电工基础知识Word版.doc
《电工基础知识Word版.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电工基础知识Word版.doc(121页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第一部分电工基础知识1 / 121第1章电路的基本概念与基本定律电路是电工技术和电子技术的基础,学好电路,特别是掌握电路的分析方法,对后面所要学习的电子电路、电机电路及电气控制、电气测量打下坚实的基础。本章主要介绍电路模型和各种电路理想元件,其中包括电压和电流参考方向的概念、欧姆定律、基尔霍夫电流电压定律。1.1电路与电路模型电路是电流流通的路径,是为某种需要由若干电气元件按一定方式组合起来的整体,主要用来实现能量的传输和转换,或实现信号的传递和处理。 电路的结构形式,按所实现的任务不同而多种多样,但无沧是哪种电路,均离不开电源、负载和必要的中间环节这三个最基本的组成部分。 电源是提供电能的设
2、备,如发电机、电池、信号源等。 负载就是指用电设备,如电灯、电动机、空调、冰箱等。 中间环节是用作电源与负载相连接的,通常是一些连接导线、开关、接触器等辅助设备。图1.1.1是电路在两种典型场合的应用。图(a)是发电厂的发电机把热能、水能或原子能等转换成电能,通过变压器、输电线路等中间设备输送至各用电设备;图(b)通过电路把所接收的信号经过变换(放大)和传递,再由扬声器输出。扬声器话筒放大器(a)电力系统其它中间环节用电设备降压变压器扬压器升压变压器发电机图1.1.1 电路在两种典型场合应用示意图无论是电能的传输和转换电路,还是信号的传递和变换电路,其中电源或信号源的电压、电流输入称为激励,它
3、推动电路工作;激励在电路各部分所产生的电压和电流输出称为响应。分析电路,其实质就是分析激励和响应之间的关系。 在电路分析中用电流、电压、磁通等物理量来描述其工作过程。然而,实际电路是由电工设备和器件等组成,它们的电磁性质较为复杂,难以用精确的数学方法来描述。因此,对实际电路的分析和计算,需将实际电路元件理想化(或模型化),即在一定条件下突出其主要的电磁性质,忽略次要因素,将它近似地看作理想元件。 如电炉通电后,会产生大量的热(电流的热效应),呈电阻性,同时由于有电流通过还要产生磁场(电流的磁效应),它又呈电感性。但其电感微小,是次要因素,可以忽略,因此可以理想化地认为电炉是一个电阻元件,用一个
4、参数为R的电阻器件来表示。SI 对实际电路分析,就是在一定条件下将实际元器件理想化表示,即将电路中元器件看作理想元件,所组成的电路称为电路模型,也简称为电路。这是对实际电路电R+磁性质的科学抽象和概括。在今后学习中,我们所接触的电阻元件、E电感元件、电容元件和电源元件等,若没有特殊说明,均表示为理想_元件,分别由相应的参数来描述,用规定的图形符号来表示。 如常用的手电筒,其电路模型如图112所示,实际电路中白炽灯是电阻元件,其参数为电阻R,干电池是电源元件,其参数为电动势E(对于干电池一般在考虑其电动势外,还要考虑其本身的内阻,在本例中,干电池的内阻阻值与白炽灯的阻值相比,是次要因素,忽略不计
5、了,故将干电池理想化为无电阻的电源元件),干电池与白炽灯的连接还有筒体和开关,其电阻微小忽略不计,认为是一个无电阻的理想导体。12电流和电压的参考方向 尽管从物理课程中已经学过,在分析电路时,当元器件中有了电流通过,其流动方向总是从高电位一端流向低电位的一端,这是电流流动的实际方向;或者当知道了电流流动的实际方向,也能判别出元器件两端的电位高低。然而,当分析较为复杂电路时,往往很难知道电流的实际流动方向,特别是交流电路,由于电流的实际流动方向随时间变化,其实际流动方向难以在电路中标注。因此,引人了电流“参考方向”的概念,这是分析和计算电路的基础。 电流的实际方向是指正电荷运动的方向或负电荷运动
6、的反方向。 电流的参考方向是指在分析与计算电路时,任意假定某一个方向作为电流的参考方向。当所假定的电流方向与实际方向一致时,则电流为正值(I0);所假定的电流方向与实际方向不一致时,则电流为负值(IO)。町见,参考电流的值是个标量,有正负之分;只有参考方向被假定后,电流的值才有正负之分。 电压在分析电路时也有方向性,电压的方向规定为从高电位端指向低电位端,即电位降低的方向。电压参考方向和电流参考方向一样,也是任意指定,分析电路时,假定某一方向是电位 4电源电动势的方向规定为在电源内部由低电位(“- ”极性)端指向高电位(“+”极性)端,其参考方向的选定与电流电压参考方向选定相同。降低的方向,如
7、所假设的电压方向与实际方向一致时,则电压为正值(U)0);电压参考方向与实际方向不一致时,则电压为负值(U0)。因此,参考电压的值也是个标量,有正负之分;只有参考方向被假定后,电压的值才有正负之分。在电路中所标注的电流、电压方向,通常均为参考方向,它们的值为正,还是为负,与所假定的参考方向有关,见图1.1.3和图1.1.4所示。ba电流的实际方向电流的实际方向ab电流的参与方向电流的参与方向I 0图1.1.3 电流参考方向与实际方向+ 电压的实际方向 -+ 电压的实际方向 -+ 电压的参考方向 -+ 电压的参考方向 -abbaU0图1.1.4 电压参考方向与实际方向 电压的参考方向除可以用“+
8、一”极性表示外,还可以用双下标表示。,如,a、b两点间的电压Uab,它的参考方向是由a指向b,即a点的参考极性为“+”,b点的参考极性为“一”;若参考方向选为b指向a,则为Uba,Uba=-Uab。电流的参考方向用箭头标注,也可用双下标表示。如Iab表示电流的参考方向是由a点流向b点。 【练习与思考】 l.2 图1.1.5(a)巾,已知Uab=一6 v;问。、b哪点电位高? 2.2 图1.l.5(b)中,以h点为参考电位,求其它两点的电位。2.3 图1.l.5(c)中,U1=一4 V,U2=一2 V,求Uab=?51.3.1 欧姆定律1 31欧姆定律 流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比
9、这是欧姆定律的基本内容。欧姆定律是电路分析中,最基本、最重要的定律之一。在图l.1.6电路中,欧姆定律可表示为下式U/I=R (1.3.1)I_I+ I+ 式中R为电路中的电阻。UUU 由上式可见,如果电阻固定,则电流的大小与电_压成正比;如果电压固定,电流的大小与电阻成反+ 比,它反映电阻对电流起阻碍作用。 在电路图中,由于所选电流、电压参考方向的不(b)(c)(a)同,欧姆定律的表达式中可带有正负号,当电压和电图1.1.6 欧姆定律流的参考方向一致时如图1.1.6(a)所示,则得 U=RI (132) 当电压和电流的参考方向不一致时如图11_6(b)和图116(c)所示,则得 U=-RI
10、 (1 33) 式(132)和式(133)中的正、负号是由于选取的电压和电流的参考方向不同而得出的,此外还应注意电压、电流其值本身也有正值和负值之分。 电阻的国际单位是欧姆()。当电路两端的电压为l V时,流过的电流是1 A,则该段电路的电阻阻值为1。电阻的单位除欧姆( )外,还有千欧(k)、兆欧(M),它们的换算关系为 1 k=1 000 =103 1 M=1 000 =106 电阻的倒数(1R),称为电导,用G表示,它的国际单位为西门子(s)。在电流、电压参考方向一致时,欧姆定律也可表示为 I=GU132伏安特性 欧姆定律是德国物理学家欧姆于1826年采用实验的方法得到的。式(1 31)
11、中表示了电流与电压的正比关系。欧姆定律中电阻的伏安特性同样也采用实验的方法测得,它表示两端的电压与流过电流的关系,以电压为横坐标,电流为纵坐标,电阻的特性是一条经过原点的直线,如图l 17所示。具有该特性的电阻称为线性电阻;u与I之间不具有图1. 17所示关系的,称为非线性电阻。如在本书后面所要介绍的半导体二极管,其正向电阻的伏安特性为一曲线(图6118所示),表明半导体二极管的正向电阻为非线性电阻(在本书中未加以说明的电阻均为线性电阻)。O UIIO U应该指出的是,欧姆定律只适用于线性电阻。【例1 31】如图l 19所示的电路,试应用欧姆定律求电路中的电阻R。【解】图1.1.9(a): R
12、U/I=10/2=5图l.1.9(b): R=-U/I=-10/2=5图1.1.9(c): R=-U/I=(-10)/2=5图1.1.9(d): R=U/I=(-10)/(-2)=5_I2AI2AI2AI2A+U10VU10VU10VU10VU10V+_+_图1.1.9 例1.3.1图【练习与思考】I3=3AI1=2Aa1.3.1计算图1.1.10中的两题d52caI+I2=1A4Uab10VR5Kb求:Uab? Ubc?Uca?b图1.1.10 练习与思考题图l.4 电源有载工作、开路与短路1.4.1 电源有载工作7前面主要介绍了不含电源的一段电阻电路(如图1.1.6所示),而实际分析、应
13、用的电路往往是含有电源的闭合电路。如图1111所示的电路是一个简单的电源有载工作电路,下面从这个简单的有源闭合电路出发,得出电源有载工作电路的常规分析方法。 图1111电路中,RL为负载电阻,RL为电源内阻,E为电源电动势。 1电压与电流 开关S闭合时,应用欧姆定律得到电路中的电流 IE/(R0RL) (141)和负载电阻两端的电压 U= RLI并由上面两式得出 U=E RLI (142)式(1.4.2)称为全电路欧姆定律。,其表示:电源端电压(U)小于电源电动势(E),两者之差等于电流在电源内阻上产生的压降(RoI)。电流越大,则端电压下降的就越多。IaUSEERLURoaIO图1.1.11
14、 简单的有源闭合电路图1.1.12 电源外特曲线 表示电源端电压U和输出电流I之间的关系曲线,称为电源的外特性曲线,如图1112所示。曲线的斜率与电源的R0内阻有关。电源的内阻一般很小,当R0 RL时,UE。 式(1.4 .2)表明当电流(负载)变动时,电源的端电压波动不大,同时也说明了它带负载能力强。反之,当Ro不能忽略时,电源的端电压随电流(负载)变化波动明显,说明它带负载能力弱。 2功率与功率平衡 对式(142)的各项均乘以电流,则得到功率平衡式 UI=EIRoI2 PPE一P (143)式中,PE=EI, 是电源产生的功率; P= RoI2,是电源内阻损耗的功率; P= UI, 是电源
15、输出的功率。 在国际单位制中,功率的单位是瓦特(w)或千瓦特(kw)。8在1 3节中介绍的欧姆定律其表示形式仅适用于不舍电源的一段电阻电路,故称为部分电路欧姆定律。【例1.4.1】 在图1.1.11所示的电路中,已知电源电动势E=220 V,内阻R0=10,负载RL=100 ,求:(1)电路电流I;(2)电源端电压U;(3)负载上的电压降;(4)电源内阻上的电压降。 【解】 (1)由式(1.4.1)得:I=E/( R0 + RL)=220/(10+100)=2 A (2)电源端电压U=E=220一lO2=200 V (3)负载上的电压降RLI=1002=200 V(4)电源内阻电压降R0I=l
16、002=20 VIE2+E1+【例l.4.2】 如图1113所示的电路中,已知+_+u=200 V,I=5 A,内阻R01= R02=05 。(1)求电U2R02R01U源的电动势E1和负载反电动势E2。(2)试说明功率_U1_的平衡。+ 【解】 (1)求电源电动势E1和负载反电动势E2负载电源 由U= E1一U1= E1一R01I,得图1.1.13 例1.4.2图E1=U+R01I=200+0.55=202.5 v 由U= E2+U2= E2+ R02I,得 E2=U- R02I =200-0.55=197.5V (2)求功率的平衡 由(1)可知 E1= E2+R01I+ R02I 等号两边
17、同乘以I,则得 E1I= E2I+ R01I2+ R02I2 20255 W=(197.55+O552+O 552)W 1 012.5 W=(9875+125+125)W其中,E1I =l 0125 w,是电源产生的功率; E2I =9875 w,是负载取用的功率; R01I2=125 w,是电源内阻上损耗的功率; R02I2 =12 5 w,是负载内阻上损耗的功率。 由上所述,可见在一个电路中,电源产生的功率和负载取用的功率及内阻的损耗功率是平衡的。 3电气设备的额定值 通常负载(例如电灯、电动机等用电设备)都是并联运行的。,由于电源的端电压是基本不变9的,所以负载两端的电压也是基本不变的。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电工 基础知识 Word
