电工电子,第一章电路的基本概念与基本定律

欢迎学习《电工电子学》课程青海大学水电学院电工教研室唐岩编学分：3.5学时：56（40+16）在高等工业学校非电专业的教学计划中，本课程是一门实践性较强的技术基础课程。它的任务是使学生通过对本大纲规定的全部教学内容的学习，获得电工和电子技术方面的技术理论、基本知识和基本技能，为学习后续课程以及今后从事工程技术工作打下必要的基础。本课程与大学物理紧密相连.其中电路的电阻串并联,电路的基本物理量,欧姆定理,电路的参数,磁场的基本物理量,磁性材料的磁性能及整流电路等均已在物理课中讲过,这些知识均运用到本课程中.学习要求：理解基本概念、基本理论和分析方法学用结合，举一反三，融会贯通处理好课上课下、复习与习题的关系每次课约2个习题的作业，每章学习完成后交1次作业及时提问，有听课笔记，独立完成作业完整掌握课程体系，培养自学能力按要求参加实验培养良好的实验素质掌握常用实验仪器的功能及使用方法注重实践技能的培养理论与实践相结合，互相促进，全面提高认真预习实验，按时完成实验预习报告，及时完成实验报告考核方法：闭卷考试（60%）+实验（20%）+平时（20%）参考资料:秦曾煌.《电工学》（上、下册）孙肖子，张企民.《模拟电子技术基础》杨松华.《数字电子技术基础》第一章电路的基本概念和分析方法１-１电路中的物理量及其正方向１-２电路元件１-３电路的基本定律１-４电路的两种基本分析方法１-５线性电路中的两个重要定理１-６受控源电路及分析第一章电路的基本概念和分析方法一、电路的作用1.电能传输和转换发电机升压变压器降压变压器电灯电炉热能,水能,核能转电能传输分配电能电能转换为光能,热能和机械能电路—电流流经的闭合路径;传送电流的路径。强电技术2.信号的传递和处理放大器话筒扬声器将语音转换为电信号(信号源)信号转换、放大、信号处理(中间环节)接受转换信号的设备(负载)弱电技术电源：将非电能转换成电能的装置(干电池,蓄电池,发电机)或信号源。中间环节：把电源与负载连接起来的部分(连接导线,开关)负载：将电能转换成非电能的用电设备(电灯,电炉,电动机)二、电路的组成电池灯泡EIRU+_负载电源电路的组成理想化电源理想化导线理想化元件电路模型:将实际元件理想化，由理想化的电路元件组成的电路。今后我们分析的都是电路模型，简称电路。电路分析的主要任务在于分析求解电路物理量，其中最基本的电路物理量就是电流、电压和功率。1-１电路中的物理量及其正方向一、电流电荷的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表示，简称电流。电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。大写I表示直流电流小写i表示电流的一般符号dtdqi电流的方向用一个箭头表示。正电荷运动方向规定为电流的实际方向。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。参考方向实际方向(a)i0ab参考方向实际方向(b)i0abii如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。二、电压、电位和电动势电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。dqdWuabab电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。ababuVV电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向例：当Va=3V，Vb=2V时u1=1V最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。u2=－1V+　　u1　　－ab－　　u2　　+ab对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。+　　u　　－(a)关联方向abi－　　u　　+(b)非关联方向abi如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。dqdWe电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。三、电功率电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。dtdWp功率与电流、电压的关系：关联方向时：p=ui非关联方向时：p=－uip＞0时吸收功率（负载性质），p＜0时放出功率（电源性质）。+　　U=5V－(a)(b)I=2A+　　U=5V－I=-2A(c)+　　U=5V－I=-2A例：求图示各元件的功率。（a）关联方向，P=UI=5×2=10W，P0，吸收10W功率，负载性。（b）关联方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P0，产生10W功率，电源性。（c）非关联方向，P=－UI=－5×(－2)=10W，P0，吸收10W功率，负载性。1-２电路元件常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即伏安关系（VCR）来决定的。一、无源元件伏安关系（欧姆定律）：关联方向时：u=Ri非关联方向时：u=－Ri1、电阻元件符号：Ri+　　u－功率：RuRiuip22电阻元件是一种消耗电能的元件。伏安关系：2、电感元件符号：电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件，是实际电感器的理想化模型。+　　u－iLdtdiLudtdiLuＬ称为电感元件的电感，单位是亨利（Ｈ）。只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但ｕ＝０，相当于短路。3、电容元件电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。伏安关系：符号：iC+　　u－dtduCidtduCi只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但ｉ＝０，相当于开路，即电容具有隔直流的作用。（隔直通交）C称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。二、有源元件1、电压源与电流源（1）伏安关系电压源：u=uS端电压为us，与流过电压源的电流无关，由电源本身确定，电流任意，由外电路确定。电流源：i=iS流过电流为is，与电源两端电压无关，由电源本身确定，电压任意，由外电路确定。（2）特性曲线与符号　uUsOt　iIsOu电压源电流源　Us+－　us+－　is理想电压源的串联与并联：串联US=USk电压相同的电压源才能并联，且每个电源的电流不确定。US2+_－+US1+_USºº注意参考方向US=US1－US25V+_+_5VI5V+_I并联（4）恒压源和恒流源的串、并联IS1IS2IS3IS理想电流源的串联与并联：并联IS=ISk注意参考方向IS=IS1+IS2－IS3串联电流相同的理想电流源才能串联，且每个恒流源的端电压均由它本身及外电路共同决定。ISUSISUSIS1IS2US1US2is=is2-is1想想练练？US？IS？IS在电路等效的过程中，与理想电流源相串联的电压源不起作用；与理想电压源并联的电流源不起作用。+Us－I(b)电压源串联内阻的模型Ro+U－+U－I(c)电流源并联内阻的模型IsRoIIsUUs0(a)实际电源的伏安特性2、实际电源模型及其等效变换实际电源的伏安特性oIRUUs或oRUIIs可见，一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为电压源Us和内阻Ro串联，另一种为电流源Is和内阻Ro并联。+Us－I(a)电压源串联内阻的模型Ro+U－+U－I(b)电流源并联内阻的模型IsRo同一个实际电源的两种模型对外电路等效，等效条件为：oRUIssoRIUss或注意：两种电源模型的内阻相等；等效前后电源的方向。注意：恒压源和恒流源不能等效互换abI'Uab'IsaE+-bI0EREIoS（不存在）I=0.5A6A+_U5510V10V即：U=8×2.5=20V+_15V_+8V77I例：利用电源之间的等效互换可以简化电路分析5A3472AI=？例：2A6A+_U558A+_U2.53、应用举例10V+-2A2I讨论题?IA32410A72210A5210III哪个答案对???+-10V+-4V21-３电路的基本定律电路中的每个分支称为支路3条或3条以上支路的连接点称为结点电路中任一闭合的路径称为回路+us1－i1R1i2i3R2R3+us2－abcde图示电路有3条支路，2个结点，3个回路。一、基尔霍夫电流定律（KCL）在任一瞬时，流入任一结点的电流之和必定等于从该结点流出的电流之和。出入ii在任一瞬时，通过任一结点电流的代数和恒等于零。0i表述一表述二可假定流入结点的电流为正，流出结点的电流为负；也可以作相反的假定。所有电流的符号均取为正。KCL通常用于结点，但是对于包围几个结点的闭合面也是适用的。i4i2i6i5i3i1abc+us－i1＋i2＋i3＝0二、基尔霍夫电压定律（KVL）表述一表述二在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。降升uu电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。所有电压符号均取为正。0uKVL通常用于闭合回路，但也可推广应用到任一不闭合的电路上。+－i5+uab－+－i3i1i2R3R1R2us1us3+us2－i4ba333222111absssuuiRiRuiRu例：列出下图的KVL方程0111222333sssabuRiuRiRiuu１-４电路的两种基本分析方法一、电阻的串联及并联具有相同电压电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同电路称为等效电路，将某一电路用与其等效的电路替换的过程称为等效变换。将电路进行适当的等效变换，可以使电路的分析计算得到简化。1、电阻的串联iR1+u－R2RnRi+u－+u1－+u2－+un－nRRRR21n个电阻串联可等效为一个电阻分压公式R1i+u－R2+u1－+u2－uRRRu2111uRRRu21222、电阻的并联n个电阻并联可等效为一个电阻i1i2inR1i+u－R2RnRi+u－nRRRR111121分流公式iRRRi2121iRRRi2112i1i2R1i+u－R2二、支路电流法支路电流法是以支路电流为未知量，直接应用KCL和KVL，分别对结点和回路列出所需的方程式，然后联立求解出各未知电流。一个具有b条支路、n个结点的电路，根据KCL可列出（n－1）个独立的结点电流方程式，根据KVL可列出b－(n－1)个独立的回路电压方程式。+us1－i1R1i2i3R2R3+us2－abⅠⅡ图示电路（2）结点数n=2，可列出2－1=1个独立的KCL方程。（1）电路的支路数b=3，支路电流有i1、i2、i3三个。（3）独立的KVL方程数为3－(2－1)=2个。13311suRiRi回路I23322suRiRi回路Ⅱ0321iii结点a三、结点电压法对只有两个结点的电路，可用弥尔曼公式直接求出两结点间的电压。RiRuuss1ab弥尔曼公式：式中分母的各项总为正，分子中各项的正负符号为：电压源us的参考方向与结点电压uab的参考方向相同时取正号，反之取负号；电流源is的参考方向与结点电压uab的参考方向非关联时取正号，反之取负。+us1－i1R1i2is1R2R3－us2+abi3is2设结点ab间电压为uab，则有：321212211ab111RRRiiRuRuussssRiRuuss1ab例：用结点电压法求图示电路中结点a的电位Va。+15V－3Ω4Ω+8V－aa+15V+8V－6V6Ω－6V+(a)电路(b)图(a)还原后的电路3Ω4Ω6Ω4Ω4Ωa15863466V11113464V解：１-５线性电路中的两个重要定理一、叠加定理在任何线性电路（电路参数不随电压、电流的变化而改变）中，当有多个电源作用时，任意支路上的电流或两点间的电压，都是各个电源单独作用结果的代数和。说明：