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：56〔40+16〕在高等工業(yè)學(xué)校非電專業(yè)的教學(xué)方案中，本課程是一門實際性較強的技術(shù)根底課程。它的義務(wù)是使學(xué)生經(jīng)過對本大綱規(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)實際、根本知識和根本技藝，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,這些知識均運用到本課程中.學(xué)習(xí)要求：了解根本概念、根本實際和分析方法學(xué)用結(jié)合，舉一反三，融會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個習(xí)題的作業(yè)，每章學(xué)習(xí)完成后交1次作業(yè)及時提問，有聽課筆記，獨立完成作業(yè)完好掌握課程體系，培育自學(xué)才干按要求參與實驗培育良好的實驗素質(zhì)掌握常用實驗儀器的功能及運用方法注重實際技藝的培育實際與實際相結(jié)合，相互促進，全面提高仔細預(yù)習(xí)實驗，按時完成實驗預(yù)習(xí)報告，及時完成實驗報告

考核方法：閉卷考試〔60%〕+實驗〔20%〕+平常〔20%〕參考資料:秦曾煌.<電工學(xué)>〔上、下冊〕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,熱能和機械能電路—電流流經(jīng)的閉合途徑;傳送電流的途徑。強電技術(shù)2.信號的傳送和處置放大器話筒揚聲器將語音轉(zhuǎn)換為電信號(信號源)信號轉(zhuǎn)換、放大、信號處置(中間環(huán)節(jié))接受轉(zhuǎn)換信號的設(shè)備(負載)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)或信號源。中間環(huán)節(jié)：把電源與負載銜接起來的部分(銜接導(dǎo)線,開關(guān))負載：將電能轉(zhuǎn)換成非電能的用電設(shè)備(電燈,電爐,電動機)二、電路的組成電池燈泡EIRU+_負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構(gòu)成電流。電流的大小用電流強度表示，簡稱電流。電流強度：單位時間內(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電流的方向用一個箭頭表示。正電荷運動方向規(guī)定為電流的實踐方向。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，闡明參考方向與實踐方向一致，否那么闡明參考方向與實踐方向相反。二、電壓、電位和電動勢電路中a、b點兩點間的電壓定義為單位正電荷由a點移至b點電場力所做的功。電路中某點的電位定義為單位正電荷由該點移至參考點電場力所做的功。電路中a、b點兩點間的電壓等于a、b兩點的電位差。電壓的實踐方向規(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，可任選一方向為電壓的參考方向例： 當Va=3V，Vb=2V時u1=1V最后求得的u為正值，闡明電壓的實踐方向與參考方向一致，否那么闡明兩者相反。u2=－1V對一個元件，電流參考方向和電壓參考方向可以相互獨立地恣意確定，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，在標示時標出一種即可。假設(shè)采用非關(guān)聯(lián)方向，那么必需全部標示。電動勢是衡量外力即非靜電力做功才干的物理量。外力抑制電場力把單位正電荷從電源的負極搬運到正極所做的功，稱為電源的電動勢。電動勢的實踐方向與電壓實踐方向相反，規(guī)定為由負極指向正極。三、電功率電場力在單位時間內(nèi)所做的功稱為電功率，簡稱功率。功率與電流、電壓的關(guān)系：關(guān)聯(lián)方向時：p=ui非關(guān)聯(lián)方向時：p=－uip＞0時吸收功率〔負載性質(zhì)〕，p＜0時放出功率〔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：u=Ri非關(guān)聯(lián)方向時：u=－Ri1、電阻元件符號：功率：電阻元件是一種耗費電能的元件。伏安關(guān)系：2、電感元件符號：電感元件是一種可以儲存磁場能量的元件，是實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，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，相當于短路。3、電容元件電容元件是一種可以儲存電場能量的元件，是實踐電容器的理想化模型。伏安關(guān)系：符號：只需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，外電路負載對Uab無影響。IabUabIsI=Is〔常數(shù)〕I的大小、方向均為恒定，外電路負載對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、實踐電源模型及其等效變換實踐電源的伏安特性或可見，一個實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)。同一個實踐電源的兩種模型對外電路等效，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化電路分析5A3472AI=？例：2A6A+_U558A+_U2.53、運用舉例R1R3IsR2R5R4I3I1I-+IsR1U1+-R3R2R5R4IU3I=?例：(接上頁)IsR5R4IR1//R2//R3I1+I3R1R3IsR2R5R4I3I1I+RdUd+R4E4R5I--(接上頁)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討論題哪個答案對???+-10V+-4V2

10V+-2A2I討論題??+-10V+-4V2

1-３電路的根本定律電路中的每個分支稱為支路3條或3條以上支路的銜接點稱為結(jié)點電路中任一閉合的途徑稱為回路圖示電路有3條支路，2個結(jié)點，3個回路。一、基爾霍夫電流定律〔KCL〕在任一瞬時，流入任一結(jié)點的電流之和必定等于從該結(jié)點流出的電流之和。在任一瞬時，經(jīng)過任一結(jié)點電流的代數(shù)和恒等于零。表述一表述二可假定流入結(jié)點的電流為正，流出結(jié)點的電流為負；也可以作相反的假定。一切電流的符號均取為正。KCL通常用于結(jié)點，但是對于包圍幾個結(jié)點的閉合面也是適用的。例：列出以下圖中各結(jié)點的KCL方程解：取流入為正以上三式相加：i1＋i2＋i3＝0結(jié)點ai1－i4－i6＝0結(jié)點bi2＋i4－i5＝0結(jié)點ci3＋i5＋i6＝0KCL通常用于結(jié)點，但是對于包圍幾個結(jié)點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，在任一回路上的電位升之和等于電位降之和。在任一瞬時，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取正號，相反時取負號。一切電壓符號均取為正。對于電阻電路，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。在運用上式時，電流參考方向與回路繞行方向一致時iR前取正號，相反時取負號；電壓源電壓方向與回路繞行方向一致時us前取負號，相反時取正號。KVL通常用于閉合回路，但也可推行運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。將電路進展適當?shù)牡刃ё儞Q，可以使電路的分析計算得到簡化。1、電阻的串聯(lián)n個電阻串聯(lián)可等效為一個電阻分壓公式兩個電阻串聯(lián)時分壓公式2、電阻的并聯(lián)n個電阻并聯(lián)可等效為一個電阻分流公式兩個電阻并聯(lián)時分流公式二、支路電流法支路電流法是以支路電流為未知量，直接運用KCL和KVL，分別對結(jié)點和回路列出所需的方程式，然后聯(lián)立求解出各未知電流。一個具有b條支路、n個結(jié)點的電路，根據(jù)KCL可列出〔n－1〕個獨立的結(jié)點電流方程式，根據(jù)KVL可列出b－(n－1)個獨立的回路電壓方程式。圖示電路〔2〕結(jié)點數(shù)n=2，可列出2－1=1個獨立的KCL方程?！?〕電路的支路數(shù)b=3，支路電流有i1、i2、i3三個?！?〕獨立的KVL方程數(shù)為3－(2－1)=2個。回路I回路Ⅱ結(jié)點a解得：i1=－1Ai2=1A對結(jié)點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個電流變量i1和i2，只需列2個方程。對圖示回路列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由以上的計算可知，2A電流源發(fā)出20W功率，其他3個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：該電路含有一個電壓為4i的受控源，在求解含有受控源的電路時，可將受控源當作獨立電源處置。對節(jié)點a列KCL方程：i2=5+i1對圖示回路列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)點電壓法對只需兩個結(jié)點的電路，可用彌爾曼公式直接求出兩結(jié)點間的電壓。彌爾曼公式：式中分母的各項總為正，分子中各項的正負符號為：電壓源us的參考方向與結(jié)點電壓uab的參考方向一樣時取正號，反之取負號；電流源is的參考方向與結(jié)點電壓uab的參考方向非關(guān)聯(lián)時取正號，反之取負。如圖電路，根據(jù)KCL有：i1+i2-i3-is1+is2=0設(shè)結(jié)點ab間電壓為uab，那么有：因此可得：設(shè)結(jié)點ab間電壓為uab，那么有：例：用結(jié)點電壓法求圖示電路中結(jié)點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)點電壓法求圖示電路中結(jié)點a的電位Va。解：１-５線性電路中的兩個重要定理一、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〕中，當有多個電源作用時，恣意支路上的電流或兩點間的電壓，都是各個電源單獨作用結(jié)果的代數(shù)和。闡明：當某一電源單獨作用時，其他電源需求置零：電壓源短路，電流源開路例：求I解：運用疊加定理R12AIR2＋＋－4VR1R22A22I＋－R1R2I4V留意：1、疊加原理只能用于電壓或電流的計算，不能用來求功率。2、運用疊加定理時也可以把電源分組求解，每個分電路的電源個數(shù)能夠不止一個。=+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)一個電路只經(jīng)過兩個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