电工与电子技术-第一章

2020/2/151第1章直流电路•1.1电路电路变量–1.1.1电路电路模型–1.1.2电流电压–1.1.3电功率电能•1.2元件的约束–1.2.1电阻元件–1.2.2独立源–*1.2.3受控源•1.3互联的约束–1.3.1基尔霍夫定律–1.3.2电路中电位的分析•1.4电路定理–1.4.1戴维南定理–1.4.2叠加定理返回2020/2/152本章内容是贯穿全课程的重要理论基础，要求在学习中给予足够的重视。通过本章学习要求理解理想电路元件和电路模型的概念；理解电压、电流、电能和电功率的概念；深刻理解和掌握参考方向在电路分析中的应用；牢固掌握基尔霍夫定律、戴维南定理、叠加定理及其应用；深刻领会电路等效和掌握电路等效的基本方法。2020/2/1531.1.1电路与电路模型电力系统中负载：电路——所谓电路就是由各种电气设备和元器件按一定方式连接起来，为电流流通提供路径的总体。电路组成电源：可将其他形式的能量转换成电能、向电路提供电能的装置。可将电能转换成其他形式的能量、在电路中接收电能的设备。中间环节：电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件统称为中间环节，如导线、开关及各种继电器等。电路的功能电子技术中的电路可对电信号进行传递、变换、储存和处理。的电路可对电能进行传输、分配和转换。2020/2/154实际电气装置种类繁多，如自动控制设备，卫星接收设备，邮电通信设备等；实际电路的几何尺寸相差甚大，如电力系统或通信系统可能跨越省界、国界甚至是洲际的，而集成电路芯片小的如同指甲。在电路分析中，为了方便于对实际电气装置的分析研究，通常在一定条件下需要对实际电路采用模型化处理，即用抽象的理想电路元件及其组合近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。电源负载负载电源开关ISUS+_R0中间环节手电筒的实体电路RL+U–导线手电筒的电路模型2020/2/155•理想元件在一定条件下忽略实际元器件的次要物理性质，用反映其主要特征的“模型”来替代，这种“模型”称之为理想元件。•电路模型由理想元件构成的电路，就称为实际电路的“电路模型”。返回2020/2/156白炽灯的电路模型可表示为：实际电路器件品种多，电磁特性多元而复杂，直接画在电路图中困难而繁琐，且不易定量描述。iRRL消耗电能的电特性可用电阻元件表征产生磁场的电特性可用电感元件表征由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L可以忽略。理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性惟一、精确，可定量分析和计算。白炽灯电路2020/2/157理想电路元件分有有源和无源两大类RC+US–电阻元件只具耗能的电特性电容元件只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定L无源二端元件有源二端元件电感元件只具有储存磁能的电特性IS2020/2/158研究与实际电路相对应的电路模型，实质上就是探讨各种实际电路共同遵循的基本规律。电路由哪几部分组成？各部分的作用是什么？何谓理想电路元件？其中“理想”二字在实际电路的含义？试述电路的功能？何谓“电路模型”？利用电路模型研究问题的特点:2020/2/1591.1.2电流电压•电流电荷的定向移动形成电流。电流的实际方向是指正电荷运动的方向，电流的大小通常用电流强度来表示，即单位时间内通过导体横截面的电荷量，简称电流。直流电流用大写字母I表示交流流用小写字母i表示电流的单位为安培（A）。返回tQItqidd2020/2/1510•电压电路中a、b两点间电压大小等于电场力由a点移动单位正电荷到b点所作的功，即：U=W/Q。当正电荷在电场力作用下由a到b电场力所作的功W0时，电压的实际方向为从a到b，即电压的实际方向就是正电荷在电场中受电场力作用移动的方向。直流电压用大写字母U表示，交流电压用小写字母u表示。电压的单位是伏特（V）。•电位在电路中任选一点为参考点，电路中某点到参考点的电压称该点（相对于参考点）的电位。用φ表示，单位也是伏特（V）。若选o点为参考点，则o=0。而a点电位可表示为a=Uao，b点电位可表示为b=Ubo，则Uab=ab2020/2/1511参考方向在一段电路或一个电路元件中事先选定的一个电流方向叫做电流的参考方向。实际中为了方便起见，对一段电路或一个电路元件，通常选定电压和电流的参考方向一致，即选定电流从标以电压“+”极的一端流入，从标以“－”极的一端流出，则把电压和电流的这种参考方向称为关联参考方向，简称关联方向。2020/2/1512【例1.1】如图1.7中电流和电压的参考方向已经选定，已知I=4A，U=2V，请指出电流和电压的实际方向。解I=4A0，I的实际方向与参考方向一致，因此I的实际方向由a指向b。U=2V0，U的实际方向与参考方向相反，因此b为电压实际方向的正极，a为电压实际方向的负极。2020/2/1513电流能使电动机转动、电炉发热、电灯发光，说明电流具有做功的本领。电流做的功称为电功（电能）。电流做功的同时伴随着能量的转换，因此电功的大小可以用能量来量度，即：W=UIt式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】若U【KV】；I【A】；t【h】时，电功W为度【KW·h】。1度电的概念1000W的电炉加热1小时；100W的灯泡照明10小时；40W的灯泡照明25小时。日常生活中，家用电度表就是用来测量电功的装置。只要用电器工作，电度表就会转动并且显示电流作功的多少，即电功的大小不仅与电压、电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。1.1.3电功率电能2020/2/1514电功率电能对时间的变化率就是电功率，简称功率。用p或P表示。直流电路中，电压电流为关联参考方向时，功率表示为P=UI。这样规定后，当计算出功率值为正即P0时，表示元件实际吸收或消耗电能；当计算出功率值为负即P0时，表示元件实际发出电能。功率单位为瓦特（W）。2020/2/1515单位时间内电流做的功称为电功率，用“P”表示：国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】。P=Wt=UItt=UI……（1-6）用电器铭牌数据上的电压、电流值称额定值，所谓额定值是指用电器长期、安全工作条件下的最高限值，一般在出厂时标定。其中额定电功率反映了用电器在额定条件下能量转换的本领。例如额定值为“220V、1000W”的电动机，是指该电动机运行在220V电压时、1秒钟内可将1000焦耳的电能转换成机械能和热能；“220V、40W”的电灯，说明在它两端加220V电压时，1秒钟内它可将40焦耳的电能转换成光能和热能。2020/2/1516p吸=uip吸0，说明元件实际发出功率5W。+–iu+–iu例U=5V，I=-1AP吸=UI=5×(-1)=-5W功率的计算1.u、i取关联参考方向2.u、i取非关联参考方向p吸=－ui例U=5V，I=-1AP吸=－UI=－5×(-1)=5Wp吸0，说明元件实际吸收功率5W。2020/2/1517参考方向(1)分析电路前应选定电压电流的参考方向，并标在图中；(2)参考方向一经选定，在计算过程中不得任意改变。参考方向是列写方程式的需要，是待求值的假定方向而不是真实方向，因此不必追求它们的物理实质是否合理。(4)参考方向也称为假定正方向，以后讨论均在参考方向下进行，实际方向由计算结果确定。(3)电阻（或阻抗）一般选取关联参考方向，独立源上一般选取非关联参考方向。(5)在分析、计算电路的过程中，出现“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几个名词概念时，切不可把它们混为一谈。2020/2/1518【例1.4】如图1.10所示，已知元件发出功率，分析电路中电流、电压的实际方向。解如图已知元件发出功率，P0。图（a）中P=UI=10I0，I0，说明电流的实际方向和参考方向相反，电流实际方向由b指向a。图（b）中P=UI=U0，U0，说明电压的实际方向和参考方向相反，电压实际方向b为实际正极，a为实际负极。2020/2/1519仔细读懂下面例题例：右下图电路，若已知元件吸收功率为－20W，电压U=5V，求电流I。+UI元件解：由图可知UI为关联参考方向，因此:I=PU=－205=－4A例：右下图电路，若已知元件中电流为I=－100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。+UI元件解：由图可知UI为非关联参考方向，因此:P=UI=10×(-100)=1000W元件吸收正功率，说明元件是负载。2020/2/1520电压、电位有何异同？电功率大的用电器，电能也一定大，这种说法正确吗？为什么？思考回答2020/2/1521思考回答在分析电路中，引入参考方向的目的是什么？应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？电路分析中引入参考方向的目的是为分析和计算电路提供方便和依据。应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下，电压和电流的数值前面的正、负号，若参考方向下一个电流为“－2A”，说明它的实际方向与参考方向相反，参考方向下一个电压为“＋20V”，说明其实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下列写电路方程式时，各项前面的正、负符号；“相同、相反”则是指电压、电流是否为关联参考方向，“相同”是指电压、电流参考方向关联，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。2020/2/1522课堂练习2020/2/15231.2.1电阻元件•电阻物体对电流的阻碍作用，称为物体的电阻，用符号R表示。电阻的单位是欧姆（Ω）。欧姆定律施加于电阻元件的电压与通过的电流成正比。直流电路中在电压与电流关联方向下，U=RI。如果电阻元件上电压与电流的参考方向相反时，则欧姆定律为U=RI。返回SlR1.2元件的约束2020/2/1524•串联电路的特点(1)流过串联电路中各元件的电流相同；(2)串联电路各元件上的电压之和等于串联电路的总电压。IRRRIIRIRUUU)(21212121RRRURRRRRUIRUURRRRRUIRU2122222111112020/2/1525RURRURURUIII1)11(21212121111RRRIRRRRRIRUIIRRRRRIRUI211222212111并联电路的特点(1)并联的各个元件的端电压相同；(2)流过并联电路各元件的电流之和等于并联电路的总电流。2020/2/1526•电阻的功率对线性电阻元件来说，在电压与电流关联参考方向下，任何时刻元件吸取的功率为222GURURIUIP2020/2/15271.2.2独立源•1、电压源凡端电压按某一规律变化而与其电流无关的电源就是理想电压源，简称电压源。当端电压是一固定值且与其电流无关时，这种电源为直流理想电压源，简称直流电压源，用Us表示。实际电源可用一个理想电压源Us和内阻Ri相串联的模型来表示，这就是实际电源的电压源模型。U=USIRi返回2020/2/1528•2、电流源凡电流按某一规律变化而与其电压无关的电源就是理想电流源，简称电流源。当电流是一固定值且与其电压无关时，这种电源为直流理想电流源，简称直流电流源，用Is表示。实际电源也可以用一个电流源Is和电阻Ri‘相并联的模型来表示，这就是实际电源的电流源模型。'iSRUII2020/2/15293、电源之间的等效变换理想电压源和理想电流源均属于无穷大功率源，它们之间是不能等效变换的的。实际电源的两种模型存在内阻，因此它们之间可以等效变换。IU+_Us=IsR0内阻不变改并联Is=UsR0U+–IaRLR0ISR0USb两种电源模型之间等效变换时，内阻不变。bUsR0RL+_a内阻不变改串联2020/2/1530•如果a点是电压源的参考正极，b点是电压源的参考负极，则变换后电流源的电流参考方向要由参考负极指向参考正极，即由b指向a。【例1.5】求如图所示电路的等效变换电路。解（a）A根据US原来的极性，可