電工電子,第一章電路的基本概念與基本定律

歡迎學(xué)習(xí)<電工電子學(xué)>課程青海大學(xué)水電學(xué)院電工教研室唐巖編學(xué)分：3.5學(xué)時(shí)：56〔40+16〕在高等工業(yè)學(xué)校非電專業(yè)的教學(xué)方案中，本課程是一門實(shí)際性較強(qiáng)的技術(shù)根底課程。它的義務(wù)是使學(xué)生經(jīng)過對(duì)本大綱規(guī)定的全部教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，獲得電工和電子技術(shù)方面的技術(shù)實(shí)際、根本知識(shí)和根本技藝，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及今后從事工程技術(shù)任務(wù)打下必要的根底。本課程與大學(xué)物理嚴(yán)密相連.其中電路的電阻串并聯(lián),電路的根本物理量,歐姆定理,電路的參數(shù),磁場(chǎng)的根本物理量,磁性資料的磁性能及整流電路等均已在物理課中講過,這些知識(shí)均運(yùn)用到本課程中.學(xué)習(xí)要求：了解根本概念、根本實(shí)際和分析方法學(xué)用結(jié)合，舉一反三，融會(huì)貫穿處置好課上課下、復(fù)習(xí)與習(xí)題的關(guān)系每次課約2個(gè)習(xí)題的作業(yè)，每章學(xué)習(xí)完成后交1次作業(yè)及時(shí)提問，有聽課筆記，獨(dú)立完成作業(yè)完好掌握課程體系，培育自學(xué)才干按要求參與實(shí)驗(yàn)培育良好的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)掌握常用實(shí)驗(yàn)儀器的功能及運(yùn)用方法注重實(shí)際技藝的培育實(shí)際與實(shí)際相結(jié)合，相互促進(jìn)，全面提高仔細(xì)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，及時(shí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

考核方法：閉卷考試〔60%〕+實(shí)驗(yàn)〔20%〕+平?！?0%〕參考資料:秦曾煌.<電工學(xué)>〔上、下冊(cè)〕孫肖子，張企民.<模擬電子技術(shù)根底>楊松華.<數(shù)字電子技術(shù)根底>第一章電路的根本概念和分析方法１-１電路中的物理量及其正方向１-２電路元件１-３電路的根本定律１-４電路的兩種根本分析方法１-５線性電路中的兩個(gè)重要定理１-６受控源電路及分析第一章電路的根本概念和分析方法一、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)械能電路—電流流經(jīng)的閉合途徑;傳送電流的途徑。強(qiáng)電技術(shù)2.信號(hào)的傳送和處置放大器話筒揚(yáng)聲器將語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(信號(hào)源)信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、信號(hào)處置(中間環(huán)節(jié))接受轉(zhuǎn)換信號(hào)的設(shè)備(負(fù)載)弱電技術(shù)電源：將非電能轉(zhuǎn)換成電能的安裝(干電池,蓄電池,發(fā)電機(jī))或信號(hào)源。中間環(huán)節(jié)：把電源與負(fù)載銜接起來的部分(銜接導(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(dòng)機(jī))二、電路的組成電池?zé)襞軪IRU+_負(fù)載電源電路的組成理想化電源理想化導(dǎo)線理想化元件電路模型:將實(shí)踐元件理想化，由理想化的電路元件組成的電路。今后我們分析的都是電路模型，簡(jiǎn)稱電路。電路分析的主要義務(wù)在于分析求解電路物理量，其中最根本的電路物理量就是電流、電壓和功率。1-１電路中的物理量及其正方向一、電流電荷的定向挪動(dòng)構(gòu)成電流。電流的大小用電流強(qiáng)度表示，簡(jiǎn)稱電流。電流強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過導(dǎo)體截面的電荷量。大寫I表示直流電流小寫i表示電流的普通符號(hào)電流的方向用一個(gè)箭頭表示。正電荷運(yùn)動(dòng)方向規(guī)定為電流的實(shí)踐方向。恣意假設(shè)的電流方向稱為電流的參考方向。假設(shè)求出的電流值為正，闡明參考方向與實(shí)踐方向一致，否那么闡明參考方向與實(shí)踐方向相反。二、電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)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(chǎng)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(chǎng)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。電壓的實(shí)踐方向規(guī)定由電位高處指向電位低處。與電流方向的處置方法類似，可任選一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较蚶?當(dāng)Va=3V，Vb=2V時(shí)u1=1V最后求得的u為正值，闡明電壓的實(shí)踐方向與參考方向一致，否那么闡明兩者相反。u2=－1V對(duì)一個(gè)元件，電流參考方向和電壓參考方向可以相互獨(dú)立地恣意確定，但為了方便起見，經(jīng)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。假設(shè)采用關(guān)聯(lián)方向，在標(biāo)示時(shí)標(biāo)出一種即可。假設(shè)采用非關(guān)聯(lián)方向，那么必需全部標(biāo)示。電動(dòng)勢(shì)是衡量外力即非靜電力做功才干的物理量。外力抑制電場(chǎng)力把單位正電荷從電源的負(fù)極搬運(yùn)到正極所做的功，稱為電源的電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的實(shí)踐方向與電壓實(shí)踐方向相反，規(guī)定為由負(fù)極指向正極。三、電功率電場(chǎng)力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱為電功率，簡(jiǎn)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〔負(fù)載性質(zhì)〕，p＜0時(shí)放出功率〔電源性質(zhì)〕。例：求圖示各元件的功率?！瞐〕關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×2=10W，P>0，吸收10W功率，負(fù)載性?！瞓〕關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P<0，產(chǎn)生10W功率，電源性?！瞔〕非關(guān)聯(lián)方向，P=－UI=－5×(－2)=10W，P>0，吸收10W功率，負(fù)載性。1-２電路元件常見的電路元件有電阻元件、電容元件、電感元件、電壓源、電流源。電路元件在電路中的作用或者說它的性質(zhì)是用其端鈕的電壓、電流關(guān)系即伏安關(guān)系〔VCR〕來決議的。一、無源元件伏安關(guān)系〔歐姆定律〕：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u=Ri非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u=－Ri1、電阻元件符號(hào)：功率：電阻元件是一種耗費(fèi)電能的元件。伏安關(guān)系：2、電感元件符號(hào)：電感元件是一種可以儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件，是實(shí)踐電感器的理想化模型。Ｌ稱為電感元件的電感，單位是亨利〔Ｈ〕。只需電感上的電流變化時(shí)，電感兩端才有電壓。在直流電路中，電感上即使有電流經(jīng)過，但ｕ＝０，相當(dāng)于短路。3、電容元件電容元件是一種可以儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件，是實(shí)踐電容器的理想化模型。伏安關(guān)系：符號(hào)：只需電容上的電壓變化時(shí)，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，即電容具有隔直流的作用?！哺糁蓖ń弧矯稱為電容元件的電容，單位是法拉〔F〕。二、有源元件1、電壓源與電流源〔1〕伏安關(guān)系電壓源：u=uS端電壓為us，與流過電壓源的電流無關(guān)，由電源本身確定，電流恣意，由外電路確定。電流源：i=iS流過電流為is，與電源兩端電壓無關(guān)，由電源本身確定，電壓恣意，由外電路確定?！?〕特性曲線與符號(hào)電壓源電流源電壓源〔恒壓源〕電流源〔恒流源〕不變量變化量US+_abIUabUab=E〔常數(shù)〕Uab的大小、方向均為恒定，外電路負(fù)載對(duì)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(duì)I無影響。輸出電流I可變-----I的大小、方向均由外電路決議端電壓Uab可變-----Uab的大小、方向均由外電路決議〔3〕特性比較理想電壓源的串聯(lián)與并聯(lián)：串聯(lián)US=USk電壓一樣的電壓源才干并聯(lián)，且每個(gè)電源的電流不確定。US2+_－+US1+_USoo留意參考方向US=US1－US25V+_+_5VI5V+_I并聯(lián)〔4〕恒壓源和恒流源的串、并聯(lián)IS1IS2IS3IS理想電流源的串聯(lián)與并聯(lián)：并聯(lián)IS=ISk留意參考方向IS=IS1+IS2－IS3串聯(lián)電流一樣的理想電流源才干串聯(lián)，且每個(gè)恒流源的端電壓均由它本身及外電路共同決議。ISUSISUSIS1IS2US1US2is=is2-is1想想練練？US？IS？IS在電路等效的過程中，與理想電流源相串聯(lián)的電壓源不起作用；與理想電壓源并聯(lián)的電流源不起作用。2、實(shí)踐電源模型及其等效變換實(shí)踐電源的伏安特性或可見，一個(gè)實(shí)踐電源可用兩種電路模型表示：一種為電壓源Us和內(nèi)阻Ro串聯(lián)，另一種為電流源Is和內(nèi)阻Ro并聯(lián)。同一個(gè)實(shí)踐電源的兩種模型對(duì)外電路等效，等效條件為：或留意：兩種電源模型的內(nèi)阻相等；等效前后電源的方向。留意：恒壓源和恒流源不能等效互換abI'Uab'IsaE+-bI〔不存在〕I=0.5A6A+_U5510V10V即：U=8×2.5=20V+_15V_+8V77I例：利用電源之間的等效互換可以簡(jiǎn)化電路分析5A3472AI=？例：2A6A+_U558A+_U2.53、運(yùn)用舉例R1R3IsR2R5R4I3I1I-+IsR1U1+-R3R2R5R4IU3I=?例：(接上頁(yè))IsR5R4IR1//R2//R3I1+I3R1R3IsR2R5R4I3I1I+RdUd+R4E4R5I--(接上頁(yè))ISR5R4IR1//R2//R3I1+I3用電源模型等效變換的方法求圖〔a〕電路的電流i1和i2。解：例：10V+-2A2I討論題哪個(gè)答案對(duì)???+-10V+-4V2

10V+-2A2I討論題??+-10V+-4V2

1-３電路的根本定律電路中的每個(gè)分支稱為支路3條或3條以上支路的銜接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)電路中任一閉合的途徑稱為回路圖示電路有3條支路，2個(gè)結(jié)點(diǎn)，3個(gè)回路。一、基爾霍夫電流定律〔KCL〕在任一瞬時(shí)，流入任一結(jié)點(diǎn)的電流之和必定等于從該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和。在任一瞬時(shí)，經(jīng)過任一結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零。表述一表述二可假定流入結(jié)點(diǎn)的電流為正，流出結(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；也可以作相反的假定。一切電流的符號(hào)均取為正。KCL通常用于結(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于包圍幾個(gè)結(jié)點(diǎn)的閉合面也是適用的。例：列出以下圖中各結(jié)點(diǎn)的KCL方程解：取流入為正以上三式相加：i1＋i2＋i3＝0結(jié)點(diǎn)ai1－i4－i6＝0結(jié)點(diǎn)bi2＋i4－i5＝0結(jié)點(diǎn)ci3＋i5＋i6＝0KCL通常用于結(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于包圍幾個(gè)結(jié)點(diǎn)的閉合面也是適用的。i1＋i2＋i3＝0二、基爾霍夫電壓定律〔KVL〕表述一表述二在任一瞬時(shí)，在任一回路上的電位升之和等于電位降之和。在任一瞬時(shí)，沿任一回路電壓的代數(shù)和恒等于零。電壓參考方向與回路繞行方向一致時(shí)取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)。一切電壓符號(hào)均取為正。對(duì)于電阻電路，回路中電阻上電壓降的代數(shù)和等于回路中的電壓源電壓的代數(shù)和。在運(yùn)用上式時(shí)，電流參考方向與回路繞行方向一致時(shí)iR前取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)；電壓源電壓方向與回路繞行方向一致時(shí)us前取負(fù)號(hào)，相反時(shí)取正號(hào)。KVL通常用于閉合回路，但也可推行運(yùn)用到任一不閉合的電路上。例：列出以下圖的KVL方程１-４電路的兩種根本分析方法一、電阻的串聯(lián)及并聯(lián)具有一樣電壓電流關(guān)系〔即伏安關(guān)系，簡(jiǎn)寫為VAR〕的不同電路稱為等效電路，將某一電路用與其等效的電路交換的過程稱為等效變換。將電路進(jìn)展適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q，可以使電路的分析計(jì)算得到簡(jiǎn)化。1、電阻的串聯(lián)n個(gè)電阻串聯(lián)可等效為一個(gè)電阻分壓公式兩個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)分壓公式2、電阻的并聯(lián)n個(gè)電阻并聯(lián)可等效為一個(gè)電阻分流公式兩個(gè)電阻并聯(lián)時(shí)分流公式二、支路電流法支路電流法是以支路電流為未知量，直接運(yùn)用KCL和KVL，分別對(duì)結(jié)點(diǎn)和回路列出所需的方程式，然后聯(lián)立求解出各未知電流。一個(gè)具有b條支路、n個(gè)結(jié)點(diǎn)的電路，根據(jù)KCL可列出〔n－1〕個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程式，根據(jù)KVL可列出b－(n－1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程式。圖示電路〔2〕結(jié)點(diǎn)數(shù)n=2，可列出2－1=1個(gè)獨(dú)立的KCL方程?！?〕電路的支路數(shù)b=3，支路電流有i1、i2、i3三個(gè)?！?〕獨(dú)立的KVL方程數(shù)為3－(2－1)=2個(gè)?；芈稩回路Ⅱ結(jié)點(diǎn)a解得：i1=－1Ai2=1A對(duì)結(jié)點(diǎn)a列KCL方程：i2=2+i1例：如下圖電路，用支路電流法求各支路電流解：2個(gè)電流變量i1和i2，只需列2個(gè)方程。對(duì)圖示回路列KVL方程：5i1+10i2=5各元件的功率：5Ω電阻的功率：p1=5i12=5×(－1)2=5W10Ω電阻的功率：p2=10i22=5×12=10W5V電壓源的功率：p3=－5i1=－5×(－1)=5W由于2A電流源與10Ω電阻并聯(lián)，故其兩端的電壓為：u=10i2=10×1=10V，功率為：p4=－2u=－2×10=－20W由以上的計(jì)算可知，2A電流源發(fā)出20W功率，其他3個(gè)元件總共吸收的功率也是20W，可見電路功率平衡。例：如下圖電路，用支路電流法求u、i。解：該電路含有一個(gè)電壓為4i的受控源，在求解含有受控源的電路時(shí)，可將受控源當(dāng)作獨(dú)立電源處置。對(duì)節(jié)點(diǎn)a列KCL方程：i2=5+i1對(duì)圖示回路列KVL方程：5i1+i2=－4i1+10由以上兩式解得：i1=0.5Ai2=5.5A電壓：u=i2+4i1=5.5+4×0.5=7.5V三、結(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)只需兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的電路，可用彌爾曼公式直接求出兩結(jié)點(diǎn)間的電壓。彌爾曼公式：式中分母的各項(xiàng)總為正，分子中各項(xiàng)的正負(fù)符號(hào)為：電壓源us的參考方向與結(jié)點(diǎn)電壓uab的參考方向一樣時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)；電流源is的參考方向與結(jié)點(diǎn)電壓uab的參考方向非關(guān)聯(lián)時(shí)取正號(hào)，反之取負(fù)。如圖電路，根據(jù)KCL有：i1+i2-i3-is1+is2=0設(shè)結(jié)點(diǎn)ab間電壓為uab，那么有：因此可得：設(shè)結(jié)點(diǎn)ab間電壓為uab，那么有：例：用結(jié)點(diǎn)電壓法求圖示電路中結(jié)點(diǎn)a的電位Va。解：求出ua后，可用歐姆定律求各支路電流。例：用結(jié)點(diǎn)電壓法求圖示電路中結(jié)點(diǎn)a的電位Va。解：１-５線性電路中的兩個(gè)重要定理一、疊加定理在任何線性電路〔電路參數(shù)不隨電壓、電流的變化而改動(dòng)〕中，當(dāng)有多個(gè)電源作用時(shí)，恣意支路上的電流或兩點(diǎn)間的電壓，都是各個(gè)電源單獨(dú)作用結(jié)果的代數(shù)和。闡明：當(dāng)某一電源單獨(dú)作用時(shí)，其他電源需求置零：電壓源短路，電流源開路例：求I解：運(yùn)用疊加定理R12AIR2＋＋－4VR1R22A22I＋－R1R2I4V留意：1、疊加原理只能用于電壓或電流的計(jì)算，不能用來求功率。2、運(yùn)用疊加定理時(shí)也可以把電源分組求解，每個(gè)分電路的電源個(gè)數(shù)能夠不止一個(gè)。=+1、名詞解釋無源二端網(wǎng)絡(luò)：二端網(wǎng)絡(luò)中沒有電源有源二端網(wǎng)絡(luò)：二端網(wǎng)絡(luò)中含有電源二端網(wǎng)絡(luò)：假設(shè)一個(gè)電路只經(jīng)過兩個(gè)輸出端與外電路相聯(lián)，那么該電路稱為“二端網(wǎng)絡(luò)〞〔或一端口網(wǎng)絡(luò)〕。ABAB二、戴維南定理2、戴維南定理將電路中的有源二端網(wǎng)絡(luò)用電壓源模型等效替代，稱為戴維南定理。電壓源模型中的電壓源電壓為有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓uOC，電阻Ro等于有源二端網(wǎng)絡(luò)去除電源后的等效電阻。有源二端網(wǎng)絡(luò)RudRO+_R留意：“等效〞是指對(duì)端口外等效。例：用戴維南定理求圖示電路的電流I。解：〔1〕求開路電壓UOC：〔2〕求等效電阻Ro：〔3〕畫出戴維南等效電路，接上待求支路，可求得I為：例:用戴維寧定理求圖示電路中電流I。+_+_I90V140V