《維修電工》項(xiàng)目一 直流照明電路的分析、安裝與測(cè)試

項(xiàng)目一直流照明電路的分析、安裝與測(cè)試任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)知識(shí)鏈接一電路的組成和作用一、實(shí)際電路及其作用在日常的生產(chǎn)和生活中,各種各樣的電路被廣泛應(yīng)用。電路都是由實(shí)際元器件按一定的方式連接的,從而可形成電流的通路。實(shí)際電路的種類很多,所以不同電路的形式和結(jié)構(gòu)也各不相同,但簡(jiǎn)單電路一般都是由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線、控制和保護(hù)裝置這四個(gè)部分按照一定方式連接起來的閉合回路。雖然實(shí)際應(yīng)用中的電路是多種多樣的,但就其功能來說可概括為兩個(gè)方面:一方面是進(jìn)行能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換,如電力系統(tǒng)中的輸電電路等;另一方面是實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與處理,如收音機(jī)和電視機(jī)電路等.下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)如圖1-1所示為日常生活中用的手電筒外形和實(shí)際電路，它也由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線、控制和保護(hù)裝置這四部分組成。1.電源:干電池電源是電路中電能的提供者，是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置。圖1-1中的干電池可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。含有交流電源的電路叫作交流電路，含有直流電源的電路叫作直流電路，常見的直流電源有干電池、蓄電池和直流發(fā)電機(jī)等。2.負(fù)載:燈泡負(fù)載，即用電裝置，它可將電源供給的電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。圖1-1中的燈泡可將電能轉(zhuǎn)換為光能和熱能上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)3.控制和保護(hù)裝置:開關(guān)控制和保護(hù)裝置可用來控制電路的通斷，從而保證電路正常工作。4.連接導(dǎo)體或?qū)Ь€:金屬外殼連接導(dǎo)體或?qū)Ь€是連接電路，可輸送和分配電能。二、電路模型圖1-1所示的電路對(duì)于分析器件的接法和原理是很有用的，但要用它對(duì)電路進(jìn)行定量分析和計(jì)算，則是非常困難的。因此，通常用一些簡(jiǎn)單但卻能夠表征電路主要電磁性能的理想元件來代替實(shí)際部件。這樣，一個(gè)實(shí)際電路就可以由多個(gè)理想電路元件的組合來模擬了，這樣的電路就稱為電路模型。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)建立電路模型的意義十分重大，因?yàn)閷?shí)際電氣設(shè)備和器件的種類繁多，但理想電路元件只有有限的幾種，所以建立電路模型可以使對(duì)電路的分析大大簡(jiǎn)化。關(guān)于實(shí)際電路部件的模型概念還需要強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn):(1)理想電路元件是具有某種確定電磁性能的元件，是一種理想的模型，在實(shí)際中是并不存在的，但它卻在電路理論分析與研究中充當(dāng)著重要角色.(2)不同的實(shí)際電路部件，只要具有相同的主要電磁性能，在一定條件下都可用同一模型來表示，上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)如只表示消耗電能的理想電阻元件R(電燈、電阻爐、電烙鐵等)，只表示存儲(chǔ)磁場(chǎng)能量的理想電感元件L(各種電感線圈)，只表示存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的理想電容元件C(各種類型的電容器)。這三種是最基本的理想電路元件,它們可以代表種類繁多的各種負(fù)載。(3)同一個(gè)實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用條件下,它的模型也可以有不同的形式。將實(shí)際電路中的各個(gè)部件用其模型符號(hào)來表示,這樣畫出的圖稱為實(shí)際電路的電路模型圖,也稱作電路原理圖。如圖1-2所示就是圖1-1所示的手電筒實(shí)際電路的電路原理圖。實(shí)際上,各種電氣元件都可以用圖形符號(hào)或文字符號(hào)來表示。常用電氣元件符號(hào)見表1-1。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)知識(shí)鏈接二電路的基本物理量電路的基本物理量包括電流、電壓、電位、電功率和電能等,它們的符號(hào)及單位如表1-2所示。一、電流在電場(chǎng)力的作用下,帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)就形成了電流。習(xí)慣上規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?表示電流強(qiáng)弱的量叫作電流強(qiáng)度,其在大小上等于單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。設(shè)在dt時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷為dq,則通過該橫截面的電流為:上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)在一般情況下,若電流是隨時(shí)間而變的,則稱為交流電流。但如果電流不隨時(shí)間而變,即dq/dt=常量時(shí),則稱這種電流為直流電流,用大寫字母I表示,它所通過的路徑就是直流電路。在直流電路中,式(1-1)可寫成:電流的單位是A,1A。除安培外,常用的電流單位還有kA(千安)、mA(毫安)和滋A(微安),它們之間的換算關(guān)系是:上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)對(duì)于簡(jiǎn)單的電路,電流實(shí)際方向可以根據(jù)電源極性很容易判斷,所以可以直接標(biāo)出。但在電路分析中,實(shí)際電路往往比較復(fù)雜,某一段電路中的電流實(shí)際流動(dòng)方向在分析計(jì)算前很難判斷出來,因此很難在電路中標(biāo)明電流的實(shí)際方向。由于這些原因,引入了電流“參考方向冶的概念。在計(jì)算前首先任意選定某一個(gè)方向作為電流的參考方向,然后根據(jù)參考方向進(jìn)行電路的相關(guān)計(jì)算。如計(jì)算出的電流為正值(I>0),則電流的參考方向與它的實(shí)際方向一致;如計(jì)算出的電流為負(fù)值(I<0),則電流的參考方向與它的實(shí)際方向相反,如圖1-3所示。因此,在指定的電流參考方向下,電流值的正和負(fù),就可以反映出電流的實(shí)際方向。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)電流的參考方向是可以任意指定的,在電路中一般用箭頭表示,也有用雙下標(biāo)來表示參考方向的。二、電壓如圖1-4所示,電源的兩個(gè)極板a和b上分別帶有正、負(fù)電荷,所以這兩個(gè)極板間就存在一個(gè)電場(chǎng),其方向是由a指向b的。當(dāng)用導(dǎo)線和負(fù)載將電源的正負(fù)極連接成為一個(gè)閉合電路時(shí),正電荷在電場(chǎng)力的作用下由正極a經(jīng)導(dǎo)線和負(fù)載流向負(fù)極b(實(shí)際上是自由電子由負(fù)極經(jīng)負(fù)載流向正極),從而形成電流。電壓是衡量電場(chǎng)力做功的物理量,我們定義:a點(diǎn)至b點(diǎn)間的電壓Uab在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把單位正電荷由a點(diǎn)經(jīng)外電路移到b點(diǎn)所做的功。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)電壓的單位為伏特,英文符號(hào)為V,即1V=1J/1C。在工程中還可用kV(千伏)、mV(毫伏)和μV(微伏)為計(jì)量單位,它們之間的換算關(guān)系是:電壓的實(shí)際方向定義為,正電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力作用(電場(chǎng)力做正功時(shí))移動(dòng)的方向。與電流一樣,電壓也有自己的參考方向,電壓的參考方向也是可任意指定的。在電路中,電壓的參考方向可以用一個(gè)箭頭來表示,也可以用正(+)、負(fù)(-)極性來表示,正極指向負(fù)極的方向就是電壓的參考方向,還可以用雙下標(biāo)來表示,如UAB表示A和B之間電壓的參考方向由A指向B(見圖1-5)。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)同樣,在指定的電壓參考方向下計(jì)算出的電壓值的正負(fù),就可以反映出電壓的實(shí)際方向。“參考方向冶在電路分析中起著十分重要的作用。一段電路或一個(gè)元件上電壓的參考方向和電流的參考方向是可以獨(dú)立地加以任意指定的,如果指定電流從電壓“+”極性的一端流入,并從標(biāo)以“–”極性的另一端流出,即電流的參考方向與電壓的參考方向一致,則把電流和電壓的這種參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向。三、電位在電路中任選一點(diǎn)為參考點(diǎn),則某點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓就叫作這一點(diǎn)(相對(duì)于參考點(diǎn))的電位。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)參考點(diǎn)在電路中的電位設(shè)為零,所以稱為零電位點(diǎn),在電路圖中用符號(hào)“”來表示,如圖1-6所示。電位用符號(hào)Φ表示,A點(diǎn)電位記作ΦA(chǔ)

。當(dāng)選擇O點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí),則如果A點(diǎn)和B點(diǎn)的電位分別為ΦA(chǔ)與ΦB,則因此,兩點(diǎn)間的電壓就是該兩點(diǎn)的電位之差,而電壓的實(shí)際方向是由高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)的,所以有時(shí)也將電壓稱為電壓降。四、電能、電功率上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)當(dāng)正電荷從電路電壓的“+”極,經(jīng)元件移到電壓的“–”極時(shí),是電場(chǎng)力對(duì)電荷做功的結(jié)果,這時(shí)元件吸取能量。相反地,當(dāng)正電荷從電路電壓的“–”極經(jīng)元件移到電壓“+”極時(shí),元件向外釋放能量。對(duì)于直流電能電能的一個(gè)常用單位是焦耳(J),但在實(shí)際應(yīng)用中,電能的另一個(gè)常用單位是千瓦時(shí)(kW·h),1千瓦時(shí)就是常說的1度電。它們之間的換算關(guān)系為:電功率表征電路元件或一段電路中能量變換的速度,其值等于單位時(shí)間(秒)內(nèi)元件所發(fā)出或接受的電能。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)電功率的公式為:常用的電功率單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW),它們之間的換算關(guān)系為:當(dāng)電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),電功率(用P表示)可用式(1-7)求得;當(dāng)電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),電功率P則可由式(1-8)求得。若計(jì)算得出P>0,則表示該部分電路吸收或消耗功率;若計(jì)算得出P<0,則表示該部分電路發(fā)出或提供功率。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)以上對(duì)功率的有關(guān)討論同樣適用于任何一段電路,而不局限于某一個(gè)元件。知識(shí)鏈接三電路的三種狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值一、電路的工作狀態(tài)燈泡是否發(fā)光顯示了所處電路的工作狀態(tài),電爐是否發(fā)熱也顯示了電路的工作狀態(tài),還有一些電路沒有明顯的標(biāo)志顯示其狀態(tài),但是可以通過對(duì)電路有關(guān)電學(xué)量的測(cè)量分析來判斷電路的工作狀態(tài)。另外,我們還經(jīng)常在很多用電器上看到諸如“警告冶“WARNING冶等標(biāo)志,禁止電路處于某些狀態(tài),這又是什么原因呢?上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)如圖1-9所示,當(dāng)開關(guān)接通時(shí),燈泡發(fā)光,表明電路處于導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)開關(guān)斷開或電線斷裂、接頭松脫時(shí),燈泡不發(fā)光,表明電路處于斷開狀態(tài)。電路的工作狀態(tài)一般分為三種:有載狀態(tài)、短路狀態(tài)和開路(斷路)狀態(tài),它們分別如圖1-10所示。1.有載狀態(tài)在如圖1-10(a)所示的電路中,當(dāng)開關(guān)S閉合后,電源與負(fù)載接成閉合回路,電源處于有載工作狀態(tài),電路中有電流流過。2.短路狀態(tài)在如圖1-10(b)所示的電路中,當(dāng)a、b兩點(diǎn)接通時(shí),電源被短路,此時(shí)電源的兩個(gè)極性端直接相連。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)當(dāng)電源被短路時(shí)往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果,如導(dǎo)致電源因發(fā)熱過甚而損壞,或因電流過大而引起電氣設(shè)備的機(jī)械損傷,因而要絕對(duì)避免電源被短路。所以在實(shí)際工作中,應(yīng)經(jīng)常檢查電氣設(shè)備和線路的絕緣情況,以防止發(fā)生電源短路事故。此外,還應(yīng)在電路中接入熔斷器等保護(hù)裝置,以便在發(fā)生短路事故時(shí)能及時(shí)切斷電路,從而達(dá)到保護(hù)電源及電路元器件的目的。3.開路(斷路)狀態(tài)在如圖1-10(c)所示的電路中,當(dāng)開關(guān)S斷開或電路中某處斷開時(shí),被切斷的電路中沒有電流流過。開路又叫斷路。二、電氣設(shè)備的額定值1.額定工作狀態(tài)上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)1.額定工作狀態(tài)任何電氣設(shè)備在使用時(shí),若電流過大或溫升過高都會(huì)導(dǎo)致絕緣的損壞,甚至燒壞設(shè)備或元器件。所以為了保證正常工作,制造廠商對(duì)產(chǎn)品的電壓、電流和功率都規(guī)定了使用限額,稱為額定值。額定值通常標(biāo)在產(chǎn)品的銘牌或說明書上,以此作為使用依據(jù)。電源設(shè)備的額定值一般包括額定電壓UN、額定電流IN和額定容量SN。負(fù)載的額定值一般包括額定電壓UN、額定電流IN

和額定功率PN。2.超載、滿載、欠載電氣設(shè)備工作在額定值情況下的狀態(tài)稱為額定工作狀態(tài)(又稱“滿載冶)。上一頁下一頁返回任務(wù)一簡(jiǎn)單電路的分析設(shè)計(jì)這時(shí)電氣設(shè)備的使用是最經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠的,因?yàn)檫@時(shí)不僅能充分發(fā)揮設(shè)備的作用,而且能夠保證電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命。若電氣設(shè)備超過額定值工作,則稱為“過載冶或“超載冶。由于溫度升高需要一定時(shí)間,因此電氣設(shè)備短時(shí)過載不會(huì)立即損壞,但過載時(shí)間較長(zhǎng),就會(huì)大大縮短電氣設(shè)備的使用壽命,甚至?xí)闺姎庠O(shè)備損壞。若電氣設(shè)備低于額定值工作,則稱為“欠載冶。在嚴(yán)重的欠載情況下,電氣設(shè)備就不能正常合理地工作或者充分發(fā)揮其工作能力。過載和嚴(yán)重欠載都是在實(shí)際工作中應(yīng)避免的。上一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)知識(shí)鏈接電阻、電容、電感等電路元器件的特性一、電阻元件電阻元件是反映消耗電能這一物理現(xiàn)象的一個(gè)二端電路元件,它可分為線性電阻元件和非線性電阻元件。對(duì)于線性電阻元件,在任何時(shí)刻它兩端的電壓與其電流的關(guān)系都滿足歐姆定律。電壓與電流參考方向的關(guān)系見圖1-14。當(dāng)電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向如圖1-14(a)所示,當(dāng)電壓與電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)如圖1-14(b)所示,下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)如果把電阻元件的電壓取為縱坐標(biāo)(或橫坐標(biāo)),電流取為橫坐標(biāo)(或縱坐標(biāo)),畫出電壓和電流的關(guān)系曲線,則這條曲線被稱為該電阻元件的伏安特性曲線。線性電阻元件的伏安特性曲線是通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線,它表明元件中的電壓與元件中的電流成正比,見圖1-15。令G=1/R,G定義為電阻元件的電導(dǎo),則式(1-9)變成I=GU。電阻的單位為歐姆(Ω),簡(jiǎn)稱歐;電導(dǎo)的單位為西門子(S)。如果電阻元件電壓的參考方向與電流的參考方向相反(見圖1-14(b)),則歐姆定律應(yīng)寫為U=-IR或I=-GU,所以公式必須與參考方向配套使用。上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)若電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向,則任何時(shí)刻線性電阻元件吸取的電功率為:由于電阻R是一個(gè)與電壓U、電流I無關(guān)的正實(shí)常數(shù),所以功率P恒為非負(fù)值。這說明任何時(shí)刻的電阻元件都絕不可能發(fā)出電能,也就是說,它吸收的電能全部轉(zhuǎn)換成其他非電能量而被消耗掉或作為其他用途。所以,線性電阻元件(R>0)不僅是無源元件,并且還是耗能元件,因?yàn)樗偸窍墓β实摹Ｅc線性電阻元件不同,非線性電阻元件的伏安特性曲線不是一條通過原點(diǎn)的直線,所以元件上的電壓和元件的電流之間不滿足歐姆定律,且元件的電阻隨電壓或電流的改變而改變。上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)因此,為了敘述方便,把線性電阻元件簡(jiǎn)稱為電阻。這樣,“電阻冶這個(gè)術(shù)語以及它相應(yīng)的符號(hào)R,一方面表示一個(gè)電阻元件,另一方面也表示這個(gè)元件的參數(shù)。二、電容元件在工程中,電容元件應(yīng)用極為廣泛。電容元件雖然品種和規(guī)格很多,但就其構(gòu)成原理來說,都是由兩塊金屬極板間隔以不同的介質(zhì)(如云母、絕緣紙、電解質(zhì)等)所組成的。當(dāng)加上電源后,極板上會(huì)分別聚集起等量異性的電荷,從而在介質(zhì)中建立起電場(chǎng),并存儲(chǔ)電場(chǎng)能量。當(dāng)電源移去后,電荷可以繼續(xù)聚集在極板上,電場(chǎng)繼續(xù)存在。所以,電容元件是一種能夠存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的實(shí)際電路元件,這樣就可以用一個(gè)只存儲(chǔ)電場(chǎng)能量的理想元件———電容元件作為它的模型。上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)線性電容元件是一個(gè)理想無源二端元件,它在電路中的圖形符號(hào)如圖1-16所示,其中C稱為電容元件的電容,單位是法拉(F);u為兩端變化的電壓;i為兩端變化的電流,即交流電壓電流的瞬時(shí)值。電容極板上的電荷量q與其兩端的電壓u有以下關(guān)系:當(dāng)q=1C、u=1V時(shí),C=1F。實(shí)際電容器的電容往往比1F小得多,因此通常采用微法(μF)和皮法(pF)作為電容的單位,它們之間的關(guān)系是:上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)當(dāng)電容極板間電壓u變化時(shí),極板上電荷q也隨著改變,因此電容器電路中出現(xiàn)電流i。如果指定電流參考方向?yàn)榱鬟M(jìn)正極板,即與電壓u的參考方向一致,如圖1-16所示,則電流由式(1-13)可知,在任何時(shí)刻,線性電容元件中的電流都與該時(shí)刻電壓的變化率成正比。在直流電路中,電容上即使有電壓,但i=0,還是相當(dāng)于開路,所以線性電容元件有隔斷直流(簡(jiǎn)稱隔直)的作用。在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下,線性電容元件吸收的功率為:上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)從t0

到t時(shí)間內(nèi),線性電容元件吸收的電能為:如果我們選取t0

為電壓等于零的時(shí)刻,即有u(t0)=0,此時(shí)電容元件處于未充電狀態(tài),電場(chǎng)能量為零,則從t0到t時(shí)間內(nèi),電容元件存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量為:它等于元件在任意時(shí)刻t2和起始時(shí)刻t1的電場(chǎng)能量之差。上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)當(dāng)電容元件充電時(shí),所以WC>0,電容元件吸收能量,并將能量全部轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能量;當(dāng)電容元件放電時(shí),所以WC<0,電容元件釋放電場(chǎng)能量。因,若電容元件原先沒有充電,那么它在充電時(shí)吸取并存儲(chǔ)起來的能量一定在放電完畢時(shí)全部釋放,它并不消耗能量。所以,電容元件是一種儲(chǔ)能元件。同時(shí),電容元件也不會(huì)釋放出多于它所吸收或存儲(chǔ)的能量,因此它又是一種無源元件。因此,為了敘述方便,把線性電容元件簡(jiǎn)稱為電容。所以,“電容冶這個(gè)術(shù)語以及它的相應(yīng)符號(hào)C,一方面表示一個(gè)電容元件,另一方面也表示這個(gè)元件的參數(shù)。上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)電容器是為了獲得一定大小的電容特意制成的元件,但是電容的效應(yīng)在許多別的場(chǎng)合也存在。三、電感元件由導(dǎo)線繞制而成的線圈或把導(dǎo)線繞在鐵芯或磁芯上就構(gòu)成一個(gè)常用的電感器。線圈中通以電流i后,就會(huì)在線圈內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng),從而產(chǎn)生磁通ΦL

。若磁通ΦL與線圈N匝交鏈,則磁通鏈ΦL=NφL,見圖1-17(該圖中同時(shí)畫出了線性電感元件在電路中的圖形符號(hào))。

φL和ΦL都是由線圈本身的電流產(chǎn)生的,所以叫作自感磁通和自感磁通鏈。一般規(guī)定,磁通φL和磁通鏈ΦL的參考方向與電流iL

的參考方向之間滿足右螺旋關(guān)系。上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)在這種關(guān)聯(lián)的參考方向下,在任何時(shí)刻,線性電感元件的自感磁通鏈ΦL與元件中的電流iL的關(guān)系:在SI單位制中,磁通和磁通鏈的單位都是韋伯(Wb),自感的單位是亨利(H),簡(jiǎn)稱亨。有時(shí)還采用毫亨(mH)和微亨(滋H)作為自感的單位,它們的換算關(guān)系為:在電感元件中,當(dāng)電流i隨時(shí)間變化時(shí),磁通鏈ΦL也隨之改變,此時(shí)元件兩端感應(yīng)有電壓,此感應(yīng)電壓就等于磁通鏈的變化率。當(dāng)在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下時(shí),電壓的參考方向與磁通鏈的參考方向間為右螺旋關(guān)系(見圖1-17(a)),根據(jù)楞次定律可知,感應(yīng)電壓上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)由式(1-18)可知,在任何時(shí)刻,線性電感元件上的電壓與該時(shí)刻電流的變化率成正比。電流變化快,感應(yīng)電壓高;電流變化慢,感應(yīng)電壓低。當(dāng)電流不隨時(shí)間變化時(shí),則感應(yīng)電壓為零,這時(shí)線性電感元件就相當(dāng)于短接線,所以直流電電感就相當(dāng)于導(dǎo)線。在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下,線性電感元件吸收的功率為:從t0

到t時(shí)間內(nèi),線性電感元件吸收的磁場(chǎng)能量為:上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)它等于元件在任意時(shí)刻t和起始時(shí)刻t0的磁場(chǎng)能量之差。如果我們選取t0為電流等于零的時(shí)刻,即有iL(t0)=0,此時(shí)電感元件沒有磁通鏈,其磁場(chǎng)能量為零,因此在上述條件下,電感元件在任何時(shí)刻t所存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量WL(t)將等于它所吸收的能量,即上一頁下一頁返回任務(wù)二電路元件的識(shí)別與檢測(cè)當(dāng)電流i增加時(shí),WL(t2)>WL(t1),所以WL>0,電感元件吸收能量,并將能量全部轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量;當(dāng)電流iL減少時(shí),WL(t2)<WL(t1),所以WL<0,電感元件釋放磁場(chǎng)能量。因此,電感元件并不把吸收的能量全部消耗掉,而是以磁場(chǎng)能量的形式存儲(chǔ)在磁場(chǎng)中。所以,電感元件也是一種儲(chǔ)能元件。同時(shí),電感元件也不會(huì)釋放出多于它所吸收或存儲(chǔ)的能量,因此它又是一種無源元件。上一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算知識(shí)鏈接一基爾霍夫定律對(duì)于電路中的某一個(gè)元件來說,元件上的端電壓和電流服從歐姆定律,而對(duì)于整個(gè)電路來說,電路中的各個(gè)電流和電壓要服從基爾霍夫定律。基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律(KCL)和基爾霍夫電壓定律(KVL),它是電路理論中最基本的定律之一,不僅適用于求解簡(jiǎn)單電路,也適用于求解復(fù)雜電路。在學(xué)習(xí)基爾霍夫定律之前,為了便于理解,在如圖1-26所示的電路,介紹以下幾個(gè)名詞:(1)支路:電路中同一電流流過的一個(gè)分支稱為一條支路。下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算在如圖1-26所示的電路中,dab、be和bcd都是支路,其中支路dab、bcd各有兩個(gè)電路元件。支路dab、bcd中有電源,稱為含源支路;支路be中沒有電源,則稱為無源支路。(2)節(jié)點(diǎn):一般支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。但是,如果以電路的每個(gè)分支作為支路,則三條和三條以上支路的連接點(diǎn)才叫作節(jié)點(diǎn)。這樣,如圖1-26所示的電路只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn),即節(jié)點(diǎn)b和節(jié)點(diǎn)e。(3)回路:由若干支路組成的閉合路徑,其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過一次,這條閉合路徑稱為回路。如圖1-26所示的abef、bcde和abcdef都是回路,這個(gè)電路共有三個(gè)回路。上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算(4)網(wǎng)孔:網(wǎng)孔是回路的一種,將電路畫在平面上,在回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱為網(wǎng)孔。如圖1-26所示的abef、bcde是網(wǎng)孔,而abcdef回路內(nèi)部含有支路be,所以不是網(wǎng)孔,因此這個(gè)電路共有兩個(gè)網(wǎng)孔。一、基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律,是用來確定電路中連接在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的各條支路電流間的關(guān)系的。其基本內(nèi)容:在任何時(shí)刻,對(duì)于電路中的任一節(jié)點(diǎn),流進(jìn)流出節(jié)點(diǎn)所有支路電流的代數(shù)和恒等于零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算在式(1-22)中,流出節(jié)點(diǎn)的電流前面取“+”號(hào),流入節(jié)點(diǎn)的電流前面取“–”號(hào)。例如,對(duì)圖1-26所示的節(jié)點(diǎn)b應(yīng)用KCL,則在這些支路電流的參考方向下,有即上式可以改寫成即式(1-23)表明:在任何時(shí)刻,流入任一節(jié)點(diǎn)的支路電流之和必定等于流出該節(jié)點(diǎn)的支路電流之和。上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算這里首先應(yīng)當(dāng)指出,KCL中電流的流向本來是指它們的實(shí)際方向,但由于采用了參考方向,所以式(1-23)中是按電流的參考方向來判斷電流是流出節(jié)點(diǎn)還是流入節(jié)點(diǎn)的。其次,式(1-23)中的正、負(fù)號(hào)僅由電流是流出節(jié)點(diǎn)還是流入節(jié)點(diǎn)來決定的,與電流本身的正、負(fù)無關(guān)。KCL通常用于節(jié)點(diǎn),但對(duì)包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合面也是適用的,在如圖1-27所示的電路中,閉合面S內(nèi)有三個(gè)節(jié)點(diǎn)A、B、C。在這些節(jié)點(diǎn)處,分別有(電流的方向都是參考方向):上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算將上面三個(gè)式子相加,便得:或可見,在任一瞬間,通過任一閉合面的電流的代數(shù)和也總是等于零,或者說,流出閉合面的電流等于流入該閉合面的電流,這就叫電流連續(xù)性。所以,基爾霍夫電流定律是電流連續(xù)性的體現(xiàn)。二、基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電流定律是對(duì)電路中的任意節(jié)點(diǎn)而言的,而基爾霍夫電壓定律是對(duì)電路中的任意回路而言的?；舴螂妷憾?是用來確定回路中各部分電壓之間的關(guān)系的。上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算其基本內(nèi)容是:在任何時(shí)刻,沿任一回路內(nèi)所有支路或元件電壓的代數(shù)和恒等于零。即這里首先需要指定一個(gè)繞行回路的方向。凡電壓的參考方向與回路的繞行方向一致者,在該電壓前面取“+”號(hào);凡電壓的參考方向與回路的繞行方向相反者,在該電壓前面取“–”號(hào)。同理,KVL中電壓的方向本應(yīng)指它的實(shí)際方向,但由于采用了參考方向,所以式(1-24)中的代數(shù)和是按電壓的參考方向來判斷的。以圖1-28所示的電路為例,沿回路1和回路2繞行一周。上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算回路1:回路2:即KVL也可以寫成:式(1-25)指出:沿任一回路繞行一圈,電阻上電壓的代數(shù)和等于電壓源電壓的代數(shù)和。KVL通常用于閉合回路,但也可推廣應(yīng)用到任一不閉合的電路上。如圖1-29所示的電路雖然不是閉合回路,但當(dāng)假設(shè)開口處的電壓為Uab時(shí),可以將電路想象成一個(gè)虛擬的回路,應(yīng)用KVL列寫的方程為:上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算KCL規(guī)定了電路中任一節(jié)點(diǎn)處的電流必須服從的約束關(guān)系,而KVL則規(guī)定了電路中任一回路內(nèi)的電壓必須服從的約束關(guān)系。這兩個(gè)定律僅與元件的連接有關(guān),而與元件本身無關(guān)。因此,不論元件是線性的還是非線性的,時(shí)變的還是非時(shí)變的,KCL和KVL總是成立的。知識(shí)鏈接二簡(jiǎn)單電阻電路的計(jì)算一、電阻的串聯(lián)在電路中,把幾個(gè)電阻元件依次一個(gè)一個(gè)首尾連接起來,中間沒有分支,且在電源的作用下流過各電阻的是同一電流,這種連接方式叫作電阻的串聯(lián)。上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算圖1-32(a)表示的3個(gè)電阻的串聯(lián),以U代表總電壓,I代表電流,R1、R2、R3

代表各電阻,U1、U2、U3

代表各電阻上的電壓,根據(jù)KVL可得:同理,如果n個(gè)電阻串聯(lián),則有:而上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算由此可得:可見,各個(gè)串聯(lián)電阻的電壓與電阻值成正比,或者說總電壓按各個(gè)串聯(lián)電阻的電阻值進(jìn)行分配。式(1-30)稱為串聯(lián)電阻的電壓分配公式。將式(1-28)兩邊各乘以電流I,得此式表明:n個(gè)串聯(lián)電阻吸收的總功率等于每個(gè)串聯(lián)電阻吸收的功率之和,也等于它們的等效電阻所吸收的功率。上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算當(dāng)用等效電阻替代這些串聯(lián)電阻時(shí),端鈕a、b間的電壓U和端鈕處的電流I均不變,吸收的功率也相同。所以,等效電阻與這些串聯(lián)電阻所起的作用相同。這種替代稱為等效替代或等效變換。二、電阻的并聯(lián)在電路中,把幾個(gè)電阻元件的兩端分別連接在兩個(gè)公共節(jié)點(diǎn)之間,且各電阻的電壓相等,這種連接方式叫作電阻的并聯(lián)。圖1-34(a)表示的3個(gè)電阻的并聯(lián),以U代表兩端電壓,I代表總電流,R1、R2、R3代表各電阻,I1、I2、I3

代表各電阻上的電流,按KCL,有根據(jù)KCL可得:上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算Req為并聯(lián)電阻的等效電阻,如圖1-34(b)。同理,如果n個(gè)電阻并聯(lián),則有上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算式(1-35)表明,并聯(lián)電阻的等效總電阻的倒數(shù)等于各個(gè)并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和。而由此可得即可見,各個(gè)并聯(lián)電阻中通過的電流與其電阻值成反比。式(1-36)也稱為并聯(lián)電阻的電流分配公式。將式(1-34)兩邊各乘以電壓U,得上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算此式表明:n個(gè)并聯(lián)電阻吸收的總功率等于每個(gè)并聯(lián)電阻吸收的功率之和,也等于它們的等效電阻所吸收的功率。三、電阻的混聯(lián)電阻串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的連接方式叫電阻的混聯(lián)。在圖1-35所示的電路中,電阻R3

和R4串聯(lián)后與R2

并聯(lián),再與R1

串聯(lián)。這些電阻的等效電阻為:上一頁下一頁返回任務(wù)三電路各點(diǎn)電位的分析計(jì)算在電阻混聯(lián)電路中,若已知總電壓U或總電流I,要求各電阻上的電壓和電流,其求解步驟一般是:(1)首先利用混聯(lián)的特點(diǎn)化簡(jiǎn)為一個(gè)等效電阻,且求出等效電阻Req;(2)應(yīng)用歐姆定律求出總電流或總電壓;(3)應(yīng)用電流分配公式和電壓分配公式求出各電阻上的電流和電壓。四、電阻的Y-△等效變換在電路中,有時(shí)電阻的連接既非串聯(lián)又非并聯(lián),而是如圖1-41所示的電路,這時(shí)的等效電阻經(jīng)過電阻的串并聯(lián)運(yùn)算不能直接求出,需經(jīng)過電阻的星形連接和三角形連接等效