电工-第1章
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第一章电路的基本概念与基本定律知识要点一、内容提要直流电路的基本概念和基本定理是分析和计算电路的基础和基本方法。
这些基础和方法虽然在直流电路中提出,但原则上也适用于正弦交流电路及其它各种线性电路。
并且,这些方法也是以后分析电子线路的基础。
本章重点讲述电路中几个基本物理量、参考方向、电路的工作状态及基本定律。
二、基本要求1.了解电路模型及理想电路元件的意义;2.能正确应用电路的基本定侓;3.正确理解电压、电流正方向的意义;4.了解电路的有载工作、开路与短路状态,并能理解电功率和额定值的意义;5.熟练掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点电位的方法。
三、学习指导本章重点讲述了三个问题:电压、电流和参考方向。
同时,对克希荷夫定律和电路中电位的概念及计算进行了详细的分析推导和计算。
虽然这些问题都比较简单,但由于它们贯穿电工学课程始终,所以读者应通过较多的例题和习题逐步建立并加深这些概念,使之达到概念清晰,运用自如灵活,能解决实际问题的目的。
1.1 电路的组成及作用在学习本课程中,首先应掌握电路的两大作用(即强电电路电的传输、分配和转换;弱电电路中是否准确地传递和处理信息),及其三大组成部分(即电源、中间环节、负载)。
要特别注意信号源与一般电源的概念与区别:信号源输出的电压与电流的变化规律取决于所加的信息;电源输出的功率和电流决定于负载的大小。
1.2 电路模型由理想电路元件组成的电路;其中理想电路元件包括电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。
电源的电压或电流称为激励;激励在各部分产生的电压和电流称为响应。
1.3 电路的几个基本物理量若要正确地分析电路,必须先弄清楚电路中的几个基本物理量。
因为电流、电压和电动势这些物理量已在物理课中讲过,但是本章主要讨论它们的参考方向(正方向)和参考极性。
在本章学习的过程中应注意两点:第一,在分析任何一个电路中列关系式时,必须首先在电路图上标明电压、电动势和电流的参考方向和参考极性;第二,考虑电压和电流本身给定的正负,即要注意两套正负符号。
三、习题详解1-1 图1-1所示电路中,已知A μ61.9,A μ3.0,A μ01.0521===I I I ,求电流43,I I 和6I 。
解 根据KCL ,图中对节点A 有 321I I I =+ 对节点B 有 543I I I =+ 对节点C 有 426I I I += 由以上三式可得:μA 31.0213=+=I I I μA 30.9354=-=I I I μA 60.9426=+=I I I1-2 图1-2所示电路中,已知A 1,A 5.0,A 3.0321===I I I ,求电流4I 。
解 根据广义节点的KCL ,对图中虚线有04321=+++I I I I得 A 8.1)(3214-=++-=I I I I负号说明4I 的实际方向与图示方向相反。
1-3 试求图1-3所示电路中的432,,U I I 。
解 根据广义节点的KCL ,对图中虚线方框有265I I I =+对于节点a ,根据KCL ,有231I I I =+对于回路abca ,根据KVL ,有024134=⨯-⨯+I I U由以上各式可求得A 52=I A 13-=IV 164=U1-4 求图1-4所示电路中A 、B 、C 各点电位及电阻R 值。
图1-1 题1-1图图1-2 题1-2图1Ω2解 由欧姆定律得A 5.01052==I由KCL 得A 5.55.06621=-=-=I I由广义节点的KCL 得A 13)76(3-=+-=I A 5.731-=+=I I I R可求得A 、B 、C 各点电位为V 3916550-=⨯++-=A VV 362750-=⨯+-=B VV 5.1113555031-=⨯+⨯-+-=I I V CV 5.7233-=⨯-=I V UC RΩ=--==67.95.75.72RRI UR1-5 求图1-5所示电路中A 点电位。
解 图中电路只有通过3V 电压源、1Ω、2Ω电阻的回路中有电流I ,其他支路没有电流通过。
根据欧姆定律得A 1123=+==R U I所以V 51161=⨯-=⨯-=I V V B A或V 5321632=-⨯+=-⨯+=I V V B A1-6 计算图1-6所示电阻电路的等效电阻R ,并求电流I 和5I 。
解 (1)首先从电路结构,根据电阻串联与并联的特征,看清哪些电阻是串联的,哪图1-3 题1-3图图1-5 题1-5图图1-6 题1-6图3些是并联的。
在图中,1R 与2R 并联,得Ω=112R3R 与4R 并联,得Ω=234R因而简化为图1-7(a )所示的电路,在此图中,34R 与6R 串联,而后再与5R 并联,得Ω=23456R ,再简化为图1-7(b )所示的电路。
由此最后简化为图1-7(c )所示的电路,等效电阻为Ω=++⨯+=5.13213)21(R(2)由图(c )得出A 25.13===R U I(3)在图(b )中,A 121334561212=+=+=R R U I应用分流公式可得A 311612121256346345=⨯+++=+++=I R R R R R I1—7 试求如图1-8所示电路中A 点和B 点的电位。
如将A 、B 两点直接联接或接一电阻,对电路工作有何影响?解 对于图中左侧回路有A 1812201=+=IV 818=⨯=A V同理,对图中右侧回路有图1-7 图1-6的简化电路4A 244162=+=IV 824=⨯=B V如将A 、B 两点直接联接或接一电阻,对电路工作不会有影响,因为这两点电位相等,不能产生电压,所以也就没有电流通过。
1—8 将如图1-9所示各电路变换成电压源等效电路。
(a ) (b ) (c )解 (a ),(b ),(c )的解分别见图1-10,1-11,1-12。
图1-9 题1-8图 图1-8 题1-7图图1-10 题1-8(a )的解图5图1-11 题1-8(b)的解图图1-12 题1-8(c)的解图1—9将如图1-13所示各电路变换成电流源等效电路。
(a)(b)(c)图1-13 题1-9图解(a),(b),(c)的解分别见图1-14,1-15,1-16。
61-10 在图1-17中,五个元件代表电源或负载。
电流和电压的参考方向如图中所示,今通过实验测量得知A 41-=IA 62=IA 103=I V 1401=U V 902-=UV 603=U V 804-=U V 305=U(1) 试标出各电流的实际方向和各电压的实际极性(可另画一图); (2) 判断哪些元件是电源,哪些是负载;(3) 计算各元件的功率,电源发出的功率和负载取用的功率是否平衡。
解 (1)各电流的实际方向和各电压的实际极性见图1-18。
图1-14 题1-9(a )的解图图1-15 题1-9(b )的解图图1-16 题1-9(c )的解图7(2)根据电压与电流的实际方向可判断元件是电源还是负载。
电源:电压与电流的实际方向相反,电流从“+”端流出,发出功率; 负载:电压与电流的实际方向相同,电流从“+”端流入,取用功率。
根据以上原则和图1-18中电压与电流的实际方向,可判断出图中:元件1、2是电源,元件3、4、5是负载。
(3)图1-17中,各元件的参考方向选择一致,可计算出各元件的功率为:W 560)4(140111-=-⨯==I U P 负值,电源,发出功率; W 540690222-=⨯-==I U P 负值,电源,发出功率; W 6001060333=⨯==I U P 正值,负载,取用功率;W 320)4(80144=-⨯-==I U P 正值,负载,取用功率; W 180630255=⨯==I U P 正值,负载,取用功率。
电路中的总功率:W 018032060054056054321=+++--=++++=P P P P P P表明电源发出的功率和负载取用的功率是平衡的。
1-11 有一直流电源,其额定功率W 200=N P ,额定电压V 50=NU,内阻Ω=5.00R ,负载电阻R 可以调节,其电路如图1-19所示。
试求:(1)额定工作状态下的电流及负载电阻;(2)开路状态下的电源端电压;(3)电源短路状态下的电流。
解 (1)额定电流A 450200===NN N UP I负载电阻Ω===5.12450I U R(2)开路状态下的电源端电压V 5245.05000=⨯+=+==I R U E U(3)电源短路状态下的电流A 1045.0520===R E I S1-12 一只W 8,V 110的指示灯,现在要接在V 380的电源上,问要串多大阻值的图1-17 题1-10图 图1-18 各电流的实际方向和各电压的实际极性图 图1-19 题1-11图8电阻?该电阻应选用多大瓦数的?解 电路中电流A 073.01108===UP I需串电阻Ω=-==6.3698073.011038000IU R需要的瓦数W 7.196.3698073.02020=⨯==R I P所以电阻应选用k Ω7.3、W 20的。
1-13 在图1-20的两个电路中,要在的V 12直流电源上使mA 50V,6的电珠正常发光,应该采用哪一个联接电阻?解 电珠的电阻Ω=⨯==-120105063NNI UR左图中:电珠上电流A 05.012012012=+=I承受电压V 612005.0=⨯==IR U右图中:电珠上电流A 033.0216012012=⨯+=I承受电压V 4120033.0=⨯==IR U由以上计算结果可见,要使mA 50V,6的电珠正常发光,应采用左图电路。
1-14 图1-21是电源有载工作的电路。
电源的电动势V 220=E ,内阻Ω=2.00R ;负载电阻Ω=101R ,Ω=67.62R ;线路电阻Ω=1.0l R 。
试求负载电阻2R 并联前后:(1)电路中电流I ;(2)电源端电压1U 和负载端电压2U ;(3)负载功率P 。
当负载增图1-20 题1-13图9大时,总的负载电阻、线路中电流、负载功率、电源端的电压是如何变化的?解 (1)电路中电流 并联前A 15.212.0101.02220201=++⨯=++='R R R EI l并联后A 502.041.02220//2021=++⨯=++=''R R R R EI l(2)电源端电压 并联前V 7.21515.21)101.02()2(11=⨯+⨯='+='I R R U l并联后V 21050)41.02()//2(211=⨯+⨯=''+="I R R R U l负载端电压 并联前V 5.21115.211012=⨯='='I R U 并联后V 200504)//(212=⨯=''="I R R U(3)负载功率 并联前kW 47.415.215.2112=⨯=''='I UP并联后kW 10502002=⨯=''"=''I UP由以上计算结果可见,负载电阻并联以后,总的负载电阻减小,线路中电流增大,负载功率增大,电源端和负载端电压减小。
图1-21 题1-14图。