電工與電子技術(shù)

1/97電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)B電氣工程學(xué)院主講：劉淑萍E-mail:liushuping@2/105課程的目的和學(xué)習(xí)方法目的—獲得電工和電子技術(shù)必要的基本理論知識，為今后的學(xué)習(xí)和工程技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。方法—掌握好物理概念（多看參考書）；多做習(xí)題。使用教材龍緒明主編《電工技術(shù)與電子技術(shù)》

西南交通大學(xué)出版社出版3/105第1章基本元件與基本定律4/1051.1電路模型和電路變量1.2電路基本元件1.3基爾霍夫定律1.4電阻電路的等效變換1.5電源電路的等效變換1.6電路中電位的計(jì)算5/1051.1電路模型和基本定律

電路的基本概念電路—電流流經(jīng)的閉合路徑（由電工設(shè)備和元件組成）。

一.電路的組成—?電源（信號源）

?中間環(huán)節(jié)

?負(fù)載

二.電路的作用—傳輸和轉(zhuǎn)換電能；傳遞和處理信號。6/105電源：將非電能轉(zhuǎn)換成電能的裝置(干電池,蓄電池,發(fā)電機(jī))或信號源。中間環(huán)結(jié)：把電源與負(fù)載連接起來的部分(連接導(dǎo)線,開關(guān))負(fù)載：將電能轉(zhuǎn)換成非電能的用電設(shè)備(電燈,電爐,電動機(jī))一.電路的組成：7/105電池?zé)襞軪IRU+_負(fù)載電源電路的組成8/105二.電路的作用1.電能傳輸和轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電爐熱能,水能,核能轉(zhuǎn)電能傳輸分配電能電能轉(zhuǎn)換為光能,熱能和機(jī)械能9/1052.信號的傳遞和處理放大器話筒揚(yáng)聲器將語音轉(zhuǎn)換為電信號(信號源)信號轉(zhuǎn)換、放大、信號處理(中間環(huán)節(jié))接受轉(zhuǎn)換信號的設(shè)備(負(fù)載)10/105

將實(shí)際元件理想化，由理想化的電路元件組成的電路。EIRU+_例如：理想化導(dǎo)線理想化元件今后我們分析的都是電路模型，簡稱電路。1.1.2電路模型理想化電源11/105電路模型:

由理想元件組成的電路.（一）理想無源元件(線性元件)1.電阻:

電路中消耗電能的理想元件2.電容:電路中儲存電場能的理想元件3.電感:電路中儲存磁場能的理想元件線性電路:由線性元件和電源元件組成的電路.12/105（二）理想電源元件1.理想電壓源

恒壓源13/1052.理想電流源恒流源14/105電路分析—在已知電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)情況下研究電路激勵與響應(yīng)之間的關(guān)系。激勵—推動電路工作的電源的電壓或電流。響應(yīng)—由于電源或信號源的激勵作用，在電路中產(chǎn)生的電壓與電流。1.1.3電路變量15/105電壓和電流的參考方向I=0+_RUESU0R0ba

電路中的箭頭方向?yàn)殡妷号c電動勢和電流的參考方向.16/105電路中物理量的正方向(參考方向)物理量的正方向：實(shí)際正方向假設(shè)正方向?qū)嶋H正方向：物理中對電量規(guī)定的方向。假設(shè)正方向（參考正方向）：在分析計(jì)算時(shí)，為了解題方便，對物理量任意假設(shè)的參考方向。17/105物理量的實(shí)際正方向18/105電荷的定向移動形成電流。電流大小：單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電量。大寫I表示直流電流小寫i表示電流的一般符號一、電流19/105正電荷運(yùn)動方向規(guī)定為電流的實(shí)際方向。電流的方向用箭頭或雙下標(biāo)變量表示。任意假設(shè)的電流方向稱為電流的參考方向。

如果求出的電流值為正，說明參考方向與實(shí)際方向一致，否則說明參考方向與實(shí)際方向相反。20/105電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓定義為單位正電荷由a點(diǎn)移至b點(diǎn)電場力所做的功。電路中某點(diǎn)的電位定義為單位正電荷由該點(diǎn)移至參考點(diǎn)電場力所做的功。電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓等于a、b兩點(diǎn)的電位差。二、電壓21/105電壓的實(shí)際方向規(guī)定由電位高處指向電位低處。與電流方向的處理方法類似，可任選一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较蚶?當(dāng)ua=3Vub=2V時(shí)u1=1V最后求得的u為正值，說明電壓的實(shí)際方向與參考方向一致，否則說明兩者相反。u2=－1V22/105

對一個(gè)元件，電流參考方向和電壓參考方向可以相互獨(dú)立地任意確定，但為了方便起見，常常將其取為一致，稱關(guān)聯(lián)方向；如不一致，稱非關(guān)聯(lián)方向。

如果采用關(guān)聯(lián)方向，在標(biāo)示時(shí)標(biāo)出一種即可。如果采用非關(guān)聯(lián)方向，則必須全部標(biāo)示。23/105

補(bǔ)充：電動勢電動勢的方向—電位升高的方向（實(shí)際方向）。電動勢的參考方向—任選一方向?yàn)殡妱觿莸恼较颉ｋ妱觿莸谋硎痉椒ǎ篴.箭頭b.正負(fù)號c.雙下標(biāo)電動勢和電壓的關(guān)系：EU電壓與電動勢規(guī)定正方向相反時(shí)E=UEU電壓與電動勢規(guī)定正方向相同時(shí)E=-U24/105由以上關(guān)系可以看出：電壓源可由一個(gè)大小相等，方向相反的外加電壓表示。例：EUU(U=E)25/105電場力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱為電功率，簡稱功率。功率與電流、電壓的關(guān)系：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p=ui非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p=－uip＞0時(shí)吸收功率，p＜0時(shí)放出功率。三、功率和能量26/105例：求圖示各元件的功率.（a）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×2=10W，P>0，吸收10W功率。（b）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P<0，產(chǎn)生10W功率。（c）非關(guān)聯(lián)方向，P=－UI=－5×(－2)=10W，P>0，吸收10W功率。27/105解：元件A：非關(guān)聯(lián)方向，P1=－U1I=－10×1=－10W，P1<0，產(chǎn)生10W功率，電源。元件B：關(guān)聯(lián)方向，P2=U2I=6×1=6W，P2>0，吸收6W功率，負(fù)載。元件C：關(guān)聯(lián)方向，P3=U3I=4×1=4W，P3>0，吸收4W功率，負(fù)載。P1+P2+P3=－10+6+4=0，功率平衡。例：

I=1A，U1=10V，U2=6V，U3=4V。求各元件功率，并分析電路的功率平衡關(guān)系。28/105電路分析中的假設(shè)正方向（參考方向）問題的提出：在復(fù)雜電路中難于判斷元件中物理量的實(shí)際方向，電路如何求解？電流方向AB？電流方向BA？E1ABRE2IR29/105(1)在解題前先設(shè)定一個(gè)正方向，作為參考方向；解決方法(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定實(shí)際方向：若計(jì)算結(jié)果為正，則實(shí)際方向與假設(shè)方向一致；若計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則實(shí)際方向與假設(shè)方向相反。(2)根據(jù)電路的定律、定理，列出物理量間相互關(guān)系的代數(shù)表達(dá)式并計(jì)算；30/105例已知：E=2V,R=1Ω求：當(dāng)Uab分別為3V和1V時(shí)，IR=?E

IRRURabUab解：(1)假定電路中物理量的正方向如圖所示；(2)列電路方程：31/105(3)數(shù)值計(jì)算（實(shí)際方向與假設(shè)方向一致）（實(shí)際方向與假設(shè)方向相反）E

IRRURabUab32/105(4)為了避免列方程時(shí)出錯(cuò)，習(xí)慣上把

I

與U

的方向按相同方向假設(shè)(關(guān)聯(lián)正方向）。(1)方程式U/I=R

僅適用于假設(shè)正方向一致的情況。(2)“實(shí)際方向”是物理中規(guī)定的，而“假設(shè)正方向”則是人們在進(jìn)行電路分析計(jì)算時(shí),任意假設(shè)的。(3)在以后的解題過程中，注意一定要先假定“正方向”

(即在圖中表明物理量的參考方向)，然后再列方程計(jì)算。缺少“參考方向”的物理量是無意義的.提示33/105

IRURab假設(shè):

與的方向一致例假設(shè):

與的方向相反

IRURab關(guān)聯(lián)正方向非關(guān)聯(lián)正方向34/105規(guī)定正方向的情況下歐姆定律的寫法U和I為關(guān)聯(lián)正方向時(shí)：U和I為非關(guān)聯(lián)正方向時(shí)：

線性電阻：遵循歐姆定律的電阻，其阻值的大小和電流電壓無關(guān)。35/105RUI注意：用歐姆定律列方程時(shí)，一定要在圖中標(biāo)明正方向。RUIRUI例：36/105

+_I=3AU=6VabR例應(yīng)用歐姆定律求電阻Ra+_I=-3AU=6VbR

+_I=3AU=－6VabR

+_I=-3AU=－6VabR37/105（3）應(yīng)用歐姆定律列寫式子時(shí)，式中有_____套正負(fù)號。列寫公式時(shí)，根據(jù)U、I的________得_______________U、I的值本身有____和_____之分（1）分析計(jì)算電路時(shí)，首先要畫出

，標(biāo)出電壓、電流的

。（2）參考方向是________設(shè)定的。未標(biāo)參考方向的前提下，討論電壓、電流的正、負(fù)值是__________。問題與討論電路圖參考方向兩參考方向公式中的正負(fù)號正值負(fù)值沒有意義的人為任意38/105規(guī)定正方向的情況下電功率的寫法功率的概念：設(shè)電路任意兩點(diǎn)間的電壓為

U,流入此部分電路的電流為I，則這部分電路消耗的功率為:IUP=如果UI方向不一致寫法如何？電壓電流正方向一致aIRUb39/105規(guī)定正方向的情況下電功率的寫法aIRUb電壓電流正方向相反P=–UI功率有正負(fù)？40/105吸收功率或消耗功率（起負(fù)載作用）若P0輸出功率（起電源作用）若P0電阻消耗功率肯定為正電源的功率可能為正（吸收功率），也可能為負(fù)（輸出功率）功率有正負(fù)41/105電源的功率IUab+-P=UIP=–UIIUab+-電壓電流正方向不一致電壓電流正方向一致42/105含源網(wǎng)絡(luò)的功率IU+-含源網(wǎng)絡(luò)P=UI電壓電流正方向一致P=–UI電壓電流正方向不一致IU+-含源網(wǎng)絡(luò)43/105

當(dāng)計(jì)算的P>0

時(shí),則說明U、I

的實(shí)際方向一致，此部分電路消耗電功率，為負(fù)載。

所以，從P的+或-可以區(qū)分器件的性質(zhì)，或是電源，或是負(fù)載。結(jié)論在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)，如果假設(shè)U、I

正方向一致。

當(dāng)計(jì)算的P<0

時(shí),則說明U、I

的實(shí)際方向相反，此部分電路發(fā)出電功率，為電源。44/105根據(jù)能量守恒定律電路中的功率平衡∑P=0

例+—+——+IRURUS2US1已知：US1=15V，US2=5V，R=5Ω，試求電流I和各元件的功率。解：45/105伏-安特性iuRiuui線性電阻非線性電阻(一)無源元件1.電阻R（常用單位：、k、M）1.2電路元件46/1052.電感

L：ui（單位：H,mH,H）單位電流產(chǎn)生的磁鏈線圈匝數(shù)磁通47/105電感中電流、電壓的關(guān)系當(dāng)(直流)時(shí),所以,在直流電路中電感相當(dāng)于短路.uei++––48/1053.電容C單位電壓下存儲的電荷（單位：F,F,pF）++++----+q-qui電容符號有極性無極性+_49/105電容上電流、電壓的關(guān)系當(dāng)(直流)時(shí),所以,在直流電路中電容相當(dāng)于斷路（開路）uiC50/105無源元件小結(jié)理想元件的特性（u與i

的關(guān)系）LCR51/105UR1R2LCR1UR2U為直流電壓時(shí),以上電路等效為注意L、C

在不同電路中的作用52/1051.電壓源(二)有源元件主要講有源元件中的兩種電源：電壓源和電流源。理想電壓源（恒壓源）IUS+_abUab伏安特性IUabUS特點(diǎn)：(1）無論負(fù)載電阻如何變化，輸出電壓不變（2）電源中的電流由外電路決定，輸出功率可以無窮大53/105恒壓源中的電流由外電路決定設(shè):

U=10VIU+_abUab2R1當(dāng)R1

、R2

同時(shí)接入時(shí)：I=10AR22例

當(dāng)R1接入時(shí)：I=5A則：54/105RS越大斜率越大實(shí)際電壓源模型伏安特性IUUSUIRS+-USRLU=US–IRS當(dāng)RS=0時(shí)，電壓源模型就變成恒壓源模型由理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻組成RS稱為電源的內(nèi)阻或輸出電阻55/105理想電流源（恒流源)特點(diǎn)：（1）輸出電流不變，其值恒等于電流源電流IS；abIUabIsIUabIS伏安特性（2）輸出電壓由外電路決定。2.電流源56/105恒流源兩端電壓由外電路決定IUIsR設(shè):IS=1AR=10

時(shí)，U=10

VR=1

時(shí)，U=1

V則:例57/105ISRSabUabIIsUabI外特性

實(shí)際電流源模型RSRS越大特性越陡I=IS–Uab/RS由理想電流源并聯(lián)一個(gè)電阻組成當(dāng)內(nèi)阻RS=時(shí)，電流源模型就變成恒流源模型58/105恒壓源與恒流源特性比較恒壓源恒流源不變量變化量U+_abIUabUab=U

（常數(shù)）Uab的大小、方向均為恒定，外電路負(fù)載對Uab

無影響。IabUabIsI=Is

（常數(shù)）I

的大小、方向均為恒定，外電路負(fù)載對I

無影響。輸出電流I

可變-----

I

的大小、方向均由外電路決定端電壓Uab

可變-----Uab

的大小、方向均由外電路決定59/105電壓源中的電流如何決定？電流源兩端的電壓等于多少？例IER_+abUab=?Is原則：Is不能變，E不能變。電壓源中的電流I=IS恒流源兩端的電壓60/105

用來描述電路中各支路電壓或各支路電流間的關(guān)系,其中包括基氏電流和基氏電壓兩個(gè)定律。術(shù)語：網(wǎng)孔：不包含任何支路的回路支路：電路中的每一個(gè)分支

（一個(gè)支路流過一個(gè)電流）結(jié)點(diǎn)：三個(gè)或三個(gè)以上支路的聯(lián)結(jié)點(diǎn)回路：電路中任一閉合路徑1.3基爾霍夫定律61/105支路：ab、ad、…...

（共6條）回路：abda、bcdb、

…...

（共7個(gè)）結(jié)點(diǎn)：a、b、…...(共4個(gè)）例I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-62/105

對任何結(jié)點(diǎn)，在任一瞬間，流入結(jié)點(diǎn)的電流等于由結(jié)點(diǎn)流出的電流。

基氏電流定律的依據(jù)：電流的連續(xù)性I=0即：I1I2I3I4例或：基爾霍夫電流定律（KCL)I入

=I出即：設(shè)：流入結(jié)點(diǎn)為正，流出結(jié)點(diǎn)為負(fù)。在任一瞬間，一個(gè)結(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和為0。63/105電流定律還可以擴(kuò)展到電路的任意封閉面（廣義結(jié)點(diǎn)）。例I1+I2=I3例I=0基氏電流定律的擴(kuò)展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R64/105

對電路中的任一回路，沿任意循行方向的各段電壓的代數(shù)和等于零。即：

基爾霍夫電壓定律（KVL）即：

在任一回路的循行方向上，電動勢的代數(shù)和等于電阻上電壓降的代數(shù)和。E、U和IR與循行方向相同為正，反之為負(fù)。65/105例如：回路a-d-c-a注意：與循行方向相同為正，反之為負(fù)。I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-66/105基氏電壓定律也適合開口電路。例由：得：E+_RabUabI67/105例aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1分析以下電路中應(yīng)列幾個(gè)電流方程？幾個(gè)電壓方程？68/105基爾霍夫電流方程：結(jié)點(diǎn)a：結(jié)點(diǎn)b：獨(dú)立方程只有1個(gè)基爾霍夫電壓方程：#1#2#3獨(dú)立方程只有2個(gè)aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1網(wǎng)孔網(wǎng)孔69/105設(shè)：電路中有N個(gè)結(jié)點(diǎn)，B個(gè)支路N=2、B=3bR1R2E2E1+-R3+_a小結(jié)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程有

(N-1)個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)孔電壓方程有

(B-N+1)個(gè)則：（一般為網(wǎng)孔個(gè)數(shù)）獨(dú)立電流方程：１個(gè)獨(dú)立電壓方程：２個(gè)70/105求：I1、I2

、I3

能否很快說出結(jié)果？1++--3V4V11+-5VI1I2I3例1求電流i解例2解求電壓uba++--4V5Vi=?3++--4V5V1A+-u=?3例3求電流i例4求電壓u解解要求能熟練求解含源支路的電壓和電流。解I1-10V10V++--1AI=?10例5求電流I例6求電壓U解4V+-10AU=?2+-3AI74/1051.4電阻電路的等效變換

電阻串并聯(lián)的等效變換一、電阻的串聯(lián)ababR1R2RnRR=R1+R2+……+Rn=分壓作用：75/105二、電阻的并聯(lián)R1R2Rn……I1I2InR也可寫成：（G=1/R稱電導(dǎo)，單位為西門子）今后電阻并聯(lián)用“//”表示例：Ｒ1//R276/105三、電阻的串并混聯(lián)

既有電阻串聯(lián)又有電阻并聯(lián)的電路稱為電阻混聯(lián)電路。一般情況下，電阻混聯(lián)電路，可以通過串、并聯(lián)等效概念逐步化簡，最后化為一個(gè)等效電阻。

在求解電阻混聯(lián)電路時(shí)，有時(shí)電路的聯(lián)接關(guān)系看起來不十分清楚，這時(shí)就需要將原電路改畫成串并聯(lián)關(guān)系十分清楚的電路。

改畫電路時(shí)，應(yīng)該注意在改畫過程中要保證電阻元件之間的聯(lián)接關(guān)系不變。無電阻的導(dǎo)線最好縮成一點(diǎn)，并盡量避免交叉；同時(shí)為防止出錯(cuò)，可以先標(biāo)明各節(jié)點(diǎn)的代號，再將各元件畫在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間。77/105【例】分別計(jì)算下圖中開關(guān)打開與閉合時(shí)的等效電阻Rab。

由(b)圖可知K閉合c與d為同一點(diǎn)，故等效電阻為：由(C)圖可知K斷開后，R1和R3

串聯(lián)，R2和R4

串聯(lián)，然后再并聯(lián)，故等效電阻為：78/1051.5電壓源與電流源及其等效變換電路元件主要分為兩類：無源元件—電阻、電容、電感。有源元件—獨(dú)立源、受控源。獨(dú)立源主要有：電壓源和電流源。79/1051、理想電源串聯(lián)、并聯(lián)的化簡電壓源串聯(lián)：電流源并聯(lián)：（電壓源不能并聯(lián)）（電流源不能串聯(lián)）電壓源與電流源的等效變換80/105等效互換的條件：對外的電壓電流相等（外特性相等）。IRO+-EbaUabUab'ISabI'RO'2、實(shí)際電壓源與實(shí)際電流源的等效變換UIoUIoEIS=電壓源外特性電流源外特性81/105等效互換公式IRO+-EbaUabISabUab'I'RO'則I=I'Uab=Uab'若82/105aE+-bIUabRO電壓源電流源Uab'RO'IsabI'83/105等效變換的注意事項(xiàng)“等效”是指“對外”等效（等效互換前后對外伏--安特性一致），對內(nèi)不等效。(1)時(shí)例如:IsaRO'bUab'I'RLaE+-bIUabRORLRO中不消耗能量RO'中則消耗能量對內(nèi)不等效對外等效RL=∞84/105注意轉(zhuǎn)換前后E

與Is

的方向相同(2)aE+-bIROE+-bIROaIsaRO'bI'aIsRO'bI'85/105(3)恒壓源和恒流源不能等效互換abI'Uab'IsaE+-bI（等效互換關(guān)系不存在）86/105（4）理想電源之間的等效電路aE+-bIsaE+-baE+-bRO與理想電壓源并聯(lián)的元件可去掉87/105aE+-bIsabIsabRIs與理想電流源串聯(lián)的元件可去掉88/10