§1-2 电路的基本物理量

§1－2电路的基本物理量电路的特性是由电流、电压和电功率等物理量来描述的。电路分析的基本任务是计算电路中的电流、电压和电功率。一、电流和电流的参考方向带电粒子(电子、离子)定向移动形成电流。电子和负离子带负电荷，正离子带正电荷。电荷用符号q或Q表示，它的SI单位为库[仑](C)。)11(dd－tqi电流的SI单位是安[培](A)。单位时间内通过导体横截面的电荷定义为电流，用符号i或I表示，其数学表达式为恒定电流:量值和方向均不随时间变化的电流，称为恒定电流，简称为直流(dc或DC)，一般用符号I表示。与电流有关的几个名词时变电流:量值和方向随时间变化的电流，称为时变电流，一般用符号i表示。时变电流在某一时刻t的值i(t)，称为瞬时值。交流电流:量值和方向作周期性变化且平均值为零的时变电流，称为交流电流，简称为交流(ac或AC)。习惯上把正电荷移动的方向规定为电流方向(实际方向)。在分析电路时，往往不能事先确定电流的实际方向，而且时变电流的实际方向又随时间不断变动，不能够在电路图上标出适合于任何时刻的电流实际方向。为了电路分析和计算的需要，我们任意规定一个电流参考方向，用箭头标在电路图上。若电流实际方向与参考方向相同，电流取正值；若电流实际方向与参考方向相反，电流取负值。根据电流的参考方向以及电流量值的正负，就能确定电流的实际方向。电流参考方向例如在图示的二端元件中，每秒钟有2C正电荷由a点移动到b点。当规定电流参考方向由a点指向b点时，该电流i=2A,如图(a)所示；若规定电流参考方向由b点指向a点时,则电流i=-2A，如图(b)所示。若采用双下标表示电流参考方向，则写为iab=2A或iba=-2A。)21(baabii电路中任一电流有两种可能的参考方向，当对同一电流规定相反的参考方向时，相应的电流表达式相差一个负号，即今后，在分析电路时，必须事先规定电流变量的参考方向。所计算出的电流i(t)0，表明该时刻电流的实际方向与参考方向相同；若电流i(t)0，则表明该时刻电流的实际方向与参考方向相反。)31(ddqWu其中dq为由a点移动到b点的电荷量，单位为库[仑](C)，dW为电荷移动过程中所获得或失去的能量，其单位为焦[耳](J)，电压的单位为伏[特](V)。二、电压和电压的参考极性电荷在电路中移动，就会有能量的交换发生。单位正电荷由电路中a点移动到b点所获得或失去的能量，称为ab两点的电压，即习惯上认为电压的实际方向是从高电位指向低电位。将高电位称为正极，低电位称为负极。与电流类似，电路中各电压的实际方向或极性往往不能事先确定，在分析电路时，必须规定电压的参考方向或参考极性，用“+”号和“-”号分别标注在电路图的a点和b点附近。若计算出的电压uab(t)0，表明该时刻a点的电位比b点电位高；若电压uab(t)0，表明该时刻a点的电位比b点电位低。电压参考方向或参考极性将电路中任一点作为参考点，把a点到参考点的电压称为a点的电位，用符号va或Va表示。在集总参数电路中，元件端钮间的电压与路径无关，而仅与起点与终点的位置有关。电路中a点到b点的电压，就是a点电位与b点电位之差，即)41(baabvvu量值和方向均不随时间变化的电压，称为恒定电压或直流电压，一般用符号U表示。量值和方向随时间变化的电压，称为时变电压，一般用符号u表示。在幻灯片放映时，请用鼠标单击图片放映录像。对于二端元件而言，电压的参考极性和电流参考方向的选择有四种可能的方式，如图1－7所示。(a)、(b)关联参考方向(c)、(d)非关联参考方向图1－7二端元件电流、电压参考方向为了电路分析和计算的方便，常采用电压电流的关联参考方向，也就是说，当电压的参考极性已经规定时，电流参考方向从“+”指向“-”，当电流参考方向已经规定时，电压参考极性的“+”号标在电流参考方向的进入端，“-”号标在电流参考方向的流出端。(a)、(b)关联参考方向(c)、(d)非关联参考方向图1－7二端元件电流、电压参考方向下面讨论图示二端元件和二端网络的功率。三、电功率)61(dddddduitqqWtWp与电压电流是代数量一样，功率也是一个代数量。当p(t)0时，表明该时刻二端元件实际吸收（消耗）功率；当p(t)0时，表明该时刻二端元件实际发出（产生）功率。当电压电流采用关联参考方向时，二端元件或二端网络吸收的功率为由于能量必须守恒，对于一个完整的电路来说，在任一时刻，所有元件吸收功率的总和必须为零。若电路由b个二端元件组成，且全部采用关联参考方向，则)71(01bkkkiu)81(d)()(d)(),(000ttttiupttW功率的SI单位是瓦[特](W)。二端元件或二端网络从t0到t时间内吸收的电能为表1－3列出部分国际单位制的单位，称为SI单位。在实际应用中感到这些SI单位太大或太小时，可以加上表1-4中的国际单位制的词头，构成SI的十进倍数或分数单位。例如W1088kWs102s2A102mA2363μ例1-1在图1－9电路中，已知U1=1V,U2=-6V,U3=-4V,U4=5V,U5=-10V,I1=1A,I2=-3A,I3=4A,I4=-1A,I5=-3A。试求：(1)各二端元件吸收的功率；(2)整个电路吸收的功率。图1－9例1－1W1)A1()V1(111IUPW18)A3()V6(222IUPW16)A4()V4(333IUP30W)(W30)A3()V10(555发出IUP5W)(W5)A1()V5(444发出IUP例1-1在图1－8电路中，已知U1=1V,U2=-6V,U3=-4V,U4=5V,U5=-10V,I1=1A,I2=-3A,I3=4A,I4=-1A,I5=-3A。51543210W)30516181(kkPPPPPP整个电路吸收的功率为解：各二端元件吸收的功率为图1－9例1－1你能确定图示电路中电压Uab的实际极性吗？为什么？答案：随着10kΩ电位器的变化，Uab的实际电压方向会发生变化。V4~V4abU在幻灯片放映时，请用鼠标单击图片放映录像。名称时间名称时间1各种电压波形3:032电压的参考方向3:553电桥电路的电压1:204信号发生器和双踪示波器2:135基尔霍夫电压定律3:386基尔霍夫电流定律2:457线性电阻器件VCR曲线3:318电位器3:069电位器及其应用3:1010可变电阻器3:2711干电池VCR曲线1:5812函数信号发生器VCR曲线2:1313直流稳压电源3:2814稳压电源的特性1:2615直流稳流电源2:5116稳流电源的特性1:1917函数信号发生器2:2918习题1－9电路实验2:2619晶体管放大器实验2:4820理想电压源的实现2:24根据教学需要，用鼠标点击名称的方法放映相关录像。郁金香