电工与电子技术 第一章

第一章电路的基本概念与基本定律《电工学》第七版—电工技术《电工学》—电工技术第一章电路的基本概念与基本定律1.1电路的作用与组成部分1.2电路模型1.3电压和电流的参考方向1.4欧姆定律1.5电源有载工作、开路与短路1.6基尔霍夫定律1.7电路中电位的概念及计算《电工学》—电工技术本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.理解电路的有载工作、开路与短路状态，电功率和额定值的意义；4.理解电源与负载的判别方法；5.会计算电路中各点的电位。电路的基本概念与基本定律《电工学》—电工技术1.1电路的作用与组成部分(1)实现电能的传输、分配与转换（强电）(2)实现信号的传递与处理（弱电）放大器扬声器话筒1.电路的作用电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线《电工学》—电工技术2.电路的组成部分电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线《电工学》—电工技术直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息2.电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的作用称为响应。《电工学》—电工技术电路的输入，称为电路的激励。通常为电源（提供电能，使电路工作）或信号源（电路传输或处理的对象）。电路的输出，称为电路的响应。在电路中响应常表示为某一元件上的电压、电流或电功率。电路分析：激励与响应:已知电路的结构和元件参数，研究电路的激励与响应之间的关系。3.电路的激励与响应《电工学》—电工技术思考一下：激励是什么？响应是什么？激励：电池提供的电能。响应：灯泡发光发热（功率）。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡手电筒电路《电工学》—电工技术1.2电路模型为了便于分析电路的主要特性与功能，把构成实际电路的元件抽象成理想化电路元件模型，从而构成与实际电路相对应的电路模型。—忽略元件的次要特性（不影响电路分析的特性），用规定的理想化模型表征其物理特性。理想化模型：例如灯泡：电阻元件《电工学》—电工技术手电筒的电路模型例：手电筒R+RoE–S+U–I电池筒体灯泡开关手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。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《电工学》—电工技术手电筒的电路模型R+RoE–S+U–I电池筒体灯泡开关电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。开关用来控制电路的通断。今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。《电工学》—电工技术常用的几种元件模型：在电路图中实际的电路元件可以用一些模型来代替。或者用模型的组合来代替。电阻元件电压源电流源电感元件电容元件－＋无源元件有源元件《电工学》—电工技术无源元件：电阻、电感、电容这些元件任何时刻对外界均不提供能量，叫做无源元件。如R,L,C有源元件：凡是发出电压、电流，对外界提供能量的元件，叫有源元件。如电池、发电机二端元件：电阻、电感、电容。只有两个端，任何时刻从一端流入的电流等于从一端流出的电流三端元件：晶体管四端元件：变压器《电工学》—电工技术1.3电压和电流的参考方向(1)电流电流是电路中电荷流动量的度量。使用单位时间内，通过某一导体横截面的电荷量来表示。I=q/t（直流）i=dq/dt（交流）电流的符号：I（直流电流）或i（交流电流）单位名称：安（培）符号：A（Ampere）kAmAμA《电工学》—电工技术电流的方向是什么？(1.2)电流的真实方向电流的真实方向：规定正电荷流动的方向为电流的方向或者说：电子流动的反方向ab电路中的一条通路正电荷q+负电荷q-电流的真实方向()ababIi《电工学》—电工技术问题的提出电流方向AB？电流方向BA？E1ABRE2IR在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？(1.3)电流的参考方向《电工学》—电工技术解决方法:(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代数解。参考方向具有任意性•电流的参考方向是人为定义的。•不一定与实际方向相符参考方向与真实方向的关系电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则是受电路约束客观存在并确定的。若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实方向就是参考方向；反之亦然。(3)根据求解电流符号判断真实方向。《电工学》—电工技术i0i0实际方向i参考方向实际方向i参考方向I1=1A10V10I1=？I1=-1A10V10I1=?例《电工学》—电工技术用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。(图中标出箭头）用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。(图中标出A、B）i参考方向iAB参考方向AB(1.4)电流方向的表示方法《电工学》—电工技术(2)电压–单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位。它表示外力将单位正电荷从参考点（0电位）移动到的该点所作的功电位的概念abababWWdWuvvqdq–电路（电场）中两点（如a与b）之间的电位差称为电压。电压《电工学》—电工技术电压单位：伏特(V)=1焦耳(J)/库仑(C)符号：用u（交流）或U（直流）表示-电压的真实方向：规定电位下降的方向为电压的真实方向即从高电位端指向低电位端(2.2)电压的真实方向《电工学》—电工技术–电压具有方向性，不能单用数值来表示，必须同时标定其方向。–有了参考方向，电压变量就转变成了代数量。–两点之间电压只可能有两个方向，可先假设其中一个方向为电压的方向，称此假设的方向为电压的参考方向。–在对电路分析之前不能确定电压的真实方向(2.3)电压的参考方向《电工学》—电工技术+实际方向+（参考方向）U+（参考方向）UU0U0若分析电路后确定的电压符号为正，则表明电压的真实方向就是参考方向；反之亦然。(2.4)电压参考方向与实际方向的关系+实际方向《电工学》—电工技术(3)关联参考方向+UII关联参考方向非关联参考方向+U电流的参考方向和电压的参考方向取一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。采用关联的参考方向后，在电路中只需要标出一个（电流或电压）参考方向。如果采用非关联方向，则必须全部标示I+U《电工学》—电工技术(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（即关联参考方向）的情况。(1)“实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”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“参考方向”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。《电工学》—电工技术例已知：E=2V,R=1Ω问：当Uab分别为3V和1V时，IR=?解：(1)假定电路中物理量的正方向如图所示；(2)列电路方程：abRUUEabRRUEUIRRRabUUE+EIRRURabUab+--+-《电工学》—电工技术(3)数值计算A1121V1A112-33VRRIUIU时时实际方向与假设方向一致实际方向与假设方向相反abRUEIR+EIRRURabUab+--+-《电工学》—电工技术1.4欧姆定律U、I参考方向相同时，U、I参考方向相反时，RU+–IRU+–I表达式中有两套正负号：①式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；②U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。通常取U、I参考方向相同。U=IRU=–IR《电工学》—电工技术解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=–IRΩ326:IUR所以Ω326:IUR所以RU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A电阻R没有正负符号《电工学》—电工技术电路端电压与电流的关系称为伏安特性。遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：常数即：IUR线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。《电工学》—电工技术电阻的开路与短路对于一电阻R（1）当R=0，视其为短路。i为有限值时，u=0。（2）当R=，视其为开路。u为有限值时，i=0。ui0开路伏安特性曲线ui0短路伏安特性曲线R+ui《电工学》—电工技术1.5电源有载工作、开路与短路开关闭合,接通电源与负载RREI0负载端电压U=IR特征:（1）电源有载工作IR0REUI①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，IU。或U=E–IR0电源的外特性EUI0当R0R时，则UE，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。《电工学》—电工技术１.物理学中的定义：设电路任意两点间的电压为U,流入此部分电路的电流为I，则这部分电路消耗的功率为:(W)PUI功率有无正负？如果UI正方不一致结果如何？（2）功率aIRUb+-《电工学》—电工技术如果U、I的正方向一致，则P=UI2.功率的计算公式：当计算的P0时,则说明U、I的实际方向一致，此部分电路吸收（消耗）电功率，为负载。当计算的P0时,则说明U、I的实际方向相反，此部分电路发出（提供）电功率，为电源。如果U、I的正方向相反，则P=-UI《电工学》—电工技术U=5V，I=-1A，求功率PP吸=UI=5(-1)=-5WP吸=－UI=－5(-1)=5W+–IU+–IU吸收-5W，实际输出5W电源实际吸收5W负载例《电工学》—电工技术例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向标在图上如下。123451234530V,20V,60V,30V,80V3A,1A,2A,3A,1AUUUUUIIIII确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？12345+-+-《电工学》—电工技术元件5：P5吸=U5×I5=80×-1=-80W发出功率为电源元件1：P1吸=-U1×I1=-(-30)×3=90W吸收功率为负载元件2：P2吸=-U2×I2=-(-20)×1=20W吸收功率为负载元件3：P3吸=U3×I3=60×-2=-120W发出功率为电源元件4：P4吸=U4×I4=30×3=90W吸收功率为负载12345+-+-123451234530V,20V,60V,30V,80V3A,1A,2A,3A,1AUUUUUIIIII《电工学》—电工技术U=E-IR0IIIPE=IE电源产生的功率P=IU电源输出的功率△P=I2R电源内阻上损耗的功率在一个电路中，电源产生的功率和负载取用的功率及内阻上损耗的功率是平衡的。P=PE-△PIR0REUI（3）功率平衡《电工学》—电工技术例某电路中的一段支路含有电源，如图所示，支路电阻为R01=R02=0.6Ω，测得该电路的端电压为U=220V，电路中的电流I=5A，并有关系U=E-R0I，试求：（1）此有源支路的电动势E1、E2；（2）写出功率平衡关系式。（3）判别E1、E2属于电源还是负载的性质。IR01E1UR02E2ΔU1ΔU2《电工学》—电工技术解：（1）因为U=E1-R01I所以E1=U+R01I=（220＋0.6×5）＝223VPE1＝E1I＝223×5＝1115WΔP2＝I2R02＝52×0.6＝15W功率平衡关系式PE1＝PE2＋ΔP1+ΔP2因为U=E2+R02I所以E2=U-R02I=（220-0.6×5）＝217V（2）E1-R01I=