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1、航海电工基础,第一章 电路的基本概念与基本定律,电路的组成与电路模型 电路中主要物理量的表示方法 欧姆定律 基尔霍夫定律 叠加原理 戴维宁定理,电路是电流的通路，连续电流的通路必须是闭合的。,电路的作用: 实现电能的传输和转换传递和处理信号,第一节 电路的基本概念与基本定律,传输装置：中间环节，起传输和分配电能的作用，例如开关、传输线等。,实现电能的传输和转换,变 电 站,输 电 线,传递和处理信号,声音信号 图象信号 测量信号或控制信号,放大器,话筒,扬声器,计算机的声卡,电路的组成,电路一般由电源、负载和中间环节组成。 电源：如发电机、电池等，电源可将其它形式的能量转换成电能，是向电路提供
2、能量的装置。 负载：指电动机、电灯等各类用电器，在电路中是接收 电能的装置，可将其它形式的能量转换成电能。 中间环节：将电源和负载连成通路的输电导线、控制电路通断的开关设备和保护电路的设备等。,电路=电源+中间环节+负载,电力系统： (发电机)+(变压器、输电线)+(电炉、电动机) 扩音机： (话筒) + (放大器) + (扬声器),电路模型,实际电路都是由一些实际的元器件所组成。在分析电路时，我们要对实际电路元件理想化，即在一定条件下，突出其所表现的主要的电磁特性，而忽略其次要因素。如R、L、C等。 理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。,电源,负 载,负载,实体电路,S,中间环节,电路
3、模型,实际电路元件的电特性是多元的、复杂的,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略,白炽灯的电路模型可表示为：,理想电路元件的电特性是精确的、唯一的。,理想电路元件又分有有源和无源两大类,电阻元件,电容元件,理想电压源,理想电流源,无源二端元件,有源二端元件,电感元件,主要的物理量: 电流电动势电压电位电功率电能,第二节 电路中主要物理量的表示方法,电荷的定向移动形成电流。 电流的大小用电流强度表示，简称电流。 电流强度等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。 大写I表示直流电流，小写i表示电流的一
4、般符号。,电流,电流的单位及换算：1A=103mA=106A=109nA,电压是电路中产生电流的根本原因。 电压等于电路中两点电位之差。 电路中a、b两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。 大写U表示直流电压，小写u表示电压的一般符号。,电压,电压的单位及换算：1V=103mV=10-3KV,用另一种力去克服电场力而使b端的正电荷移至a端。电源中必须具有这种力电源力(非静电力)。电动势Eab的数值等于电源力把单位正电荷从电源的低电位b端经电源内部移到电源高电位b端所作的功。电动势的实际方向是由电源低电位端指向电源高电位端。 电动势与电压的单位相同,为伏特(V)。,电动势,电
5、路中物理量的方向,物理量的方向：,物理量的实际方向,物理量实际方向的表示方法,+,_,物理量方向的表示方法,电压的方向箭头和正负号是等价的,只用其中之一。,电路分析中的参考方向（假设方向）,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,(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，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。,(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；,5A,5A,若 U或 I 0
6、,若 U或 I 0,表示实际方向于设定的参考方向相同,计算中电压或电流有正负,表示实际方向于设定的参考方向相反,U或 I的符号表示方向,当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。,电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、“”外，还可用双下标或箭头表示,原则上：任意假定。,例： 当ua =3V ub = 2V时,u1 =1V,u2=1V,求得的u1为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致；,求得的u2为负值，说明电压的实际方向与参考方向相反。,电流电压的关联参考方向,当a、b两点间所选择的电压参考方向由a指向b时，也选择电流的参考方向经电路由由a指向b，这种参
7、考方向的定义成为关联参考方向。,电流电压的关联参考方向,关联参考方向下：U=IR,非关联参考方向下：U=IR,U=2.8V,I=0.28A,如图所示,E=3V,电动势为E=3V 方向由负极指向正极,电压为U=2.8V 由指向 电流为I=0.28A 由左流向右 其参考方向为关联参考方向。,电阻,电源,例题1,电功率,功率的概念：设电路任意两点间的电压为 U ,流入部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:,在 U、 I 正方向选择一致的前提下：,“吸收功率”（负载）,“发出功率”（电源）,若 P = UI 0,若 P = UI 0,当计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向一致，
8、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。,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,或者表示为：,欧姆定律的单位：在SI中，电阻为欧姆()或者为千欧(k) 、兆欧(M),第三节 欧姆定律,设参考方向的情况下欧姆定律的写法,I与U的参考方向一致,U = IR,I与U的参考方向相反,U = IR,关联参考方向,非关联参考方向,应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。,例题 2
9、,对于(a)图,对于(b)图,例题 2 分析,对于(c)图,对于(d)图,例题 2 分析,计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V,解：a点电位比b点电位低12Vn点电位比b点电位低7V m点电位比b点电位高3V 于是：n点电位比m 点电位低 7+3=10V 即 Unm =-10V,例题 3,第四节 电路的几种工作状态,最简单的电路为直流电路，本节讨论电路的有载状态、开路状态和短路状态，所讨论的内容有电流、电压及功率等方面的特性。,本节讨论问题的理论依据是欧姆定律,如图电路：,E 为电源的电动势,U 为电源的端电压,R0 为电源的内阻,R 为电路负载电阻,特征,开路状态,I=0,P=0,U=E
10、=U0（开路电压）,相当于外电路的电阻为无穷大,电源不输出功率,特征,U=0,I=IS=E/R0,PE=P=R0I2，P=0,短路通常是一种严重事故，应该尽力预防。,短路状态,电路中电流很大,电源产生的功率全部消耗在内阻上,有载工作状态,当开关闭合，电源与负载接通，即电路处于有载工作状态。,电路中的电流为 I=E/(R0+R),负载电阻两端的电压为 U=IR,当电源电动势E和内阻R0一定时负载电阻R愈小，则电流I愈大。,或写成 U=E-IR0,可见电源端电压小于电动势，二者之差为电源内阻的电压降IR0 即 U=E-IR0 为电源外特性关系式,有载工作状态,一般常见电源的内阻都很小当R0R时，则
11、 U E 此时当电流(负载)变动时，电源的端电压变化不大。,有载工作状态（功率平衡式）,由 U=E-IR0 得： UI=EI-I2R0,负载吸收的功率,电源产生的功率,电源内阻上损耗的功率,例题,R01,E1,U,I,已知:电路中，U=220V，I=5A，内阻R01= R02= 0.6。 求:(1)电源的电动势E1和负载的反电动势E2；(2)说明功率的平衡关系。,R02,E2,解：,R01,E1,U,I,(1) 对于电源U=U1-U1= U1-IR01即 U1 =U +IR01=220+50.6=223VU=U2+U2= U2+IR02即 U2 =U -IR02=220-50.6=217V,R
12、02,E2,U1,U2,E2 =217V,E1 =223V,(2)由上面可得:U1 I+ U2 I +I2R01+I2R02 =0 代入数据有-223 5+217 5+52 0.6+ 5+52 0.6=0-1115W+1085W+15W+15W=0,其中U1I是电源产生的功率；U2I是负载取用的功率；I2R01是电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源(负载)内阻上损耗的功率。 可见电路具有功率平衡特性。,电源,负载,U1,U2,P0电源,P0负载,有载工作状态（电气设备的铭牌）,电气设备或元器件的标定值通常标注在其铭牌上或记载在说明书中，这些标定值都是给定的额定值，如UN表示额定电压、
13、IN表示额定电流、PN表示额定功率。在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。例如：一只220V，40W的白炽灯，正常工作的电流为 I=40/220=0.182A，24小时消耗电能W = P t = 4024=96Wh。,有载工作状态（电路中的额定值：P6）,额定电流额定电压额定运行额定功率,P6、P7:,例题1-3. 例题1-4. 例题1-5. 例题1-6.,【思考与练习】,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
14、或 P= U2/R,【思考与练习】,有一台直流发电机，其铭牌上标有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。,第五节 基尔霍夫定律,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,
15、其中包括克氏电流和克氏电压两个定律。基尔霍夫电流定律（节点电流定律）基尔霍夫电压定律（回路电压定律）,名词注释：,一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为支路电流。,图中的ab、acb及adb共3条支路。,图中的I1、I2及I3共3个电流。,图中共有a、b 两个结点。,如图电路: adbca、abca 和 abda 共三个回路。,支路：共3条,回路：共3个,结点：a、b(共2个）,例,例,支路：共 ？条,回路：共 ？个,结点：共 ？个,6条,4个,独立回路：？个,3个,有几个网眼就有几个独立回路,7个,定律(1)KCL,KCL 也可表述为，在任一瞬时，流入某一结点的电流代数和恒为零。,如图对于结点 a ： 流入电流 = 流出电流 I1 + I2 = I3 或 I1 + I2 - I3 =0,基尔霍夫电流定律：在任一瞬时，流进某一结点的电流之和等于由该结点流出的电流之和。,流入为正 流出为负,由此，KCL亦可表示为：,定律(1)KCL,如图：3个电阻的结点A、B和C可看成为广义结点。,A,B,C,IAB,ICA,IBC,IA,IB,IC,对于结点A、B及C，可分别列出KCL方程：,基尔霍夫电流定律的扩展,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I1+I2+(-I3)=0,I=0,基尔霍夫电流定律的扩展,
