电工学上册电工技术海南风光海南风光第第1章章电路的基本概念电路的基本概念与基本定律与基本定律电工技术电工技术第第 1 章章 电路的基本概念与基本定律电路的基本概念与基本定律 电路的基本概念及其分析方法是电电路的基本概念及其分析方法是电工技术和电子技术的基础。工技术和电子技术的基础。 本章首先讨论电路的基本概念和基本本章首先讨论电路的基本概念和基本定律，如电路模型、电压和电流的参考方定律，如电路模型、电压和电流的参考方向、基尔霍夫定律、电源的工作状态以及向、基尔霍夫定律、电源的工作状态以及电路中电位的计算等。这些内容是分析与电路中电位的计算等。这些内容是分析与计算电路的基础。计算电路的基础。1.1 电路的作用与组成部分电路的作用与组成部分1.1.1 电路的概念电路的概念 电路是电流的通路，它是为了某种需电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的合起来的 。 1.1.2 电路的任务电路的任务 根据电路结构的不同，根据电路结构的不同，不同电路能够不同电路能够完成各种不同的任务完成各种不同的任务。现举两例如下：。现举两例如下：a.电力系统电力系统b.扩音机扩音机此电路的作用是此电路的作用是实现电能的转换和传输。实现电能的转换和传输。其中包括电源、负载和中间环节。其中包括电源、负载和中间环节。a. 电力系统电力系统韩城发电厂韩城发电厂-陕西第一座大型坑口电厂陕西第一座大型坑口电厂 潘家口水电厂潘家口水电厂 秦山核电站位秦山核电站位于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第于东海之滨美丽富饶的杭州湾畔，是中国第一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，一座依靠自己的力量设计、建造和运营管理的压水堆核电站，总装机容量总装机容量2300MW。1985年年3月动工，月动工，1991年年12月首次并网月首次并网发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、发电。它的建成使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。瑞典之后世界上第七个能够自行设计、建造核电站的国家。 太阳能发电太阳能发电光伏发电光伏发电风车风车返回返回此此电路的作用是电路的作用是传递和处理信号。传递和处理信号。包括信号源、中间环节和负载。包括信号源、中间环节和负载。1.1.3激励和响应激励和响应b. 扩音机扩音机1.1.激励激励:电路中电路中电源电源和和信号源信号源的的电压或电电压或电流流称为称为激励激励，它推动电路工作。，它推动电路工作。激励激励响应响应2.2.响应响应:由由激励激励在电路中产生的在电路中产生的电压和电流。电压和电流。3.电路分析电路分析:是在已知电路结构和参数是在已知电路结构和参数的条件下，讨论的条件下，讨论与与的关系。的关系。返回返回i1.2 电路模型电路模型 实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。例如：一个白炽灯在有电流通过时，例如：一个白炽灯在有电流通过时，R R L 消耗电消耗电能能( (电阻性电阻性) ) 产生产生磁场磁场储存磁场能量储存磁场能量( (电感性电感性) ) 忽略忽略 L L 为了便于分析与计算实际电路，在一定条为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成电磁性质，把它看成理想电路元件。理想电路元件。电源负载连接导线电路实体电路实体电路模型电路模型1.2 电路模型电路模型 用用理想理想电路元件组成的电路，称为实际电路元件组成的电路，称为实际电路的电路的电路模型电路模型。SER +R0开关1.3 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、电流、功率值的大小，还要确定这些量在电路电流、功率值的大小，还要确定这些量在电路中的实际方向。但是，在复杂电路中各处电位中的实际方向。但是，在复杂电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先判断出来。因的高低、电流的方向等很难事先判断出来。因此电路内各处电压、电流的实际方向也就不能此电路内各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。确定。为此引入参考方向的规定。电路举例：电路举例：+_R1E1+_E2R2R3I1I2I3cadb +uiR直流电路直流电路电流的实际方向：电流的实际方向：正电荷运动的方向或负电荷运正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；动的反方向；正弦交变电路正弦交变电路习惯上规定习惯上规定1.3 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向电压的实际方向：电压的实际方向： 由由高高电位端指向电位端指向低低电位端；电位端；电动势的实际方向：电动势的实际方向： 在电源内部由在电源内部由低低电位端指向电位端指向高高电位端。电位端。电压、电流的参考方向：电压、电流的参考方向：电流的参考方向用箭头表示；电压的参考电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性方向除用极性 “+”、“” 外，还用双下标外，还用双下标或箭头表示。或箭头表示。任意假定。任意假定。当电压、电流参考方向与实际方向当电压、电流参考方向与实际方向相同时，相同时，其值为正，反之则为负值。其值为正，反之则为负值。1.3 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向R +R0IE 例如：图中若例如：图中若 I = 3 A，则表则表明电流的实际方向与参考方向相明电流的实际方向与参考方向相同同 ；反之，若反之，若 I = 3 A，则表明则表明电流的实际方向与参考方向相反电流的实际方向与参考方向相反 。 在电路图中所标电压、电流、在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方电动势的方向，一般均为参考方向。向。1.3 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向R +R0IE 电压的参考方向除用极性电压的参考方向除用极性“+”、“-”表示外，也可用双表示外，也可用双下标表示下标表示 。Uab：表示它的参考方向由表示它的参考方向由a端端指向指向b端，也就是说端，也就是说a点的点的参考参考极性为极性为“+”， b点的点的参考极参考极性为性为“-”。Uabab+Uab是否表示是否表示a端的端的电位高于电位高于b端的电位端的电位?1.3 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向 电压和电路的关联参考方向电压和电路的关联参考方向（参考方向一致）：（参考方向一致）： 因为电流的方向为正电荷因为电流的方向为正电荷运动的方向，而电流原则上是运动的方向，而电流原则上是从电压高端流向电压低端。从电压高端流向电压低端。R +R0IEUabab+图示电路电压和电流参考方向一致。图示电路电压和电流参考方向一致。电压和电流的单位：伏特和安培。电压和电流的单位：伏特和安培。欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。(线性电阻线性电阻)表达式表达式 = RUIU 、I 参考方向相同参考方向相同U = RIU、 I 参考方向相反参考方向相反图图 (a)或或图图 (b)RUI+IRU+RUI1.4 欧姆定律欧姆定律图图 (c)图图 (b) 中若中若 I = 2 A，R = 3 ，则则 U = 3 ( 2 ) = 6 VU = RIU、 I 参考方向相反参考方向相反电流的参考方向电流的参考方向与实际方向相反与实际方向相反 图图 (b)IRU+电压与电流参电压与电流参考方向相反考方向相反 返回返回线性电阻的伏安特性曲线：为过原点的直线。线性电阻的伏安特性曲线：为过原点的直线。电阻分类电阻分类:线性电阻和非线性电阻。线性电阻和非线性电阻。EI IU1.5 电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路1. 电压与电流电压与电流R0RabcdR + R0I = EER0I电源的外特性曲线电源的外特性曲线当当R0R 时，时， 则则 U E说明电源带负载能力强说明电源带负载能力强IUO+_+_UU = RI或或 U = E R0I 1.5.1 电源有载工作电源有载工作1.5.1电源有载工作电源有载工作U = E R0I 2. 功率与功率平衡功率与功率平衡UI = EI R0I2 P = PE P 电源产电源产生功率生功率内阻消内阻消耗功率耗功率电源输电源输出功率出功率功率的单位：瓦功率的单位：瓦 特特(W) ) 或千瓦或千瓦( (kW) )电源产电源产生功率生功率=负载取负载取用功率用功率+内阻消内阻消耗功率耗功率功率功率平衡式平衡式EI IUR0Rabcd+_+_讲解讲解:例例1.5.11.5.1 电源有载工作电源有载工作3. 电源与负载的判别电源与负载的判别根据电压、电流的实际方向判别，若根据电压、电流的实际方向判别，若1. U 和和 I 的实际方向相反，电流从的实际方向相反，电流从“+”端流端流出出,则是则是电源电源，发出功率；发出功率；2. U 和和 I 的实际方向相同，电流从的实际方向相同，电流从“+”端端流入流入,是是负载负载，取用功率。，取用功率。根据电压、电流的参考方向判别根据电压、电流的参考方向判别1. P = UI 为负值，是为负值，是电源电源，发出功率；，发出功率；若电压、电流的参考方向相同若电压、电流的参考方向相同2. P = UI 为正值，是为正值，是负载负载，取用功率。，取用功率。1.5.1 电源有载工作电源有载工作3. 电源与负载的判别电源与负载的判别 例例 1 已知：图中已知：图中 UAB= 3 V， I = 2 A 解解 P = UI = ( (2) ) 3 = 6 W求：求：N 的功率，并说明它是的功率，并说明它是电源还是负载。电源还是负载。 因为此例中电压、电流的参考方向相同因为此例中电压、电流的参考方向相同而而 P 为负值，所以为负值，所以 N 发出功率，是电源。发出功率，是电源。 想一想，若根据电压、电流的实际方想一想，若根据电压、电流的实际方向应如何分析？向应如何分析？NABI4. 额定值与实际值额定值与实际值U电源电源+IP电源输出的电流和功电源输出的电流和功率由负载的大小决定率由负载的大小决定（电源端电压基本不变）（电源端电压基本不变）额定值是为电气额定值是为电气设备在给定条件下正设备在给定条件下正常运行而规定的允许常运行而规定的允许值。（值。（PN、UN、IN）电气设备不在额定电气设备不在额定条件下运行的危害：条件下运行的危害：不能充分利用设备的能力；不能充分利用设备的能力；降低设备的使用寿命甚至损坏设备。降低设备的使用寿命甚至损坏设备。S1S2S3额定电流为额定电流为100A的发电机的发电机,只接了只接了60A的的照明负载照明负载,还有还有40A流到哪里去了流到哪里去了?有有一台直流发电机一台直流发电机,其铭牌上标有其铭牌上标有40kW 230V 174A。试问什么是发电机的空载运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？载的大小，一般指什么而言？思考题思考题:有人打算将有人打算将110V 100W和和110V 40W两只白两只白炽灯串联后接在炽灯串联后接在220V的电源上使用，是否的电源上使用，是否可以？为什么？可以？为什么？分析练习与思考分析练习与思考1.5.41.5.2 电源开路电源开路 电源开路时的特征电源开路时的特征I = 0U = U0 = E P = 0当开关断开时，电源则处于开路当开关断开时，电源则处于开路( (空载空载) )状态。状态。EI IU0R0Rabcd+_+_UIS 电流过大，将烧毁电源！电流过大，将烧毁电源！1.5.3 电源短路电源短路U = 0I = IS = E / R0P = 0 PE = P = R0IS2 ER0Rbcd+_ 电源短路时的特征电源短路时的特征a 当电源两端由于某种原因连在一起时，电源当电源两端由于某种原因连在一起时，电源则被短路。则被短路。 使电源遭受机械损坏。使电源遭受机械损坏。 为防止事故发生，需在电路中接入熔断为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或自动断路器，用以保护电路设备。器或自动断路器，用以保护电路设备。U = 0I 视电路而定视电路而定有源电路1.5.3 电源短路电源短路由于某种需要将电路的某一段短路，称为短接。由于某种需要将电路的某一段短路，称为短接。UIER0R+_R1变压器进行短路试验变压器进行短路试验:目的是测量某些参数。目的是测量某些参数。2.结点结点 电路中三条或三条电路中三条或三条 以上支路连接的点以上支路连接的点1.支路支路 电路中的每一电路中的每一分支分支3.3.回路回路 由一条或多条支路组成的闭合电路由一条或多条支路组成的闭合电路如如 acb ab adb流过支路的电流称为支路电流流过支路的电流称为支路电流如如 abca adba adbca 1.6 基尔霍夫定律基尔霍夫定律如如 a b+_R1E1+_E2R2R3I1I2I3cadb概念概念(直流电路中直流电路中) I = 0 i = 0(对任意波形的电流对任意波形的电流) 在任一瞬间，流向某一结点电流的代数在任一瞬间，流向某一结点电流的代数和恒等于零。和恒等于零。1.6.1 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律( (KCL) )基尔霍夫电流定律是用来确定连接在基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一结点上的各支路电流之间的关系。同一结点上的各支路电流之间的关系。 根据电流连续性原理，电荷在任何一根据电流连续性原理，电荷在任何一点均不能堆积点均不能堆积( (包括结点包括结点) )。故有。故有数学表达式为数学表达式为1.6.1 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律( (KCL) ) 若以流向结点的电流为负，若以流向结点的电流为负，背向结点的电流为正，则根据背向结点的电流为正，则根据KCL，结点结点 a 可以写出可以写出I1I2I3I4aI1 I2 + I3 + I4 = 0 例例 1 上图中若上图中若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求求 I3 。9 ( ( 2) ) + I3 + 8 = 0 解解 把已知数据代入结点把已知数据代入结点 a 的的KCL方程式，有方程式，有式中的正负号由式中的正负号由 KCLKCL根据电流方向确定根据电流方向确定由电流的参考方向与实际方向是否相同确定由电流的参考方向与实际方向是否相同确定 I3 电流为负值，是由于电流电流为负值，是由于电流参考方向与实际方向相反所致。参考方向与实际方向相反所致。 I3 = 19 A IAIBIABIBCICAKCL 推广应用：推广应用：包围部分电路的任一包围部分电路的任一假想的闭合面假想的闭合面即即 I = 0ICIA+IB +IC =0 可见，在任一瞬间通过任一封闭可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。面的电流的代数和也恒等于零。ABC 对对 A、B、C 三个结点三个结点应用应用 KCL 可列出：可列出：IA =IAB ICAIB =IBC IABIC =ICA IBC上列三式相加，便得上列三式相加，便得1.6.2 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律( (KVL) )基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。电压之间的关系。 由于电路中任意一点由于电路中任意一点的瞬时电位具有单值性。的瞬时电位具有单值性。 在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。路中各段电压的代数和恒等于零。即即 U = 0I2+_R1E1+_E2R2U2I1U1cadb+_U3+U4_1.6.2 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律( (KVL) )I2 左图中，各电压参左图中，各电压参考方向均已标出，沿虚考方向均已标出，沿虚线所示循行方向，列出线所示循行方向，列出回路回路 KVL 方程式。方程式。U1 U2 +U4 U3=0 根据电压参考方向，回路根据电压参考方向，回路 c b d a c KVL 方程式，为方程式，为+_R1E1+_E2R2U2I1U1cadb+_U3+U4_1.6.2 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律( (KVL) )I2U1 U2 +U4 U3=0上式也可改写为上式也可改写为 U3 U4=E1 E2+_R1E1+_E2R2U2I1U1cadb+_U3+U4_即即 U = 0即即 U = E或或 I1 R1 I2R2 =E1 E2即即 IR = EKVL 推广应用于假想的闭合回路推广应用于假想的闭合回路E RI U = 0U = E RI或或根据根据 KVL 可列出可列出EI IUR+_+_ABCUA+_UAB+_UB+_根据根据 U = 0UAB = UA UB UA UB UAB = 0U4+ + U1U2abced+U5U3+R4 例例 2 图中若图中若 U1= 2 V，U2 = 8 V，U3 = 5 V，U5 = 3 V， R4 = 2 ，求电阻求电阻 R4 两端两端的电压及流过它的电流。的电压及流过它的电流。 解解 设电阻设电阻 R4 两端电压的极性及流过它两端电压的极性及流过它的电流的电流 I 的参考方向如图示。的参考方向如图示。I I 沿顺时针方向列沿顺时针方向列写回路的写回路的 KVL 方程方程式，有式，有返回返回U1 +U2 U3 U4+U5=0U4+ + U1U2abced+U5U3+R4( (2) )+ 8 5 U4+( (3) )=0U4= 2 VI =1 AI I 沿顺时针方向列写回路的沿顺时针方向列写回路的 KVL 方程式，有方程式，有代入数据，有代入数据，有U4= IR4返回返回电位的概念电位的概念：Va = 5V a 点电位：点电位：ab1 5Aab1 5AVb = -5V b 点电位：点电位：在电路中任选一点，设其电位为零（用在电路中任选一点，设其电位为零（用此点称为参考点。其它各点对参考点的电压，便是此点称为参考点。其它各点对参考点的电压，便是该点的电位。记为：该点的电位。记为：“VX”（注意：电位为单下标）。注意：电位为单下标）。 标记），标记），1.7 电路中电位的概念及计算电路中电位的概念及计算 电路中某一点的电位是电路中某一点的电位是指由这一点到指由这一点到参考点参考点的电压。的电压。电路的参考点可以任意选取。电路的参考点可以任意选取。通常认为参考点的电位为零。通常认为参考点的电位为零。而其他各点的电位都同它比而其他各点的电位都同它比较，比它高的为正，比它低较，比它高的为正，比它低的为负。的为负。Va=E1Vc=E2Vb=I3 R3 若以若以 d 为参考点，为参考点，则：则：+E1 E E2 2简简化化电电路路+_R1E1+_E2R2R3I3abcddabcR1R2R3接地的含义？接地的含义？ 例例 1 电路如图所示电路如图所示, ,分别以分别以 a、b 为参考为参考点，计点，计算算 c 和和 d 点的电位及点的电位及 c 和和 d 两点间的两点间的电压。电压。2 10 V+5 V+3 bcd 解解 以以 a 为参考点为参考点II =10 + 53 + 2= 3 AVC = 3 3 = 9 VVD = 3 2= 6 V以以 b 为参考点为参考点VD = 5 VVC = 10 VUCD = VC VD= 15 VaUCD = VC VD = 15 V返回返回小结：小结：电路中某一点的电位等于该点到参考点电路中某一点的电位等于该点到参考点的电压；的电压；电路中各点的电位随参考点选的不同而改电路中各点的电位随参考点选的不同而改变，但是任意两点间的电压不变变，但是任意两点间的电压不变(电位差电位差不变不变)。 电位值是相对的电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的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。电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。注意：电位和电压的区别注意：电位和电压的区别海南风光海南风光第1章结结 束束电工技术电工技术