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文檔簡介
第1章電路的基本概念及基本定律(時間:4次課,8學(xué)時)第1章電路的基本概念及其基本定律1.1電路及其組成1.2電路的基本物理量和參考方向1.3電氣設(shè)備的額定值及電路的工作狀態(tài)1.4電路的基本定律1.5電路中電位的計算1.6電源1.1電路及其組成電路及其組成電路的功能電路及其組成
基本概念:電路:有電流通過的路徑。
圖1.1電路的組成電源:供給電路電能的設(shè)備。它把其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能,如發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。負(fù)載:各種用電設(shè)備。它是將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的裝置,如電燈把電能轉(zhuǎn)換為光能和熱能。中間環(huán)節(jié):連接電源和負(fù)載的部分。最簡單的中間環(huán)節(jié)就是導(dǎo)線和開關(guān),起到傳輸和分配電能或?qū)﹄娦盘栠M(jìn)行傳遞和處理的作用。電路一般由三部分組成:電路的功能按工作任務(wù)劃分,電路功能有兩類。能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配.如供電電路用發(fā)電機(jī)將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能,再通過變壓器和輸電線送到負(fù)載,將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量.信號的處理.如機(jī)、電視機(jī)、收音機(jī)等。將聲音或圖像信號轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)各種處理后,送到負(fù)載,負(fù)載再將電信號轉(zhuǎn)換成聲音或圖像信號。
圖1.2電路的功能基本概念:
理想的電路元件是具有某種確定的電或磁性質(zhì)的假想元件。用理想電路元件構(gòu)成的電路叫電路模型.用特定的符號代表元件連接成的圖形叫電路圖.
圖1.3理想電路元件的符號
圖1.4電路圖
1.2電路的基本物理量和參考方向電路的基本物理量和參考方向元件的伏安關(guān)系電路的基本物理量和參考方向1、電流和電流的參考方向:基本概念:電荷的定向移動形成電流。
規(guī)定正電荷的運(yùn)動方向為電流的方向.
表征電流強(qiáng)弱的物理量叫電流強(qiáng)度,簡稱電流。電流在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量.電流的大小和方向均不隨時間變化而變化,這種電流稱為直流電流。直流電流通常用大寫字母表示.隨時間變化的電流一般用小寫字母表示。電流的單位為安培(A)。也有KA、mA、uA。電流的參考方向:
電路中的電流應(yīng)該既有電流的大小又要有其方向。電流的參考方向是任意設(shè)定的.計算結(jié)果為正值,則表示電流的實際方向與參考方向一致;若電流為負(fù)值,則表示實際方向與參考方向相反。
圖1.6電流的實際方向和參考方向的聯(lián)系2、電壓和電壓的參考方向:
基本概念:把單位正電荷從a點移動到b點電場力所做的功定義為a、b兩點間的電壓。電場力將單位正電荷從電場內(nèi)的a點移動至無限遠(yuǎn)處所做的功,被稱為a點的電位。電源力不斷克服電場力,使正電荷由負(fù)極b移向正極a。電源力對電荷做功的能力用物理量電動勢來衡量。
電壓、電位、電動勢的單位均為伏特(V)。電壓的參考方向:電壓方向規(guī)定為由高電位指向低電位,即電位降方向。在電路分析中也可選取電壓的參考方向,電壓和電流參考方向的選擇是獨(dú)立無關(guān)的,但為了方便分析問題,常常把兩者的參考方向選擇為一致,即選取成關(guān)聯(lián)參考方向。若計算所得電壓為正值,實際方向與參考方向一致;反之,則相反。
電動勢的方向:電動勢的方向規(guī)定為由低電位指向高電位,即電位升方向,其單位也為V(伏[特])。
圖1.8電壓參考方向的表示法3、電功率電路中,單位時間內(nèi)電路元件的能量變化用功率表示。元件類型判別:當(dāng)、參考方向一致時,該元件是負(fù)載;當(dāng)、參考方向相反時,該元件是電源。電能,單位為J(焦耳).也可以用W·s或kW·h作單位.解:電路應(yīng)遵守能量守恒定律,即由題意可知,元件1發(fā)出功率205W,元件2、4、5共吸收功率135W,則元件3吸收功率70W。例1圖1.9示電路是5個元件組成的電路,關(guān)聯(lián)方向下,如果,,,,計算元件3是吸收或發(fā)出的功率。圖1.9例1-1圖元件的伏安關(guān)系1、電阻元件金屬導(dǎo)體的電阻:導(dǎo)體的電阻值R與導(dǎo)體的長度l成正比,與導(dǎo)體的橫截面積s成反比,并與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。電阻率是單位長度單位截面積時導(dǎo)體的電阻值。越大,物質(zhì)的導(dǎo)電能力就越差。另外,金屬導(dǎo)體的電阻率還受溫度的影響,一般的金屬導(dǎo)體,溫度越高,電阻率越大。
例1-2一臺電動機(jī)的線圈由直徑為1.13mm的漆包銅線繞成,測得在20℃時電阻為1.64,求共用了多長的導(dǎo)線?解:電阻的伏安關(guān)系:
圖1.10電阻元件的伏安關(guān)系關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向2、電感元件電感系數(shù):在圖1.8參考方向下線性電感元件的磁鏈與電流i成正比,比例系數(shù)稱為電感系數(shù)L。即
式中,電感系數(shù)L的單位為H(亨[利]);磁鏈和磁通的單位均為Wb(韋[伯])。
圖1.12線性電感元件電感元件的伏安關(guān)系:即電感兩端電壓與通過電流的變化率成正比。3、電容元件平板電容器的電容量:式中,為兩極板正對面積,為兩平行極板間距離,為電介質(zhì)的介電常數(shù)。
圖1.13平板電容器電容元件的伏安關(guān)系:即通過電容的電流與電容兩端電壓的變化率成正比。圖1.14線性電容元件1.3電氣設(shè)備的額定值及電路的
工作狀態(tài)電氣設(shè)備的額定值電路的3種工作狀態(tài)電氣設(shè)備的額定值
基本概念:額定電流:為使電氣設(shè)備工作溫度不超過其最高允許溫度,對電氣設(shè)備長期運(yùn)行時的最大容許電流設(shè)定了一個限制值,該限制值便是電氣設(shè)備的額定電流。額定電壓:為了限制電氣設(shè)備的電流及限制絕緣材料承受的電壓,允許加在各電氣設(shè)備上的電壓也有一個限值,該限值便是電氣設(shè)備的額定電壓。電壓等級標(biāo)準(zhǔn):交流用330kV、220kV、110kV、35kV、10kV、660V、380V、220V等
直流用660V、220V、110V等
干電池為1.5V、3V、6V等
基本概念:
額定功率:額定功率是指電氣設(shè)備正常運(yùn)行時的輸入功率或輸出功率,對電阻性負(fù)載而言滿載:電氣設(shè)備工作電流、電壓、功率等于額定值;低于輕載(或欠載):電氣設(shè)備工作電流、電壓、功率低于額定值;超載(或過載):電氣設(shè)備工作電流、電壓、功率高于額定值。注意:使用時不應(yīng)使實際值超過額定值,并且盡量使電氣設(shè)備工作在滿載狀態(tài)。
例1-3一個標(biāo)稱值為0.25W、100Ω的碳膜電阻,其額定電流為多少?使用電壓不得超過何值?電阻的額定功率為0.25W,阻值為100Ω,則額定電流為解:電阻兩端電壓不得超過電路的3種工作狀態(tài)電路有3種工作狀態(tài):通路、開路、短路。
電路電流:
電源端電壓:
負(fù)載消耗功率:
在E和為常數(shù)時,通路狀態(tài)下電路電流取決于負(fù)載電阻。負(fù)載重,即小,就大;負(fù)載輕,即大,就小。1、通路圖1.15(a)2、開路電路電流:電源端電壓:負(fù)載消耗功率:圖1.15(b)3、短路短路電流:電源端電壓:負(fù)載消耗功率:電源短路是一種非常嚴(yán)重的事故,應(yīng)該在電路中設(shè)置短路保護(hù)裝置。短路時,由于電源內(nèi)阻R0很小,故短路電流很大,電源所產(chǎn)生功率全部消耗在內(nèi)阻上。圖1.16(c)
例1-4在圖1.16所示電路中,已知E=100V,,。試分別求出圖示(a)、(b)、(c)所示3種電路中的、及負(fù)載消耗的功率及電源發(fā)出功率。圖1.16例1-4圖解:圖(a)所示電路處于開路狀態(tài):圖(b)所示電路處于通路狀態(tài):圖(c)所示電路處于短路狀態(tài):
短路時,電源發(fā)出功率全部消耗在內(nèi)阻上,且短路電流比正常工作時大很多,因此必須采取一定的保護(hù)措施。1.4電路的基本定律歐姆定律基爾霍夫定律歐姆定律一個包含電源、負(fù)載在內(nèi)的電路稱為全電路。
流過電路的電流
:電源兩端電壓:圖1.17全電路歐姆定律基爾霍夫定律
基本概念:支路:電路中通過同一電流的每個分支。圖1.18所示電路中有3條支路:amf、bne、cd。節(jié)點:3條或3條以上支路的連接點。圖1.18所示電路中有兩個節(jié)點:b點和e點?;芈罚弘娐分腥我婚]合路徑。圖1.18所示電路中有3個回路:abnefma、bcdenb、abcdefma。網(wǎng)孔:內(nèi)部不含有支路的回路,即“空心回路”。。圖1.18所示電路中有兩個網(wǎng)孔:abnefma、bcdenb。
圖1.18復(fù)雜電路
1、基爾霍夫電流定律(KCL)任一瞬間流入某個節(jié)點的電流之和等于流出該節(jié)點的電流之和。其表示式為也可寫成
也可表述成,任一瞬間流入某個節(jié)點的電流代數(shù)和為0。若流入節(jié)點的電流為正,那么流出節(jié)點的電流就取負(fù)。例如,圖示復(fù)雜電路各支路電流關(guān)系可寫成:
或
基爾霍夫定律不僅適用于電路中的任一節(jié)點,也可推廣至任一封閉面如圖1.19。節(jié)點a:
節(jié)點b:
節(jié)點c:
3個方程式相加,得
流入此虛線所示封閉面的電流代數(shù)和恒等于零,即流進(jìn)封閉面的電流等于流出封閉面的電流。圖1.19KCL推廣形式
例1-5求圖1.20所示電路中未知電流。已知,,解:該電路有4個節(jié)點、6條支路。根據(jù)基爾霍夫電流定律節(jié)點a:
節(jié)點c:節(jié)點d:圖1.20例1-5圖
例1-6圖1.21所示為一晶體管電路。已知,,求。解:晶體管VT可假想為一閉合節(jié)點,則根據(jù)KCL有圖1.21例1-6圖
2、基爾霍夫電壓定律(KVL)
任一瞬間沿電路中任一閉合回路,沿回路繞行方向,各段電壓代數(shù)和恒等于零。其表達(dá)式為例如,圖1.22中回路I:
回路Ⅱ:
把歐姆定律公式及電源電壓代入
,得回路I:
回路Ⅱ:
元件上電壓方向與繞行方向一致時歐姆定律公式前取正號,相反取負(fù)號。對電阻元件而言,一般電壓與電流取關(guān)聯(lián)參考方向,則電流方向與繞行方向一致取正號,相反取負(fù)號。圖1.22復(fù)雜電路中回路繞行方向
基爾霍夫電壓定律也可推廣至任一不閉合回路,但要將開口處電壓列入方程如圖1.23。
回路I:
回路Ⅱ:
圖1.23KVL推廣形式例1-7列出圖1.24所示晶體管電路的回路的電壓方程。各支路電流參考方向及回路繞行方向已標(biāo)出。解:根據(jù)KVL列方程回路I:
回路Ⅱ:
回路Ⅲ:
圖1.24例1-7圖
例1-8電路如圖1.25所示,應(yīng)用KVL計算、。解:回路I、回路Ⅱ繞行方向及電流參考方向如圖所示。則根據(jù)KVL,回路II有同理,根據(jù)KVL,在回路Ⅱ中有
把代入上式,得
圖1.25例1-8圖
在進(jìn)行電路分析時,應(yīng)用電位概念經(jīng)??梢院喕娐贩治觥?/p>
為確定各點電位,首先必須在電路中選擇一個參考點。參考點也稱接地點,用符號“⊥”表示。參考點的電位為零,電路中某點的電位值就是該點與參考點之間的電位差。參考點選擇是任意的。電位的大小與參考點選擇有關(guān);電路中兩點間的電壓大小與參考點選擇無關(guān)。1.5電路中電位的計算例1-9如圖1.26所示,若分別以A點、B點、C點、D點為參考點,求各點電位值和、、。解:若選A點為參考點,則UAB=VA-VB=0-VB=9V,即VB=-9V。同理可計算電路中其他各點的電位值,見下表:電位/電壓參考點A點0-9V-3V-6V9V-6V3VB點9V0-6V-9V9V-6V3VC點3V-6V0-3V9V-6V3VD點6V-3V3V09V-6V3V圖1.26例1-9圖
例1-10如圖1.27所示,已知,,,,。試求電路中各點的電位。解:該電路電流參考方向及回路繞行方向如圖1.27所示,則根據(jù)KVL及歐姆定律有該電路選擇A點作為參考點,則
圖1.27例1-10圖獨(dú)立源實際電源模型及等效變換受控電壓源和電流源1.6電源
電源的電壓或電流不受外電路影響而獨(dú)立存在的,這類電源稱為獨(dú)立源。根據(jù)獨(dú)立源在電路中表現(xiàn)的是電壓還是電流,可分成電壓源和電流源。獨(dú)立源電壓源
能夠提供一個數(shù)值恒定或者與時間具有確定函數(shù)關(guān)系的電壓的電源(如干電池、發(fā)電機(jī))稱為電壓源。
圖1.28電壓源及其伏安特性2.電流源
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