第1章(電路基礎(chǔ)知識)素材

第1章(電路基礎(chǔ)知識)素材第1章電路基礎(chǔ)知識1.1電路及其主要物理量1.2電路元件1.3基爾霍夫定律1.4電阻的串聯(lián)與并聯(lián)1.5電路的狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值1.1電路及其主要物理量電路的組成電路是電流的通路，由電源、負載、中間環(huán)節(jié)三個部分按一定方式組成的。各部分的主要功能電源：電路中電能的來源，是把非電能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。負載：消耗電能的設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，為人們所利用。中間環(huán)節(jié):連接電源和負載的部分，起傳遞、分配和控制電能的作用。1.1.1電路的概念1.1.2電路的主要物理量電流:帶電粒子的有規(guī)則定向運動就形成了電流，其數(shù)值等于單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。電流大?。簡挝粫r間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量大寫I表示直流電流;小寫i為表示電流的一般符號。規(guī)定正電荷運動的方向或負電荷運動的相反方向為電流的實際方向。電流的方向可用箭頭或雙下標(biāo)變量表示。任意假設(shè)的電流方向稱為電流的參考方向,也稱正方向。如果求出的電流值為正，說明電流的參考方向與實際方向一致，否則說明參考方向與實際方向相反。圖1-2電流的參考方向與實際方向2.電壓、電動勢和電位（1）電壓：設(shè)在某一電路中電場力把電荷q從A點經(jīng)外電路移動到B點所做的功為，則電場中A點到B點的電壓為電壓的方向（實際方向）規(guī)定由高電位端指向低電位端，即為電壓降的方向。在分析電路時，也需選取電壓的參考方向。當(dāng)電壓的參考方向與實際方向一致時，電壓為正值（U>0）；反之，當(dāng)電壓的參考方向和它的實際方向相反時，電壓為負值（U<0）。電壓的參考方向也是任意指定的。在電路中，參考方向可用箭頭來表示，也可用雙下標(biāo)表示，如表示A和B之間電壓的參考方向是由A指向B的，也可用極性“+”、“-”表示，“+”表示高電位，“-”表示低電位。求得的U為正值，說明電壓的實際方向與參考方向一致，否則說明兩者相反。圖1-4電壓的參考方向與實際方向在分析電路時，電壓和電流參考方向的假定，原則上是任意的。但為了方便起見，元件上的電壓和電流常取一致的參考方向，這稱為關(guān)聯(lián)參考方向；如不一致，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。若U與I參考方向一致，則其電壓與電流的關(guān)系是；若U與I參考方向不一致，則電壓與電流的關(guān)系是?？梢?，在列寫電壓與電流的關(guān)系式時，式中的正負號由它們的參考方向是否一致來決定。圖1-5關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向（2）電動勢：衡量非電場力對電荷做功能力的物理量。非電場力將單位正電荷從電源低電位端B（負極）經(jīng)電源內(nèi)部移到高電位端A（正極）所做的功稱為電源的電動勢，用字母E表示。電動勢的實際方向在電源內(nèi)部是從低電位指向高電位。（3）電位：度量電路中各點所具有的電位能大小的物理量，是一個相對的概念，它必須是相對于某個特定的參考點而言的。電位在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷從該點移到參考點所做的功，用V表示。參考點的電位值一般設(shè)為零，因此也稱為零電位點。對照電位與電壓的定義，不難理解電路中任意一點的電位，就是該點與參考點之間的電壓，而電路中任意兩點之間的電壓，則等于這兩點的電位之差。

式中，為A點的電位，為B點的電位。1103V110-3V那么如何選取參考點呢？從理論上講，是把無窮遠處作為零電位參考點；在工程上，是把大地作為零電位參考點；在電子技術(shù)上，以機殼或?qū)Ь€匯交點作為零電位參考點。實際上，零電位參考點可以任意選定，它只是作為一個電位比較標(biāo)準(zhǔn)，在電路圖中用“⊥”符號表示。在國際單位制中，電壓、電動勢和電位的單位都是伏特（V）。當(dāng)電場力把1C（庫侖）的電荷從一點移到另一點所做的功為1J（焦耳）時，該兩點間的電壓為1V。有時也用千伏（）、毫伏（）為單位，它們之間的換算關(guān)系為下面以圖1-6為例，來討論電路中各點的電位。設(shè)E1=30V，E2=40V，R1=10Ω，R2=20Ω，R3=10Ω，I1=1A，I2=1A，I3=2A。先把D點設(shè)為參考點，則各點的電位如下：0V1=30V3R3=20V2=40V如果把上圖中的B點作為參考點，則各點的電位值為0V1R1=10V2R2=20V3R320V圖1-6電路中各點的電位無論是把B點作為參考點，還是把D點作為參考點，雖然各點的電位值變了，但任意兩點間的電壓是不變的。如C到B點的電壓總為2R2=20V。從上面的結(jié)果可得出如下兩點結(jié)論：①電路中某一點的電位等于該點與參考點（電位為零）之間的電壓；②參考點選得不同，電路中各點的電位值不同，但是任意兩點間的電壓是不變的。所以各點電位的高低是相對的，而兩點間的電壓是絕對的。在畫電路圖時，特別在畫電子電路圖時，常省掉電源，各端標(biāo)以電位值。3.電能和功率設(shè)A、B兩點的電壓為U，通過的電流為I，電場力把正電荷q從A點經(jīng)負載移到B點，電場力對正電荷做了功。由電壓、電流的定義，電場力所做的功可表示為這就是在時間t內(nèi)負載所消耗或吸收的電能，而單位時間內(nèi)消耗的電能稱為功率。在電路分析中，當(dāng)電壓、電流在參考方向下，功和功率也是代數(shù)量。在電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向時，P>0，說明元件是耗能的，為負載；若P<0，說明元件產(chǎn)生電能，為電源。若電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，情況相反，可修正為P=【例1-2】在圖1-10所示電路中，電壓、電流的參考方向已標(biāo)出，已知I14A，I26A，I3=10A，U1=60V，U260V，U3=60V，求各元件的功率，并判斷是輸出功率還是消耗功率，驗證功率是否平衡。解：元件一：（輸出功率）元件二：（輸出功率）元件三：（消耗功率）（功率平衡，說明計算正確）圖1-10例1-2電路圖1.2電路元件電路中連接的電氣裝置或器件，形態(tài)各異，種類繁多，物理性質(zhì)復(fù)雜，所以由實際電路元件組成的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便進行分析計算。為此，需要將實際電路元件理想化?；镜睦硐霟o源元件有電阻元件、電感元件和電容元件；理想有源元件有電壓源和電流源。1．電阻元件理想電阻元件簡稱為電阻元件，是實際電阻器的理想化模型，它是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能的理想電路元件。1.2.1無源元件電流通過導(dǎo)體時會受到一種阻礙作用，這種阻礙作用最明顯的特征是導(dǎo)體要消耗電能而發(fā)熱。我們把物體對電流的阻礙作用稱為電阻。導(dǎo)體的電阻與其長度成正比，和橫截面積成反比，并和材料、溫度有關(guān)。

電阻元件的圖形符號如圖1-14a所示，用字母R表示。當(dāng)電阻兩端的電壓與流過電阻的電流為關(guān)聯(lián)參考方向時，根據(jù)歐姆定律(在一段沒有電動勢而只有電阻的電路中，電流的大小與電阻兩端的電壓高低成正比，與電阻的大小成反比)，其伏安特性為電阻的單位為歐姆（Ω），簡稱歐。電阻元件消耗的功率為圖1-14電阻元件及其伏安特性2．電感元件電感元件是一種能夠儲存磁場能量的元件，是實際電感器的理想化模型。在實際電路中，由導(dǎo)線螺旋繞制成的線圈稱為“電感線圈”或者“電感器”的元件。電感的大小取決于線圈的幾何形狀、匝數(shù)及其中間的磁介質(zhì)。圖1-15電感元件及其韋安特性伏安特性：Ｌ稱為電感元件的電感，單位是亨利（Ｈ）。只有電感上的電流變化時，電感兩端才有電壓。在直流電路中，電感上即使有電流通過，但ｕ＝０，相當(dāng)于短路。存儲能量：3．電容元件電容元件是一種能夠儲存電場能量的元件，是實際電容器的理想化模型。電容器由一對相互靠近中間隔以絕緣介質(zhì)（如空氣、云母、陶瓷等）的導(dǎo)體構(gòu)成。電容大小取決于極板何的相對面積、距離及中間介質(zhì)。只有電容上的電壓變化時，電容兩端才有電流。在直流電路中，電容上即使有電壓，但ｉ＝０，相當(dāng)于開路，即電容具有隔直作用。C稱為電容元件的電容，單位是法拉（F）。存儲能量：圖1-16電容元件及其庫伏特性1．電壓源1.2.2有源元件

端電壓為，與流過電壓源的電流無關(guān)，由電源本身確定，電流任意，由外電路確定。當(dāng)電流流過電壓源時從低電位流向高電位，則電壓源向外輸出電能。當(dāng)電流流過電壓源時從高電位流向低電位，則電壓源吸收電能，此時相當(dāng)于負載。圖1-17理想電壓源及其伏安特性2．電流源流過電流為，與電源兩端電壓無關(guān)，由電源本身確定，電壓任意，由外電路確定。電流源既可以對外電路提供能量，也可以從外電路接受能量，視電壓的極性而定。圖1-18理想電流源及其伏安特性3．受控電源元件受控電源元件簡稱為受控源，它向電路提供的電壓和電流，是受其他支路的電壓或電流控制的。當(dāng)控制電壓或電流為零時，受控源就不起電源作用了。受控源有電壓源，也有電流源，而控制量可以是電壓，也可以是電流。因此，受控源有四種不同的類型。分別為電流控制電壓源（）、電流控制電流源（）、電壓控制電壓源（）、電壓控制電流源（）圖1-19受控電源符號1.3基爾霍夫定律基爾霍夫定律包含有兩條定律：有關(guān)電路中電流之間關(guān)系的基爾霍夫電流定律；有關(guān)電路中電壓之間關(guān)系的基爾霍夫電壓定律。支路：電路中的每一分支稱為支路，一條支路流過同一個電流。節(jié)點：電路中三條或三條以上的支路相連接的點稱為節(jié)點?；芈罚河梢粭l或多條支路所組成的閉合路徑稱為回路網(wǎng)孔：未被其他支路分割的回路稱為網(wǎng)孔。1.3.1基爾霍夫電流定律（）在任一瞬時，流入任一節(jié)點的電流之和必定等于從該節(jié)點流出的電流之和。在任一瞬時，通過任一節(jié)點電流的代數(shù)和恒等于零。表述一表述二可假定流入節(jié)點的電流為正，流出節(jié)點的電流為負；也可以作相反的假定?；鶢柣舴螂娏鞫梢部梢酝茝V應(yīng)用于電路中任何一個假定的閉合面。例如在圖1-24所示電路中，對于封閉面S，可以將它看作一個大節(jié)點，同樣有或在任一瞬間，通過任一閉合面電流的代數(shù)和等于零?；鶢柣舴螂娏鞫墒请娏鬟B續(xù)性的體現(xiàn)。圖1-24基爾霍夫電流定律的推廣應(yīng)用【例1-3】在圖1-25所示的部分電路中，已知：3A，5A，8A，求、和。解：根據(jù)圖中所示的電流參考方向，對節(jié)點A、B、C，應(yīng)用基爾霍夫電流定律得出也可由基爾霍夫電流定律的推廣應(yīng)用求得，即圖1-25例1-3電路圖1.3.2基爾霍夫電壓定律（）表述一任何時刻，沿任一回路循環(huán)一周，所有支路電壓降的代數(shù)和等于零。表述二任一瞬時，沿電路中的任一回路循環(huán)一周，電阻上電壓降的代數(shù)和等于電源電壓的代數(shù)和。電壓參考方向與回路循行方向一致時取正號，相反時取負號。與回路循環(huán)方向一致的電流前面取“+”號，相反的取“-”號；與回路循環(huán)方向一致的電源電壓取“-”號，相反的取“+”號?；鶢柣舴螂妷憾刹坏m用于閉合回路，對于開口電路同樣適用，但需要在開口處假設(shè)電壓?！纠?-4】求圖1-27所示電路的開口電壓。解：電流I參考方向如圖所示，在回路中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有在回路中，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有圖1-27例1-4電路圖【例1-5】已知圖1-28所示的電路中電流源的電流2.2A，電阻R0=10Ω，1Ω，試求：（1）開關(guān)S斷開時電流源的端電壓U。（2）開關(guān)S閉合后電流源的端電壓U及負載電流I。解：（1）S斷開時，，根據(jù)歐姆定律得（2）S閉合后，對節(jié)點A根據(jù)基爾霍夫定律列出電流方程式對回路根據(jù)基爾霍夫定律列出電壓方程式聯(lián)立，消去I0，得負載電流端電壓圖1-28例1-5電路圖1.4電阻的串聯(lián)與并聯(lián)1.4.1電阻的串聯(lián)電阻的串聯(lián)是把若干個電阻元件一個接一個地連接在一起，構(gòu)成一條無分支的電路。串聯(lián)電阻通過的是同一個電流。如圖1-34a。串聯(lián)電阻的總電阻等于各串聯(lián)電阻之和，總電阻用R表示。把圖1-34a簡化為圖1-34b。雖然流過串聯(lián)電阻的電流相同，但是它們的電壓并不相同，各電阻上的電壓為圖1-34電阻的串聯(lián)可見，各個串聯(lián)電阻上的電壓與其電阻成正比，電阻越大，其上的電壓越大；電阻越小，其上的電壓越小。各電阻消耗的功率為如果把式中的各項乘以I，則得即串聯(lián)電阻消耗的總功率等于各個電阻消耗的功率之和。1.4.2電阻的并聯(lián)若將多個電阻連接在兩個公共的節(jié)點之間，這種連接方式稱為電阻的并聯(lián)。并聯(lián)的各個電阻作用于同一電壓下。如圖1-35a。幾個電阻并聯(lián)時，總電阻R的倒數(shù)等于各個電阻的倒數(shù)之和。把圖1-35a簡化為圖1-35b。對于兩個并聯(lián)的電阻，根據(jù)，可得總電阻為圖1-35電阻的并聯(lián)各并聯(lián)支路的電流為這就是兩個電阻并聯(lián)時的電流分配公式，各個電阻中的電流與電阻成反比。并聯(lián)電阻消耗的總功率為并聯(lián)電阻消耗的總功率等于各電阻消耗的功率之和。并聯(lián)的負載電阻愈多，則總電阻愈小，電路中的總電流和消耗的總功率也就愈大，但是每個負載的電流和功率卻沒有變化?！纠?-7】電路如下圖所示，其中R1=20Ω，R2=5Ω，R3=5Ω，R4=10Ω，電源電壓100V，試求I。解：R2、R3串聯(lián)，其等效電阻R2323=10ΩR23與R4并聯(lián)，其等效電阻R234==5Ω

R234與R1串聯(lián)，其等效電阻所求電流1234=25Ω其簡化電路