教材第一章DG01

第1章电工电子技术基础知识本章要点了解电路的基本概念及电路模型。理解电流、电压的参考方向及关联方向的概念。掌握欧姆定律、基尔霍夫定律的内容及应用。理解电压源和电流源之间的等效变换。掌握戴维南定理和诺顿定理。熟悉电路的三种工作状态。技能目标会测量直流电路中的电流和电压。能够对有源二端网络等效参数进行测量。掌握电源外特性的测试方法，能够对电压源和电流源进行等效变换。主要理论及工程应用导航本章主要讲述了电路的基本概念、基本定律及电路分析方法，介绍了电路的工作状态，为后面分析各种电工电子电路奠定必要的基础。众所周知，现代生活离不开电，电灯、电视、电话、电冰箱、电梯等都要用电。现代工农业生产少不了电，现代科学技术更离不开电。电的作用变得越来越大，它渗透到人类生活的每一个角落。对于人类来说，电是如此的重要，又是如此的神奇。因此，作为21世纪的大学生，更有必要学习电的相关概念和知识。1.1太阳能水箱加热显示电路设计说明1.设计目的掌握电路基本定律的应用。2.设计内容太阳能晒水箱中的水在冬天往往温度不够高，要在水箱中加装一个“220V，2000W”的电热管，并利用一个“6V，1W”的小灯泡和一段10Ω/m的电阻丝，为电热管安装一个指示灯，如果小灯泡两端的电压按5V设计，请你设计能够满足以上要求的电路图，电阻丝足够长并可按需进行截取。2电工电子技术基础1.2电路的基本概念及基本定律电路也称为电网络，是各种电器设备按照一定方式连接起来的整体。现代工程技术领域中存在着种类繁多、形式和结构各不相同的电路，但就其作用而言，主要包括两个方面：一是进行能量转换、传输和分配，如电力系统电路，发电机组将其他形式的能量转换成电能，经变压器、输电线传输到各用电部门后，用电部门再把电能转换成光能、热能、机械能等其他形式的能而加以利用；二是对电信号的处理和传递，如收音机或电视机把电信号经过调频、滤波、放大等环节的处理，使其成为人们所需要的其他信号。电路的这两种作用在自动控制、通信、计算机技术等方面得到了广泛应用。思考：什么是电路？如何求取电路中的电压和电流呢？1.2.1电路模型实际的电路器件在工作时的电磁性质比较复杂，绝大多数器件具备多种电磁效应，给分析问题带来困难。为了使问题得以简化，便于探讨电路的普遍规律，在分析和研究具体电路时，对实际的电路器件，一般取其起主要作用的方面，并用一些理想电路元件来替代。所谓理想电路元件，是指在理论上具有某种确定的电磁性质的假想元件，它们以及它们的组合可以反映出实际电器元件的电磁性质和实际电路的电磁现象。因为实际电路元件虽然种类繁多，但在电磁性能方面可以把它们归类。例如，有的元件主要是供给能量的，它们能将非电能量转化成电能，像干电池、发电机等就可用“电压源”这样一个理想元件来表示；有的元件主要是消耗电能的，当电流通过它们时就把电能转化成其他形式的能，像各种电炉、白炽灯等就可用“电阻元件”这样一个理想元件来表示；另外，还有的元件主要是储存磁场能量和储存电场能量的，就可用“电感元件”或“电容元件”来表示等。用抽象的理想元件及其组合近似地替代实际电路元件，即把实际电路的本质特征抽象出来所形成的理想化了的电路就可构成与实际电路相对应的电路模型。以后所讨论的电路都是电路模型，通过对它们的基本规律进行研究，达到分析实际电路的目的。1.2.2参考方向1.电流电压及其参考方向带电粒子的定向移动形成电流。单位时间内通过导体截面的电荷量定义为电流强度，用它来衡量电流的大小。电流强度简称为电流，用i表示，根据定义有ddqit(1-1)式中：dq为导体截面中在dt时间内通过的电荷量。国际单位制中，电荷量的单位为库仑(C)；时间单位为秒(s)；电流单位为安培，简称安(A)，有时还用千安(kA)、毫安(mA)、微安(μA)等单位。3第1章电工电子技术基础知识习惯上将正电荷移动的方向规定为电流的方向。当电流的大小和方向不随时间而变化时，就称其为直流电流，简称直流(DirectCurrent，DC)。对不随时间变化的物理量一般都用大写字母来表示，即直流时，式(1-1)可以改写为QIt(1-2)电荷在电路中运动，必定受到力的作用，也就是说力对电荷做了功。为了衡量其做功的能力，引入“电压”这一物理量，并定义电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功称为A点到B点间的电压，用ABu表示。即ABABddwuq(1-3)式中：ABdw表示电场力将dq的正电荷从A点移动到B点所做的功，单位为焦耳(J)；电压单位为伏特，简称伏(V)，有时还用千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)等单位。直流时，式(1-3)应写成ABABWUQ(1-4)由电压的定义可知，如果正电荷从A点移动到B点是电场力做功，那么正电荷从B点移动到A点必定有一种外力在克服电场力做功，或者说电场力做了负功，即ABBAddww，则ABBAuu。这说明，电压是有方向的。电压的方向是电场力移动正电荷的方向。以上对电流、电压规定的方向，是电路中客观存在的，称为实际方向，对于一些十分简单的电路可以直观地确定。但在分析计算较复杂一些的电路时，往往很难判断出某一元件或某一段电路上电流或电压的实际方向，而对那些大小和方向都随时间变化的电流或电压，要在电路中标出它们的实际方向就更不方便了。为此，在分析计算电路时采用标定“参考方向”的方法。参考方向是人们任意选定的一个方向。例如，图1-1(a)和图1-1(b)所示的某电路中的一个元件，其电流的实际方向虽然事先不知，但它只有两种可能，不是从A流向B，就是从B流向A，可以任意选定一个作为参考方向并用箭头标出。图1-1中选定的参考方向是从A指向B，该方向与实际方向不一定一致。将电流用一个代数量来表示，若0i，则表明电流的实际方向与参考方向是一致的，如图1-1(a)所示；若0i，则表明电流的实际方向与参考方向是不一致的，如图1-1(b)所示。于是在选定的参考方向下，电流值的正、负就反映了它们的实际方向。图1-1电流的参考方向与实际方向的关系同样道理，电路中两点间的电压也可任意选定一个参考方向，并由参考方向和电压值4电工电子技术基础的符号反映该电压的实际方向。电压的参考方向可以用一个箭头表示，如图1-2(a)所示；也可以用正(+)、负(-)极性表示，称为参考极性，如图1-2(b)所示；另外还可以用双下标表示，如ABu表示A、B两点间电压的参考方向是从A指向B的。以上几种表示方法只需任选一种标出即可。图1-2电压的参考方向与参考极性的表示方法在以后的电路分析中，完全不必先去考虑各电流、电压的实际方向如何，而应首先在电路图中标定它们的参考方向，然后根据参考方向列写有关电路方程，计算结果的符号与标定的参考方向就反映了它们的实际方向。参考方向一经选定，在分析电路的过程中就不再变动。对于同一个元件或同一段电路上的电压和电流的参考方向，彼此原是可以独立无关任意选定的，但为方便起见，习惯上常将电压和电流的参考方向选得一致，称其为关联的参考方向。为简单明了，一般情况下，只需标出电压或电流中的某一个参考方向，这就意味着另一个选定的是与之相关联的参考方向。2.电位在电路中任选一点O作为参考点，则该电路中某一点A到参考点的电压就叫做A点的电位，用Au表示。根据定义有AAOuu(1-5)电位实际上就是电压，其单位也是伏特(V)。电路参考点本身的电位为零，即O0u，所以参考点也称零电位点。电路中除参考点外的其他各点的电位可能是正值，也可能是负值，某点电位比参考点高，则该点电位就是正值，反之则为负值。以电路中的O点为参考点，则另两点A、B的电位分别为AAOuu、BBOuu，它们分别表示电场力把单位正电荷从A点或B点移到O点所做的功，那么电场力把单位正电荷从A点移到B点所做的功ABu就等于电场力把单位正电荷从A点移到O点，再从O点移到B点所做的功的和，即ABAOOBAOBOuuuuu或ABABuuu(1-6)式(1-6)说明，电路中A点到B点的电压等于A点电位与B点电位的差，因此，电压又叫电位差。参考点是可以任意选定的，一经选定，电路中其他各点电位也就确定了。参考点选择不同，电路中同一点的电位会随之而变，但任意两点的电位差即电压是不变的。在电路中不指明参考点而谈某点的电位是没有意义的。在一个电路系统中只能选一个参考点。至于选哪点作为参考点要根据分析问题的方便而定。5第1章电工电子技术基础知识3.电动势图1-3所示有两个电极A和B，A带正电称正极，B带负电称负极，用导线把A、B两极连接起来，在电场力的作用下，正电荷沿着导线从A移动到B(实质上是导体中的自由电子在电场力作用下从B移到了A)，形成了电流i。随着正电荷不断从A移到B，A、B两极间的电场逐渐减弱，以至消失，这样导线中的电流也会减至零。为了维持连续不断的电流，必须保持A、B间有一定的电位差，即保持一定的电场。这就需要有一种力来克服电场力，把正电荷不断地从B极移到A极去。电源就是能产生这种力的装置，这种力称为电源力。例如，在发电机中，导体在磁场中运动时，就有磁场能转换为电源力；在电池中，就有化学能转换为电源力。图1-3电源力做功示意图电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功称为电源的电动势，用e表示，即BAddweq(1-7)式中：BAdw表示电源力将dq的正电荷从B移到A所做的功。显然，电动势与电压有相同的单位——伏特(V)。按照定义，电动势的方向是电源力克服电场力移动正电荷的方向，是从低电位到高电位的方向。对于一个电源设备，如干电池，其电动势e与电压u的参考方向选择相反，如图1-4(a)所示。当电源内部没有其他能量转换时，根据能量守恒原理，应有ue；如果u和e的参考方向选择相同，如图1-4(b)所示，则ue或eu。【例1-1】在图1-5所示电路中，O为零电位点，已知A50VU，B40VU，V30CU。①求BAU和ACU；②如果元件4为具有电动势E的电源装置，在图1-5中所标的参考方向下求E的值。解：①因为电压就是电位差，所以BABA405090(V)UUUACAC503020(V)UUU6电工电子技术基础图1-4电源的电动势e与端电压u②根据电位的定义有BBOUU。在图1-5中，电动势E的参考方向与电压BOU的参考方向相同，则有BOB40VEUU图1-5例1-1的电路图4.功率与电能正电荷从电路的高电位端移到低电位端是电场力对正电荷做了功，该段电路吸收了电能；正电荷从电路的低电位端移到高电位端是外力克服电场力做了功，即这段电路将其他形式的能量转化成电能释放了出来。把单位时间内电路吸收或释放的电能定义为该电路的功率，用P表示。设在dt时间内电路转化的电能为dw，则ddwPt(1-8)国际单位制中，功率的单位为瓦特，简称瓦(W)。此外还常用千瓦(kW)、毫瓦(mW)等单位。对式(1-8)进一步推导，可得ddddddwwqPuitqt(1-9)即电路的功率等于该段电路的电压与电流的乘积。直流时，式(1-9)应写为PUI(1-10)7第1章电工电子技术基础知识在u和i的关联参考方向下，若0P，说明这段电路上电压和电流的实际方向是一致的，电场力对正电荷做了功，电路吸收了功率；若0P，则说明这段电路上电压和电流实际方向不一致，一定是外力克服电场力做了功，电路发出功率。在使用式(1-9)及式(1-10)时，必须注意u和i的关联参考方向及各数值正、负号的含义。根据能量守恒原理，一部分元件或电路发出的功率一定等于其他部分元件或电路吸收的功率。或者说，整个电路的功率是平衡的。式(1-8)可写为ddwPt，则在0t到1t的一段时间内，电路消耗的电能为10dttWPt(1-11)直流时，P为常量，则10()WPtt(1-12)国际单位制中，电能W单位为焦耳(J)，它表示功率为1W的用电设备在1s内所消耗的电能。使用中还常采用千瓦时(kWh)或度，即611kWh3.610J度电==【例1-2】图1-6所示为某电路中的一部分，三个元