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1、电工原理,重庆电力教育培训中心 房兆源教授,第一章 电路的基本概念和基本定律,电路 电气器件相互联接的整体构成了电流可以流通的路径 电路， 也称为电网络。,信号的产生和处理电路（传输、变换和使用电能） （如发电机、变压器、输电线、电动机）,功率（或能量）的转换与处理电路 （放大电路、声音 图象文字处理电路）,电路主要由以下三部分组成,电源供给电能或发出电信号的设备（把其他形 式的能量转换成电能或电信号）,负载是用电或接收电信号的设备（其作用 是把电能转换成其他形式的能量）,联接导线用于传输电能和电信号,激励信号（激励）电路中的外施信号或输 入信号。 响应信号（响应）电路中的输出信号或由 激励源
2、在电路中任何部分引起的电压 和电流也可称为响应。,一个简单的实际电路,电路模型,原因： 一个实际的电器设备和器件，其物理过程十分复杂例如：实际的日光灯镇流器的线圈周围不但存在着磁场，而且存在着电场且要发热，即具有电感、电容电阻的特性。因此很难用一个简单数学式来表达。,处理：对实际的部件进行化简（即理想化） 忽略次要性质得到的只有某种单一电磁性能的元件即：,理想的电路元件具有某种单一电磁性能的元件。,电路模型由规定的电路图形符号代表电路中的具体元器件（理想的电路元件和理想的导 线组成的电路图。,线性电感元件（储存磁场能量）,线性电容元件（储存电场能量）,线性电阻元件（消耗电能的元件）,关于电路的
3、一些名词 节点电路中有三个或三个以上元件的连接点称为节点。 支路两相邻节点间的无分支电路二端元件称为支路。 回路电路中由支路组成的不重复的闭合路径 网孔平面网络中内部不含支路的回路。 平面网络可以画在一个平面，在节点以外的地方而不出现有支路相交叉的情况的电路。,R1,R1,结点,1,支路,网孔,回路,1电路的主要物理量,一、电流及其参考方向,电流是电路中重要的基本物理量，它的大小用电流强度表示。,电流强度定义： 单位时间内通过导体横截面的电量。（或电流强度是电荷对时间的变化率）,（规定）方向：正电荷运动的方向为电流的方向。 国际单位：安培（A） 1KA=103A 1A=103mA 1mA=10
4、3A,提问： 1对于任意一个给定的电路我们是否都预先 知道导线中电流的流向呢？ 2是否需要先弄清电流的流向再进行计算呢？,采取方法： 1假定电流的参考方向（正方向）（用尖头表示） 2根据假定进行计算：,若,表示电流的真实方向与参考方向一致；,若,表示电流的真实方向与参考方向一致；,例：图中方框用来泛指元件，试分别指出图（a）（b）、（c）中电流的真实方向。,二、电压电位电动势及其参考方向,电压的定义： 电场中ab两点间的电位差定义为单位正电荷由a点经任意路径移到b点时电场力所作的功。 在电路理论中，将作如下表达： 在电路中ab两点间的电压定义为单位正电荷在电场力的作用下由a点经任意路径运动到b
5、 点时，该电荷所失去（转换）的能量或说该段电路所吸收的能量。,dq通过该段电路的电荷量。 dwAB为该电荷所失去的能量或该段电路 吸收的能量。,国际单位：伏特（V） 单位换算： 1KV=103V 1V=103mV 1mV=103V,电位的定义： 电场中某点a的电位是单位正电荷由该点经任意路径移至无穷远处时电场力所作的功。 （理论上） 将单位正电荷由某点a经任意路径移至参考点时电场力所作的功。,注意：,1电位的值与参考点选择有关，电位差与参 考点的选择无关。 2理论上V=0 ，实际V大地（设备外壳）=0,3,表示A点电位高于零电位点,表示A点电位低于零电位点,提问：在电路中，每个元件两端的电压极
6、 性是否已知？,采取方法： 1假定电压的参考方向（参考极性） （有几种表示方法） 2根据假定进行计算,若:,表示电压的真实方向与参考方向一致,表示电压的真实方向与参考方向相反,电压参考方向的三种表示法： 1箭头表示 2正负号表示 3双下标表示,uab,K,F_静电力(阻碍电荷向 正极板运动,F非静电力,F_非静电力 (移送电荷向正极板运动,电动势 在电场力的作用下正电荷一般总是从高电位向低电位运动，为了形成连续的电流，电源中正电荷必须从低电位移向高电位，将正电荷从低电位移向高电位非静电力能完成，只有非静电力才能完成。,电源就是提供非静电力的装置,非静电力的产生： 1在电池中的非静电力由化学作用
7、产生 2在发电机中非静电力由电磁感应产生,定义： 非静电力将单位正电荷从电源内部负极端移向正极端所作的功为电源电动势,三、电功率和电能,问题的引入： 在许多电气设备中，所需要的并不是电流本身，而是伴随着电流电压的电场能量因为电能可以转化为热、机械能、光能、化学能等。,若正电荷从a到b时若电场力作正功为：,单位时间内这部分电路所吸收的电能叫做这部分 电路吸收的电功率,（此时Uab与i为关联参考方向）,功率的计算,0 表示该电路或元件吸收（消耗）能量,0表示该电路或元件释放（产生）能量,注意： 1正负号问题 2对计算结果的解释,例题：求图示电路吸收的功率 （a）当U=10V，I=3A时 （b）当U
8、=4V，I=4A时 （c）当U=4V，I=2A时 （d）当U=6V，I=4A时,解：,(a),(b),(c),(d),例题2：求图示电路中电流大小和方向,（A）吸收功率72W； （B）提供功率100W； （C）吸收功率60W； （D）提供功率30W。,解：,(A),(B),(C),(D),实际方向与参考方向相同,实际方向与参考方向相同,实际方向与参考方向相反,实际方向与参考方向相反,电能的计算,对直流：W=Uab I（t2-t1）,1-4电阻和欧姆定律,1-3 电阻元件,问题的引入： 电阻元件是电路中最重要的元件之一，它是从实际的电阻器抽象出来的，它是一个耗能元件。,电阻元件,一、电阻元件 1
9、.电阻是表示导体对电流的阻碍能力。 2.电阻的单位：1欧姆()=1伏特(V)/1安培(A) 1千欧(K)=1000欧()=103 1兆欧(M)=106,金属导体的电阻 式中 L导体的长度(米)； S导体的截面积(平方毫米)； 电阻率(欧.平方毫米/米)。 金属导体的电阻与温度的关系 R2=R1+R1(t2-t1） 式中 R1 温度为 t1时的电阻值； )） R2 温度为 t2时的电阻值； 温度系数。,表示元件特性的数学关系元件约束,电路中电阻元件的特性可以用元件中的电流和端电压表示的关系来表示（即：电压电流的关系VCR或VAR）,定义： 如果一个二端元件，通过它的电流与端电压的关系即伏安关系（
10、VCR|在ui平面上是通过坐标原点的一条直线，直线的斜率就是元件的参数电阻R，这种元件称为线性电阻元件。,非线性电阻,线性电阻,电阻的分类,线性电阻,线性电阻,非线性电阻,压敏电阻避雷器,二、欧姆定律 欧姆定律是1827年物理学家通过实验发现了线性电阻元件的端电压与通过电流之间的关系,（其比值为常数）,由于在电阻中电流电压的方向总是一致的即：电流总是从高电位点流向低电位点,当 u、i为关联参考方向时：,i,+,若：,i0 则有u0 (合符实际）,若：,i0 则有u 0(合符实际）,当 u、i为非关联参考方向时,若：i0,若：i0 则有u0,故：,注意的问题：,1. 公式前面的正负号取决于电压电
11、流的参考方向是 否关联,2. 电压u、电流i本身可正可负,表示导体的导电性能。单位：西门子（S）,伏安关系的另一种表示：,电导：,三、全电路的欧姆定律 EU+U内IR+Ir内,四、电路的三种工作状态 1.开路工作状态 2.负载状态 3.短路状态,1-5 基尔霍夫定律,电路综合（根据对电路性能的要求确定电路的 结构和元件 应具备的特性）,电路分析（已知电路的结构及内部参数，求解各部分的电 压和电流及功率）,怎样求出各部分电压和电流呢？,求解电路有很多方法，但是所有的电路分析的方法的基本依据都来源于电路两个方面的规律,元件约束（组成电路的各元件各方面的规律即元件端 钮ui关系，该规律只决定于元件本
12、身的性 质，与电路的连接状态无关（欧姆定律）,拓扑约束（与各元件的连接状况有关，与组成电路 的各元件的性质无关即（基尔霍夫定律),1基尔霍夫电流定律KCL（Kirchhoff s current Law）,基尔霍夫定律是反映电路中汇集于任一节点的各支路电流之间的相互关系的规律。,对于任一电路中任一结点，在任时刻流入（或流出）该结点上各支路电流的代数和恒等于零,数学表达式：,（约定出为正，入为负）,另一种表述：流入该节点电流的总和等于流出该节点电流的总和,物理实质：电流的连续性原理,由KCL：,表示：i4的真实方向与参考方向相反。,注意,运用KCL时要涉及两套符号,一套：KCL方程中各项电流i前
13、面的正负号， 取决于选定的电流是流出还是流入节 点。（出、入符号相反） 另一套：电流I本身数值的正负号，取决于实际的电流方向与其参考方向 是否一致。,推广：KCL适用于任何封闭面,已知：i1、i2、i3,求：i4,封闭面,思考：I1=？，I2=？,设备1,设备2,I1,I2,2基尔霍夫电压定律 KVL（Kirchhoff s Voltage Law）,基尔霍夫电压定律是反映电路任一回路中各支路电压之间相互关系的规律。,任一时刻，沿任一回路的各支路电压的代数和恒等于零。,数学表达式,物理实质：能量守恒,由KVL,黄绕向,红绕向,（实质相同）,总 原 则 电 压 降 取 正 ， 电 压 升 取 负
14、,由VCR：,黄绕向,注意：运用KVL时要涉及两套符号： 一套： KVL方程中各项电压u前面的正负号,取决于参考方向对绕向而言 的升降（降取正，升取负） 另一套： 电压u自身内含数值的正负号，取决于实际方向与参考方向是否一致。,原则：降取正，升取负。,电阻电路的计算,串联电路 1.流过各电阻的电流相同。 2.总电压等于各电阻上的电压降之和： UU1+U2+U3 3.等效电阻RR1+R2+R3 4.各电阻的电压与各自电阻值成正比： U1：U2：U3R1：R2：R3 5.各电阻的消耗功率与各自电阻阻值成正比： P1：P2：P3R1：R2：R3 分压公式：U1U R1 （R1+R2） 串联电路串,并
15、联电路 1.各并联支路两端的电压等于外加电压：UU1U2 2.总电流等于各支路电流之和： II1+I2 3.等效电阻（两个电阻并联为积被和除） 4.流过各电阻的电流与各自阻值成反比. 5.各电阻的消耗功率与各自电阻阻值成反比： P1：P2：P31R1：1R2：1R3 分流公式：I1IR2（R1+R2）,压,熔断信号器,磁场基本概念,通电直导线的磁场 通电螺线管线圈的磁场,I,N,S,磁场基本定律,载流导体在磁场中电磁力的方向左手定则(电动机定则) 平行载流导线间的相互作用力,直导线感应电势的方向,右手定则(发电机定则) 线圈感应电势的方向 楞次定律,自感,自感现象 互感现象,涡流,涡流产生的原因 减小涡流的方法 铁损：涡流和磁滞的总损耗 磁滞损耗 ：是铁质物质在交流电流作用下反复磁化造 成的损失。,
