电路的作用与组成部分.ppt
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 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。,电路的组成：电源，负载和中间环节,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，起传输和分 配电能的作用。例如：输电线路,简单电路：,S,电源,中间环节,负载,E,复杂电路：,我们常将具有一定功能的电路视为一个系统。,对一个系统而言，电源（或信号源）的作用称为激励，由激励引起的结果（如某个元件上的电流、电压）称为响应。,激励和响应的关系就是作用和结果的关系，往往对应着输入与输出的关系。,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论电压、电动势和电流状态以及它们之间的关系。,即讨论响应的状态及与激励的关系,1.2 电路模型（circuit model),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件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,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）,理想电路元件：在一定条件下，突出其主要电磁性，忽略次要因素，将实际电路元件理想化（模型化）。电路模型：由理想电路元件所组成的电路，就是实 际电路的电路模型。,手电筒的电路模型,例：手电筒,电池,导线,灯泡,开关,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。,电路与电路模型,实际电路：,电路模型：,电阻(resistance),R,电感(inductance),L,电容(capacitance),C,电压源(voltage source),电流源(current source),Is,常用理想元件如下：,E,电路的基本物理量,1.电流(current)概念: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),2.电压(voltage),ab两点间的电压Uab 在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功。,a,b,Eba,I,Uab,Uab=Va-Vb,单位：伏特(V)千伏(kV)毫伏(mV),3.电位（electric potential),电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压，数值上等于电场力把单位正电荷从该点移到参考点所做的功。参考点用 或 表示。Va=Uao,4.电动势（electromotive force),a,b,Eba,I,Uab,电源的电动势 Eba 在数值上等于电场力把单位正电荷从电源的低电位端 b 经电源内部移到高电位端 a 所做的功。,单位：电动势与电压的单位相同。为伏特(V),1.3 电压和电流的参考方向,物理中对基本物理量规定的方向,1.电路基本物理量的实际方向,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AB？,电流方向BA？,U1,A,B,R,U2,IR,解决方法,(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；,(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；,(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。,2.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。,(3)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。,参考方向：人为规定的方向。,关联的参考方向：U=IR,非关联的参考方向：U=-IR,U,I,U,I,a,b,a,a,a,b,b,b,I,I,+,-,+,-,+,-,-,U,U,+,实际方向,实际方向,实际极性,实际极性,I0,I0,U0,U0,(a),(b),(c),(d),例：如图，设 I=1A,则 Iab=?(1)+1A(2)-1A,a,b,R,I,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,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,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，I 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:,电源有载工作,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)。,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）。,规定正方向的情况下电功率的写法,电压电流正方向一致,规定正方向的情况下电功率的写法,电压电流正方向相反,P=UI,吸收功率或消耗功率（起负载作用）,若 P 0,输出功率（起电源作用）,若 P 0,电阻消耗功率肯定为正,电源的功率可能为正（吸收功率），也可能为负（输出功率）,功率有正负,电源与负载的判别:,关联的参考方向：P=UI,非关联的参考方向：P=-UI,若 P0 表明元件是吸收功率是负载,若 P0 表明元件是发出功率是电源,含源网络的功率,当 计算的 P 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 P 0 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。,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),例：如图，已知U1=14V,I1=2A,U2=10V,I2=1A,U3=-4V,I4=-1A,求各方可框电路中的功率，并说明是吸收功率还是发出功率。,3,4,2,U1,I1,U3,I4,I2,U2,1,解：P1=U1I1=-142=28 W,P2=U2I2=10 1=10 W,P3=-U3I1=-(-4)2=8 W,P4=-U2I4=-10(-1)=10 W,P1+P2+P3+P4=(-28)+10+8+10=0,验算：,满足 P=0:结果正确,特征:,开关 断开,电源开路,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,电源短路,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:,【思考与练习】1-5-3,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,【思考与练习】1-5-6,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。,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。,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）,基尔霍夫电流定律(KCL定律)Kirchhoff s current law(KCL),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+I2=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。,基尔霍夫电压定律（KVL定律)Kirchhoff s voltage law(KVL),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 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。,例：电路如图，应用基尔霍夫电压定律列 出回路方程。,+,+,-,-,I3,R3,E3,R2,I2,E2,I1,R1,解：,-I1R1 E2+I2R2+E3 I3R3=0,或-I1R1+I2R2 I3R3=E2 E3,推广应用于部分电路,R0,+,-,I,U,E,U=E IR0,1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 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、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: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,
