非线性电阻的伏安特性 从图中查得U和I 例1 10 1 图 a 电路中 已知US 6V R1 R2 2k R3的伏安特性如图 b 所示 求非线性电阻R3上的电压和电流及在工作点处的静态电阻和动态电阻 a b 解 利用戴维宁定理将电路 a 化简为电路 c 根据图 c 作出负载线 N M I 0时U UeS 3V 由负载线和伏安特性的交点Q N M U 1V I 2mA Q 静态电阻 0 5 103 0 5k 动态电阻 第1章结束 下一章 上一章 返回主页