电路的组成与基本物理量

学习目标

• 了解电路基础知识
• 了解电磁感应和磁路的基本知识
• 了解交流电的基本物理量、三相交流电路的基本知识
• 了解电子技术基本常识

电路的组成及作用

什么是电路?

• 马行走在小路上
• 小船行使在水中
• 水从管中流出

定义: 电流流过的途径简称电路。
广义:为了某种需要,将电气设备和电子元器件按一定方式链接起来的电流通路。

电路的组成

电源: 能将其它形式的能量转换成电能的设备

负载: 消耗电能的所有电器及电子设备

中间部分: 控制及连接部分（如导线、开关等）

电路的基本作用

1. 实现电能的传输与转换
2. 传递和处理信号

电路的工作状态

• 有载
  电源与负载构成闭合回路, 电源处于有载工作状态, 电路中有电流流过。

• 短路
  当 a、b 两点间用导线相连时, 称电阻R被短路。a、b 间导线称为短路线, 。

  注: 短路可分为有用短路和故障短路，故障短路往往会造成电路中电流过大，使电路无法正常工作，严重的会产生事故。

• 开路
  开关S断开或电路中某处断开, 切断的电路中没有电流流过, 此时的电路称为开路。开路又叫断路。

  注:开路也分为正常开路和故障开路。如不需要电路工作时,把电源开关打开为正常开路;而灯丝烧断,导线断裂产生的开路为故障开路,它使电路不能正常工作。

电路的基本物理量

什么是电流?

• 车的定向运动形成车流
• 水的定向运动形成水流
• 人的定向运动形成人流

电流、电压、电位、电动势、电阻

电流

电流的定义

电荷在电场力的作用下定向运动

• 金属导体 -- 自由电子
• 电解液 -- 正、负离子
• 电荷的热运动,从宏观上看,不能形成电流

电流特点

• 电流是一个矢量，既有方向又有大小。

• 方向: 正电荷运动的方向。

• 大小: 用电流强度表示, 电流强度是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。

  电流强度常简称为电流。

电流基本分类

根据电流的大小和方向随时间变化情况可分以下两类：

1. 恒定电流
   大小和方向都不随时间变化的电流，简称直流（DC）。

2. 交变电流
   电流在一个周期内平均值不为零，称为交变电流（AC）。

电流公式及单位

交流

直流

其中，( Q ) 为电荷量，单位为库仑（ C ）；( t ) 为时间，单位为秒（ S ）

• 电流单位: 安培（A）
• 常用单位：千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）
• 1A = 1000mA, 1kA = 1000A , 1mA = 1000μA

法国物理学家

电压

电压的形成

电压的定义

物体带电后具有一定的电位,在电路中任意两点之间的电位差,称为该两点的电压。

电压公式及单位

其中，( Q ) 为电荷量，单位为伏特（ V ）；( W ) 为电场力所做的功。

• 单位: 伏特（V）
• 常用单位: 千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）
• 1KV = 1000V 1V = 1000mV 1mV = 1000μV

意大利物理学家

电位

电位的定义

在电路中任选一点为参考点，则该点到参考点的电压称为电位。

电位是一个标量，单位是伏特（ V ）。

电位与电压的关系：两点间的电压是该两点电位之差。

电位的参考方向

01	02
电位随参考点不同而改变	高电位指向低电位

电动势

电动势的定义

一个电源能够使电流持续不断沿电路流动,就是因为它能使电路两端维持一定的电位差.这种电路两端产生和维持电位差的能力就叫电源电动势。

电动势公式及单位

单位: 伏特（V）
计算公式:

其中 A 为外力所作的功, Q 为电荷量, E 为电动势。

电阻

电阻的定义

自由电子在物体中移动时受到其他电子的阻碍，表现出来的阻碍称为电阻。

电阻公式及单位

• 单位: 欧姆（Ω）
• 常用单位：千欧（KΩ）、兆欧（MΩ）
• 1KΩ = 1000Ω，1MΩ = 1000KΩ

电阻公式:

其中 L 为导体长度, s 为截面积, 为材料电阻率,例如:铜=0.017,铝=0.028。

欧姆定律

表示电压、电流、电阻三者关系的基本定律。

电路中电流与电压、电阻成正比。

部分电路欧姆定律:电路中通过电阻的电流,与电阻两端所加的电压成正比,与电阻成反比,称为部分欧姆定律

电阻的串联

定义: 两个或两个以上负载首尾依次相连,使电流只有一条通路的电路称为电阻的串联。

• 流过各电阻的电流相等,即

• 电路总电阻R等于各串联电阻之和,即

• 电路总电压U等于各电阻的分电压之和,即

电阻的并联

定义: 两个或两个以上电阻的首尾两端分别接在电路中相同的两节点之间,使电路同时存几条通路的电路称为电阻的并联电路。

• 各电阻两端电压相等,即
• 电路中的总电流|等于各电阻中的电流之和,即
• 电路中的等效电阻R(即总电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数之和,即:

有功功率、无功功率、视在功率、功率因素

什么是有功功率、无功功率、视在功率、功率因数?

有功功率

电路从电源吸收的净功率,就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。

单相电路中有功功率等于电压有效值、电流有效值和功率因数的乘积。 即:

三相对称交流电路中的有功功率用

无功功率

交流电网中,由于有阻抗和电抗(感抗和容抗)的同时存在,电感和电容所储的电能仍能回输到电网,这部分功率在电源与电抗之间进行交换,交换而不消耗,称为无功功率

三相对称交流电路中的无功功率用

视在功率

在交流电网中,如负载是纯电阻,电压和电流是同相位,那么电压和电流的乘积就是有功功率,但在有电感或电容的电路中,电压和电流有着相位差,所以电压和电流的乘积并不是负载电路实际吸收的电功率,而是表面上的数值,叫做视在功率。

三相对称交流电路中的视在功率S=√3UI

功率因数

有功功率与视在功率的比值就是功率因素:

介绍几个电路名词

• 中点:联结三相绕组末端的节点N称为中点。
• 中线:从中点引出的输电线称为中线,又称地线或零线。
• 端线:从始端引出的输电线称为端线,俗称火线。
• 线电压:端线之间的电压(火线与火线之间的电压)380V。
• 相电压:端线与中线之间的电压,(火线与零线之间的电压)220V。

交流电

交流发电机结构

交流电由交流发电机产生。交流发电机通过。

交流电分类

• 正弦交流电: 电流（或电压、电动势）随时间按正弦规律变化。

• 非正弦交流电: 电流（或电压、电动势）随时间不按正弦规律变化。 ▲ 不是正弦波 ▲ 按周期规弹变化

正弦交流电物理量

正弦量的三要素

瞬时值

正弦量是变化的量，它在任一瞬间的值。

用小写字母表示，如电压 ( u )。

最大值

正弦量在变化过程中的最大瞬时值，又称为幅值、振幅或峰值。

用带有下标“ m ”的大写字母表示，如电压最大值 ( U_m ) 。

有效值

通常表示一个正弦量的大小。

频率

正弦交流电每秒内变化的次数。

用 ( f ) 表示，单位是赫兹 ( Hz )。

周期

正弦交流电变化一次所需的时间。

用 ( T ) 表示，单位是秒 ( s )。

显然频率和周期互为倒数,即

角频率

正弦量每秒钟相位角的变化，正弦交流电一个周期变化 360°，即 ( 2\pi ) 弧度.

人们把它在单位时间内变化的弧度数称为角频率。

用 ( \omega ) 表示，单位是弧度每秒 ( rad/s )。

它与频率、周期之间的关系为

例 1

已知我国工频电源的频率为 ( f = 50 , \text{Hz} )，则可以求出其周期和角频率？

解：

• 周期 ( T )：

• 角频率 ( \omega )：

例 2

已知某交流电的频率 ( f = 60 , \text{Hz} )，求它的周期 ( T ) 和角频率 ( \omega )？

解：

• 周期 ( T ):

• 角频率 ( \omega )：

相位

正弦量的波形是随时间 ( t ) 变化的。电压 ( u ) 的波形起始于横坐标 ( \phi_u ) 处，对应的三角函数表达式为：

其中，( \omega t + \phi_u ) 称为相位角，简称相位。

初相位

( t = 0 ) 时的相位 ( \phi_u ) 称为初相位，简称初相，它反映了正弦量计时起点初始值的大小。

初相为正弦曲线由负变正时所经过的零值点到坐标原点的弧度，满足 ( |\phi_u| \leq \pi )。

提示

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三相交流电功率

三相交流电具有更高的效率，常用于大规模电力输送。

如何进行三相交流电路有功功率的计算

三相交流电路总功率的计算也可以每一项功率求和，也就是p1p2p3相加。

若三相负载平衡，则可转换成

• 若负载为星形接法

• 若负载为三角形接法

结论：

无论是星形接法还是三角形接法公式均为