電工電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章(課堂)

第1章電路基本理論及基本定律1.2電路的基本定律1.1電路的基本概念

重點(diǎn)內(nèi)容提要

本章是電工技術(shù)全課程的基礎(chǔ)，應(yīng)深入理解，熟練掌握。

1.1.1電路的組成及作用

1.1.2電路模型

1.1.3電路中的物理量

1.1.4電源的三種狀態(tài)1.1電路的基本概念

電路是電流的通路，是為了實(shí)現(xiàn)某種應(yīng)用目的,由電氣設(shè)備或元件按一定方式連接而成的電流流通的整體。

1.1電路的基本概念1.1.1電路的組成及作用電源:

提供電能的裝置負(fù)載:

取用電能的裝置中間環(huán)節(jié)：傳輸和分配電能的作用電力系統(tǒng)示意圖1.電路的組成發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐...輸電線信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載接受和轉(zhuǎn)換信號(hào)信號(hào)源:

提供信息放大器揚(yáng)聲器話筒

(1)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與轉(zhuǎn)換

(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理2.電路的作用擴(kuò)音機(jī)電路示意圖電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。

電路分析：名詞解釋激勵(lì)與響應(yīng):

已知電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，討論電路的激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系稱為電路分析。電池?zé)襞軪IRU+_負(fù)載電源1.1.2電路模型實(shí)際電路由理想電路元件組成電阻電感電源電容電路模型一、電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)1.電流：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通過(guò)某一導(dǎo)體橫截面的電荷量。

i=dq/dt（交流）I=q/t（直流）單位：安培

2.電壓：兩點(diǎn)間的電位差

uab=va-vb（交流）Uab=Va-Vb（直流）

單位：伏3.電動(dòng)勢(shì)：電源力把單位正電荷從電源的低電位端經(jīng)電源內(nèi)部移到高電位端所作的功。

e（交流）E

（直流）單位：同電壓1.1.3電路的基本物理量實(shí)際方向：正電荷移動(dòng)的方向（A）kAmAμA高電位?低電位實(shí)際方向：電位降落的方向（V）kVmVμV實(shí)際方向：電源驅(qū)動(dòng)正電荷的方向低電位?高電位問(wèn)題的提出：在分析較復(fù)雜的直流電路時(shí)難于事先判斷電流的實(shí)際方向；對(duì)于交流，電流方向隨時(shí)間變化，電路如何求解？電流方向AB？電流方向BA？E1ABRE2IR二、電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)的參考方向u_+正負(fù)號(hào)abUab（高電位在前，低電位在后。）

雙下標(biāo)箭頭uab電壓+-IR電流：在電路圖中用箭頭標(biāo)出,也可用雙下標(biāo)表示,如Iab

。2.表示方法：1.解決方法:(1)在解題前先設(shè)定一個(gè)正方向，作為參考方向；(2)根據(jù)正方向列寫(xiě)電路方程求解。

IRURab假設(shè):

與的方向一致例假設(shè):

與的方向相反

IRURab例如圖所示，U1=-4V，U2=-2V，求Uab=？-ab+U1-U2+解Uab=Ua-Ub=U1-U2=-4-（-2）=-2(5)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)。(4)方程式R=

U/I

僅適用于假設(shè)正方向一致的情況。(1)

“實(shí)際方向”是物理中規(guī)定的，而“正方向”則是人們?cè)谶M(jìn)行電路分析計(jì)算時(shí),任意設(shè)設(shè)的。(2)在以后的解題過(guò)程中，注意一定要先設(shè)定“正方向”然后再列方程計(jì)算。缺少“參考方向”的物理量是無(wú)意義的。提示(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，表明實(shí)際方向與正方向一致。若計(jì)算結(jié)果為負(fù)，表明實(shí)際方向與正方向相反。2.電功率1）定義:單位時(shí)間內(nèi)電能所作的功稱為電功率,

簡(jiǎn)稱功率.

p=ui三、電能和電功率1.電能返回當(dāng)某元件的電壓電流關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)有p=ui當(dāng)某元件的電壓電流非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)有p=－uiabIUabIU返回*若求出的P>0，說(shuō)明元件在吸收功率，一定是負(fù)載，

求出的P<0，說(shuō)明元件在發(fā)出功率，一定是電源。例1、在圖示電路中,Uab=5V

，I＝2A，

求:(1)各個(gè)元件的功率;(2)這段電路上的總功率.返回注意：公式中的“+”、“-”號(hào)是由參考方向決定的。

U、I

數(shù)值本身還有“+”、“-”號(hào)。解:(吸收）(吸收）(吸收）(吸收）（發(fā)出）Uab=5V，I＝2A○○○○A1Ω4Ω－

+10VIR1R2E1E2B

+－5V返回例2、圖中五個(gè)元件代表電源或負(fù)載。參考方向如圖所示。已知：I1=－4A、I2=6A、U1=140V、U2=－90V、U3=60V、U4=－80V、U5=30V。（1）試標(biāo)出各電流和電壓的實(shí)際方向；（2）判斷哪些元件是電源，哪些是負(fù)載；（3）計(jì)算各元件功率。14523UI電流、電壓同相——

負(fù)載電流、電壓反相——

電源元件1、2——電源元件3、4、5——負(fù)載P1=－140V×4A＝－560WP2＝－90V×6A＝－540WP4＝80V×4A＝320WP5＝30V×6A＝180WP3＝(560+540－320－180)W

＝600W返回四、電位１.電位的定義：任選電路中某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)（設(shè)其電位為零），用接地符號(hào)“∣”表示，其它各點(diǎn)的電位則是指該點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓，記為：“VX”（注意：電位為單下標(biāo)）。Va=5V

a

點(diǎn)電位：ab15AVb=-5V

b

點(diǎn)電位：ab15A電位的特點(diǎn)：電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選得不同，電路中其它各點(diǎn)的電位也將隨之改變；電壓的特點(diǎn)：電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考點(diǎn)的不同而改變。2.電位和電壓的區(qū)別。3.電路的簡(jiǎn)化E1+_E2+_R1R2R3R1R2R3+E1-E2∣

電路的簡(jiǎn)化：與參考點(diǎn)相聯(lián)的電源符號(hào)可以省略，用其另一端與參考的電位表示R1R2+15V-15V參考電位在哪里？R1R215V+-15V+-思考以下圖為例求A、B、C點(diǎn)的電位。ABC+R1-E1R3R2+-E2已知:R1=4Ω，

R2=2ΩR3=1ΩE1=

6V，

E2=3V＋－＋－e5V4Vabcd3Ω2Ω4Ω電路中電源的習(xí)慣畫(huà)法與參考點(diǎn)相聯(lián)的一端不畫(huà)，另外一端標(biāo)出極性，寫(xiě)出電位值。如圖+5V－4V9Ωad返回＋－＋－e5V4Vabcd3Ω2Ω4Ω9V9Ωa返回5kΩ+12V5kΩS10kΩBA例1求S閉合和斷開(kāi)時(shí)A、B點(diǎn)的電位＋－12VA10kΩ5kΩB5kΩS

S打開(kāi)時(shí)UA=UB=12VS閉合時(shí)UA=UB=(12/15)×5V=4V解：返回1.電阻元件iuR⑴電壓與電流關(guān)系

u=i

R

滿足歐姆定律

R=u/i若R為常數(shù)稱為線性電阻若R隨u，i的變化而變化稱為非線性電阻（如二極管）只有線性電阻才滿足歐姆定律⑵功率返回1.1.4無(wú)源理想元件p=ui=iR=u/R22

*

P總是大于0即P≥0電阻是耗能元件。(一般電阻上電壓與電流取關(guān)聯(lián)參考方向。)返回2.電感元件⑴電感φiueLiue

Ψ=LiL=Ψ／iL單位是亨利(H)L為常數(shù)稱為線性電感L不是常數(shù)稱為非線性電感⑵自感電動(dòng)勢(shì)eL=dΨdt=Ldidt⑶

電壓與電流的關(guān)系uL

=－eL

=Ldidt返回*

若i=I，uL=0

電感對(duì)直流相當(dāng)于短路⑷能量P=ui=

L

ididt*

它是一種儲(chǔ)能元件不消耗能量>0則P>0吸收能量電能磁場(chǎng)能<0則P<0放出能量磁場(chǎng)能電能返回WL=∫t0P

dt=t0∫L

ididt

dtWL=12L

i

2能量是逐漸積累不能突變∴電感中的電流不能突變

*

WL

與i

2

成正比，與u

無(wú)關(guān)，當(dāng)u＝0WL

仍可能存在

返回3.電容元件⑴電容uiCq

=CuC(法拉F)=q

(庫(kù)侖)u

(伏)1F=106μF

1μF=106pFC為常數(shù)——線性電容C不是常數(shù)——非線性電容返回⑵電壓與電流關(guān)系i=dqdt=CduCdt若uC＝UC

則i＝0*

電容元件對(duì)直流相當(dāng)于開(kāi)路⑶能量P=uC

i=

C

uCduCdt>0則P>0吸收功率電容充電<0則P<0發(fā)出功率電容放電返回WC=∫t0P

dt=CuC212能量不能突變∴電容兩端的電壓不能突變電容是一種儲(chǔ)能元件,不消耗電能*

WC與U

成正比，與i無(wú)關(guān)，

當(dāng)i=0時(shí)，WC

仍可能存在。2

電路中能量轉(zhuǎn)換過(guò)程

電阻耗能元件電電感源儲(chǔ)能元件

電容返回1.電壓源⑴理想電壓源(恒壓源)USIU特點(diǎn):(1)輸出電壓恒定U=US,(2)輸出電流取決于外電路。(3)內(nèi)阻R0=0伏安特性：USUI返回1.1.5有源理想元件⑵實(shí)際電壓源USUR0U=US

－IR0IUIIR0伏安特性:USIU當(dāng)R0<<R時(shí)，R0≈0,U=US返回2.

電流源⑴

理想電流源(恒流源)IISUU伏安特性:IIS特點(diǎn):(1)輸出電流恒定I=IS,與端電壓無(wú)關(guān)。(2)輸出端電壓取決于外電路。(3)內(nèi)阻R0=∞返回⑵實(shí)際電流源ISIUR0I=IS－U／R0UIU伏安特性IISU/R0返回例1、電路如圖，求理想電壓源和理想電流源的功率。US1VR1ΩIS1A解:該電路為串聯(lián)電路各元件的電流均為IS.PUS

=US·

IS=1WPR

=IS2

·R

=1WPIS

=－(PUS

+PR)

=－2W此時(shí)電壓源吸收功率(負(fù)載)＋－功率平衡：ΣΣP吸=P發(fā)U返回一、等效變換的概念兩個(gè)端口特性相同，即端口對(duì)外的電壓電流關(guān)系相同的電路，互為等效電路。1、等效電路返回1.1.6電壓源與電流源的等效變換2、等效變換的條件

對(duì)外電路來(lái)說(shuō)，保證輸出電壓U和輸出電流I不變的條件下電壓源和電流源之間、電阻可以等效互換?！刃ё儞Q對(duì)內(nèi)電路來(lái)說(shuō)，不一定等效。返回幾個(gè)電壓源的串聯(lián)可以等效為一個(gè)電壓源。該電壓源的電壓等于幾個(gè)電壓源電壓的代數(shù)和。1、幾個(gè)電壓源的串聯(lián)二、獨(dú)立電源的等效變換返回-+ba-+Uba-U1U2U=U1

+U2+返回2、幾個(gè)電流源的并聯(lián)幾個(gè)電流源的并聯(lián)可以等效為一個(gè)電流源.該電流源的電流為各電流源電流的代數(shù)和.返回Is1Is2baIsbaIs=Is1

+Is2返回

與恒壓源并聯(lián)的元件在等效變換中不起作用,將其斷開(kāi).USIbaRL-+U-+USbaU=US

I=U/RLRIs3、兩種特殊情況返回RL與恒流源串聯(lián)的元件在等效變換中不起作用,將其短路.IsRbaUIIsbaI=Is

U=IRL

+-返回※只有電壓相等、極性相同的恒壓

源才允許并聯(lián)。

只有電流相等、極性相同的恒流

源才允許串聯(lián)。返回一個(gè)實(shí)際的電源即可以用電壓源模型表示,也可以用電流源模型表示.

對(duì)于負(fù)載來(lái)說(shuō)只要端電壓和輸出電流不變,兩個(gè)電源對(duì)負(fù)載的作用效果相同,所以實(shí)際電壓源和電流源可以等效變換.電源RIU1、實(shí)際電源的等效變換三、電源的等效變換返回U實(shí)際電流源的伏安特性IIS實(shí)際電壓源的伏安特性UsIUI

R0U/R0IsRoUs/RoU=US－IR0I=IS－U／R0返回電壓源:U=Us－IRo

------<1>電流源:I=Is－U/Ro′

U=IsRo′－IRo′-------<2>Is=/

RoUsUs=IsRoURoUsIsRoIIU-+返回Us=Is

Ro′Is=Us/Ro′

Ro=Ro′Ro=Ro′電流源電壓源電壓源電流源返回2、注意事項(xiàng)等效互換是對(duì)外電路而言的,內(nèi)部電路并不等效。恒壓源與恒流源之間不能等效變換。變換時(shí)注意電源的方向,電流源的流向是從電壓源正極出發(fā)。返回:將圖示的電壓源變成電流源例I-+10V2Ωba解:Is=10/2=5AIsI2Ωba返回:將圖示的電流源變成電壓源例IsI5Ωba1AUs=Is×5Ω=5VUs5Ωba+-返回例用電源等效變換的方法求圖中的I。4Ω+-+-6V4V2A3Ω6Ω1Ω2ΩI+-4V2A6Ω4Ω1Ω2ΩI2A3Ω返回2Ω4A3Ω2A+-4V2A6Ω4Ω1Ω2ΩI2Ω+-4V4Ω1ΩI返回8V2Ω+-2Ω4A2Ω+-4V4Ω1ΩI2Ω+-4V4Ω1ΩI返回1ΩI1A4Ω4Ω2A8V2Ω+-2Ω+-4V4Ω1ΩI返回1ΩI3A2ΩI=2/3×3=2A1ΩI1A4Ω4Ω2A返回在用等效變換解題時(shí)，應(yīng)至少保留一條待求支路始終不參與互換，作為外電路存在；等求出該支路電流或電壓時(shí)，再將其放回電路中去作為已知值，求其它支路電流或電壓。返回例:試求出圖示電路中電流I。+18V+8V+6V+3Ω3ΩI4Ω6Ω2A3A20V5Ω2Ω+18V2Ω返回+－+2A3Ω6Ω2Ω5Ω4Ω3Ω18V20VI5=I

+Is=2A+2A=4AI1

=I3+I≈0.67A+2A=2.67AI2

=－18／2A=－9AI4

=I1－I2

=2.67A－（－9）A=11.67AI5abII1I3I2I4I6I6=I5-IS=4A-2A=2AI3

=Uab／R3

=-A23返回一、電源有載工作U+-ROEIR1.1.7

電源的三種狀態(tài)

1.特征:①

電流的大小由負(fù)載決定。負(fù)載端電壓U=IR

或U=E–IRo②在電源有內(nèi)阻時(shí)，

IU。E電源的外特性曲線OIU③電源輸出的功率由負(fù)載決定。UI=EI–I2Ro2.功率與功率平衡

U=E-IR0III

P=PE-PPE=IE

電源產(chǎn)生的功率P=IU電源輸出的功率P=IR電源內(nèi)阻上損耗的功率2在一個(gè)電路中，電源產(chǎn)生的功率和負(fù)載取用的功率及內(nèi)阻上損耗的功率是平衡的。負(fù)載大小的概念:

負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加(電壓一定)。3.電源與負(fù)載的判別U、I參考方向不同，P=UI

0，電源；

P=UI

0，負(fù)載。U、I參考方向相同，P=UI0，負(fù)載；

P=UI

0，電源。

1.

根據(jù)U、I的實(shí)際方向判別2.

根據(jù)U、I的參考方向判別電源：U、I實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出，（發(fā)出功率）；負(fù)載：U、I實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。

（吸收功率）。4.電氣設(shè)備的額定值額定值:電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載)：

I<IN

，P<PN(不經(jīng)濟(jì))

過(guò)載(超載)：

I>IN

，P>PN(設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài)：

I=IN

，P=PN

(經(jīng)濟(jì)合理安全可靠)1.額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性；2.額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。例：燈泡：UN=220V

，PN=60W電阻：RN=100

，PN=1W

二、電源開(kāi)路2.U=UO=EU=E+-ROEI1.I=03.P=0UO稱為開(kāi)路電壓電源不輸出電能

特征:三、電源短路

+-ROEUI

1.U=02.I=IS=E/RO

3.PE=EI=P=IRO2電源輸出的功率

P=0Is稱為短路電流電源產(chǎn)生的功率全部消耗在內(nèi)阻上。

特征:支路：ab、ad、…（共6條）回路：abda、bcdb、...（共7個(gè)）節(jié)點(diǎn)：a、b、…(共4個(gè)）例I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-名詞注釋：支路：電路中每一個(gè)分支節(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1.2基爾霍夫定律

基爾霍夫電流定律（節(jié)點(diǎn)電流定律）

KCL

用來(lái)描述同一節(jié)點(diǎn)上各支路電流間的關(guān)系。基爾霍夫電壓定律（回路電壓定律）

KVL

用來(lái)描述同一回路中各段電壓間的關(guān)系。

基爾霍夫定律(一)基爾霍夫電流定律(KCL)在任一瞬間，流入節(jié)點(diǎn)的電流等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流。I1I2I3I4KCL的依據(jù)：電流的連續(xù)性。I=0即：例或者說(shuō)，在任一瞬間，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和恒為0。出正入負(fù)KCL通常用于節(jié)點(diǎn)，也可以應(yīng)用到電路的任意封閉面。例I1+I2=I3例I=0基爾霍夫電流定律的推廣應(yīng)用I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R(二)基爾霍夫電壓定律(KVL)

對(duì)電路中的任一回路，沿任意循行方向繞行一周，其電位升之和等于電位降之和。例如：回路a-d-c-a電位升電位降I3E4E3_+R3R