电工电子技术基础第一章(课堂)

第1章电路基本理论及基本定律1.2电路的基本定律1.1电路的基本概念重点内容提要本章是电工技术全课程的基础，应深入理解，熟练掌握。1.1.1电路的组成及作用1.1.2电路模型1.1.3电路中的物理量1.1.4电源的三种状态1.1电路的基本概念电路是电流的通路，是为了实现某种应用目的,由电气设备或元件按一定方式连接而成的电流流通的整体。1.1电路的基本概念1.1.1电路的组成及作用电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传输和分配电能的作用电力系统示意图1.电路的组成发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线信号处理：放大、调谐、检波等负载接受和转换信号信号源:提供信息放大器扬声器话筒(1)实现电能的传输与转换(2)实现信号的传递与处理2.电路的作用扩音机电路示意图电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。电路分析：名词解释激励与响应:已知电路的结构和元件参数，讨论电路的激励与响应之间的关系称为电路分析。电池灯泡EIRU+_负载电源1.1.2电路模型实际电路由理想电路元件组成电阻电感电源电容电路模型一、电流、电压、电动势1.电流：单位时间内，通过某一导体横截面的电荷量。i=dq/dt（交流）I=q/t（直流）单位：安培2.电压：两点间的电位差uab=va-vb（交流）Uab=Va-Vb（直流）单位：伏3.电动势：电源力把单位正电荷从电源的低电位端经电源内部移到高电位端所作的功。e（交流）E（直流）单位：同电压1.1.3电路的基本物理量实际方向：正电荷移动的方向（A）kAmAμA高电位低电位实际方向：电位降落的方向（V）kVmVμV实际方向：电源驱动正电荷的方向低电位高电位问题的提出：在分析较复杂的直流电路时难于事先判断电流的实际方向；对于交流，电流方向随时间变化，电路如何求解？电流方向AB？电流方向BA？E1ABRE2IR二、电流、电压、电动势的参考方向u_+正负号abUab（高电位在前，低电位在后。）双下标箭头uab电压+-IR电流：在电路图中用箭头标出,也可用双下标表示,如Iab。2.表示方法：1.解决方法:(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；(2)根据正方向列写电路方程求解。RIURRIRURab假设:与的方向一致RIRU例RIRU假设:与的方向相反RIURRIRURab例如图所示，U1=-4V，U2=-2V，求Uab=？-ab+U1-U2+解Uab=Ua-Ub=U1-U2=-4-（-2）=-2(5)为了避免列方程时出错，习惯上把I与U的方向按相同方向假设。(4)方程式R=U/I仅适用于假设正方向一致的情况。(1)“实际方向”是物理中规定的，而“正方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意设设的。(2)在以后的解题过程中，注意一定要先设定“正方向”然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的。提示(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，表明实际方向与正方向一致。若计算结果为负，表明实际方向与正方向相反。2.电功率1）定义:单位时间内电能所作的功称为电功率,简称功率.p=ui三、电能和电功率1.电能10ddttWuqu(t)i(t)t返回当某元件的电压电流关联参考方向时有p=ui当某元件的电压电流非关联参考方向时有p=－uiabIUabIU返回*若求出的P0，说明元件在吸收功率，一定是负载，求出的P0，说明元件在发出功率，一定是电源。例1、在图示电路中,Uab=5V，I＝2A，求:(1)各个元件的功率;(2)这段电路上的总功率.返回注意：公式中的“+”、“-”号是由参考方向决定的。U、I数值本身还有“+”、“-”号。ABab1122221122225V2A10W5V2A10W10V2A20W21W4W24W16WEERRPUIPEIPEIPRIPRI解:(吸收）(吸收）(吸收）(吸收）（发出）Uab=5V，I＝2A○○○○A1Ω4Ω－+10VIR1R2E1E2B+－5V返回例2、图中五个元件代表电源或负载。参考方向如图所示。已知：I1=－4A、I2=6A、U1=140V、U2=－90V、U3=60V、U4=－80V、U5=30V。（1）试标出各电流和电压的实际方向；（2）判断哪些元件是电源，哪些是负载；（3）计算各元件功率。14523UI电流、电压同相——负载电流、电压反相——电源元件1、2——电源元件3、4、5——负载P1=－140V×4A＝－560WP2＝－90V×6A＝－540WP4＝80V×4A＝320WP5＝30V×6A＝180WP3＝(560+540－320－180)W＝600W返回四、电位１.电位的定义：任选电路中某一点作为参考点（设其电位为零），用接地符号“∣”表示，其它各点的电位则是指该点与参考点之间的电压，记为：“VX”（注意：电位为单下标）。Va=5Va点电位：ab15AVb=-5Vb点电位：ab15A电位的特点：电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电压的特点：电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。2.电位和电压的区别。3.电路的简化E1+_E2+_R1R2R3R1R2R3+E1-E2∣电路的简化：与参考点相联的电源符号可以省略，用其另一端与参考的电位表示R1R2+15V-15V参考电位在哪里？R1R215V+-15V+-思考以下图为例求A、B、C点的电位。ABC+R1-E1R3R2+-E2已知:R1=4Ω，R2=2ΩR3=1ΩE1=6V，E2=3V＋－＋－e5V4Vabcd3Ω2Ω4Ω电路中电源的习惯画法与参考点相联的一端不画，另外一端标出极性，写出电位值。如图+5V－4V9Ωad返回＋－＋－e5V4Vabcd3Ω2Ω4Ω9V9Ωa返回5kΩ+12V5kΩS10kΩBA例1求S闭合和断开时A、B点的电位＋－12VA10kΩ5kΩB5kΩSS打开时UA=UB=12VS闭合时UA=UB=(12/15)×5V=4V解：返回1.电阻元件iuR⑴电压与电流关系u=iR满足欧姆定律R=u/i若R为常数称为线性电阻若R随u，i的变化而变化称为非线性电阻（如二极管）只有线性电阻才满足欧姆定律⑵功率返回1.1.4无源理想元件p=ui=iR=u/R22*P总是大于0即P≥0电阻是耗能元件。(一般电阻上电压与电流取关联参考方向。)返回2.电感元件⑴电感φiueLiueΨ=LiL=Ψ／iL单位是亨利(H)L为常数称为线性电感L不是常数称为非线性电感⑵自感电动势eL=dΨdt=Ldidt⑶电压与电流的关系uL=－eL=Ldidt返回*若i=I，uL=0电感对直流相当于短路⑷能量P=ui=Lididt*它是一种储能元件不消耗能量0则P0吸收能量电能磁场能0则P0放出能量磁场能电能返回WL=∫t0Pdt=t0∫LididtdtWL=12Li2能量是逐渐积累不能突变∴电感中的电流不能突变*WL与i2成正比，与u无关，当u＝0WL仍可能存在返回3.电容元件⑴电容uiCq=CuC(法拉F)=q(库仑)u(伏)1F=106μF1μF=106pFC为常数——线性电容C不是常数——非线性电容返回⑵电压与电流关系i=dqdt=CduCdt若uC＝UC则i＝0*电容元件对直流相当于开路⑶能量P=uCi=CuCduCdt0则P0吸收功率电容充电0则P0发出功率电容放电返回WC=∫t0Pdt=CuC212能量不能突变∴电容两端的电压不能突变电容是一种储能元件,不消耗电能*WC与U成正比，与i无关，当i=0时，WC仍可能存在。2电路中能量转换过程电阻耗能元件电电感源储能元件电容返回1.电压源⑴理想电压源(恒压源)USIU特点:(1)输出电压恒定U=US,(2)输出电流取决于外电路。(3)内阻R0=0伏安特性：USUI返回1.1.5有源理想元件⑵实际电压源USUR0U=US－IR0IUIIR0伏安特性:USIU当R0R时，R0≈0,U=US返回2.电流源⑴理想电流源(恒流源)IISUU伏安特性:IIS特点:(1)输出电流恒定I=IS,与端电压无关。(2)输出端电压取决于外电路。(3)内阻R0=∞返回⑵实际电流源ISIUR0I=IS－U／R0UIU伏安特性IISU/R0返回例1、电路如图，求理想电压源和理想电流源的功率。US1VR1ΩIS1A解:该电路为串联电路各元件的电流均为IS.PUS=US·IS=1WPR=IS2·R=1WPIS=－(PUS+PR)=－2W此时电压源吸收功率(负载)＋－功率平衡：ΣΣP吸=P发U返回一、等效变换的概念两个端口特性相同，即端口对外的电压电流关系相同的电路，互为等效电路。1、等效电路返回1.1.6电压源与电流源的等效变换2、等效变换的条件对外电路来说，保证输出电压U和输出电流I不变的条件下电压源和电流源之间、电阻可以等效互换。※等效变换对内电路来说，不一定等效。返回•几个电压源的串联可以等效为一个电压源。•该电压源的电压等于几个电压源电压的代数和。1、几个电压源的串联二、独立电源的等效变换返回-+ba-+Uba-U1U2U=U1+U2+返回2、几个电流源的并联•几个电流源的并联可以等效为一个电流源.•该电流源的电流为各电流源电流的代数和.返回Is1Is2baIsbaIs=Is1+Is2返回•与恒压源并联的元件在等效变换中不起作用,将其断开.USIbaRL-+U-+USbaU=USI=U/RLRIs3、两种特殊情况返回RL•与恒流源串联的元件在等效变换中不起作用,将其短路.IsRbaUIIsbaI=IsU=IRL+-返回※只有电压相等、极性相同的恒压源才允许并联。只有电流相等、极性相同的恒流源才允许串联。返回一个实际的电源即可以用电压源模型表示,也可以用电流源模型表示.对于负载来说只要端电压和输出电流不变,两个电源对负载的作用效果相同,所以实际电压源和电流源可以等效变换.电源RIU1、实际电源的等效变换三、电源的等效变换返回U实际电流源的伏安特性IIS实际电压源的伏安特性UsIUIR0U/R0IsRoUs/RoU=US－IR0I=IS－U／R0返回•电压源:U=Us－IRo------1•电流源:I=Is－U/Ro′U=IsRo′－IRo′-------2Is=/RoUsUs=IsRoURoUsIsRoIIU-+返回Us=IsRo′Is=Us/Ro′Ro=Ro′Ro=Ro′电流源电压源电压源电流源返回2、注意事项•等效互换是对外电路而言的,内部电路并不等效。•恒压源与恒流源之间不能等效变换。•变换时注意电源的方向,电流源的流向是从电压源正极出发。返回:将图示的电压源变成电流源例I-+10V2Ωba解:Is=10/2=5AIsI2Ωba返回:将图示的电流源变成电压源例IsI5Ωba1AUs=Is×5Ω=5VUs5Ωba+-返回例用电源等效变换的方法求图中的I。4Ω+-+-6V4V2A3Ω6Ω1Ω2ΩI+-4V2A6Ω4Ω1Ω2ΩI2A3Ω返回2Ω4A3Ω2A+-4V2A6Ω4Ω1Ω2ΩI2Ω+-4V4Ω1ΩI返回8V2Ω+-2Ω4A2Ω+-4V4Ω1ΩI2Ω+-4V4Ω1ΩI返回1ΩI1A4Ω4Ω2A8V2Ω+-2Ω+-4V4Ω1ΩI返回1ΩI3A2ΩI=2/3×3=2A1ΩI1A4Ω4Ω2A返回在用等效变换解题时，应至少保留一条待求支路始终不参与互换，作为外电路存在；等求出该支路电流或电压时，再将其放回电路中去作为已知值，求其它支路电流或电压。返回例:试求出图示电路中电流I。+18V+8V+6V+3Ω3ΩI4Ω6Ω2A3A20V5Ω2Ω+18V2ΩA2A4328620I返回+－+2A3Ω6Ω2Ω5Ω4Ω3Ω18V20VI5=I+Is=2A+2A=4AI1=I3+I≈0.67A+2A=2.67AI2=－18／2A=－9AI4=I1－I2=2.67A－（－9）A=11.67AI5abII1I3I2I4I6I6=I5-IS=4A-2A=2AI3=Uab／