电工电子学2第1章――讲课用 重庆大学

电工电子学2第一章电路的基本概念和基本分析方法主讲：侯世英电工电子学2本章教学基本要求1)理解电路模型及5种理想电路元件(电阻、电感、电容、电压源和电流源)的电压-电流关系.2)理解电压、电流参考方向的意义。3)理解电路三种工作状态各自的特点；4)理解基尔霍夫定律，了解支路电流法、理解弥尔曼定理、叠加定理和戴维宁定理。5)了解电功率和额定值的意义。6)了解非线性电阻的概念和受控源的概念.本章讲授学时:10学时自学学时:30学时电工电子学2本章主要内容电路的基本概念电路的基本定律电路的工作状态基本分析方法非线性电阻电路简介本章小结练习与思考电工电子学2基本概念•电路的组成及作用•电路模型与电路元件•电路中的基本物理量•电气设备的额定值•无源电路元件及特性•有源电路元件及特性电工电子学2电路的组成及作用(1)•电路的概念什么是电路(electriccurcuit)？电路是由若干电气装置与器件为了某种需要按一定方式组合而成的电流的通路。开关干电池灯泡实际电路手电筒电路电工电子学2电路的组成及作用(2)•电路的组成开关干电池灯泡实际电路手电筒电路用电器符号代替实际元件电气图电源电源负载负载中间环节中间环节电源负载中间环节电路电工电子学2电路的组成及作用(3)•电路的功能1.实现电能的传输与转换——电力系统的电路发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉输电线图1.1电力系统示意图2.实现信号的传递与处理——电子信号电路信息--(载体)--信号--电路--终端--(去载体)---信息(电流或电压)信号(接受)---电路-----信号(已经放大、去噪、合成…)电工电子学2电路模型与电路元件(1)•为什么要引入电路模型？•什么是电路模型？•怎样建立电路模型？•电路分析的对象是电路模型而不是实际的电路RL+_UsRs电路模型模型化电气图干电池灯泡理想元件理想元件实际元件实际元件电工电子学2电路模型与电路元件(2)•常用理想元件种类——无源元件电荷q磁通电压u电流i电阻元件电容元件电感元件忆阻元件ddt除此之外，还有有源元件：电压源、电流源和受控源电工电子学2电路中的基本物理量•电流•电压与电动势•电功率电工电子学2电流(1)•电流及其表示方式•电流的概念•电流有方向——规定正电荷流动的方向为电流的方向（称为真实方向）。•分析电路时用箭头或双下标来指定电流的方向。正电荷流向负电荷流向电流的真实方向q+q-()ababIiab电路中的一条通路tqqdtdqiIabab)(电工电子学2电流(2)•电流的符号和单位如果电流的大小和方向都不随时间变化，则称为直流电流(DirectCurrent简写为DC)，用大写字母I表示tQtqIdtdqi直流交流如果电流的大小和方向都随时间变化，则称为交流电流(alternatingcurrent简写为AC)，用小写字母i表示电工电子学2电流(3)•电流的符号和单位电流的单位是安培（A），是国际实用单位制（SI）中的七个基本单位之一。它表示：每秒钟流过1库仑的净电荷。秒库仑安培111dtdqiq的单位：库仑（C）t的单位：秒（s）i的单位：安培（A）电工电子学2电流(4)•电流的符号和单位（续）比安培大的单位是千安，比安培小的单位是毫安、微安和纳安，它们的关系是：1kA（千安）=103A1mA（毫安）=10-3A1µA（微安）=10-6A1nA（纳安）=10-9A电工电子学2电流(5)•电流的参考方向ab电路中的一条通路i电流i的参考方向•电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则是受电路约束客观存在并确定的。•当参考方向设得与真实方向一致时，电流的代数值符号为正；反之为负。•若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实方向就是参考方向；反之亦然。电工电子学2电流(6)•电流的参考方向（续）电流的参考方向abi0abi0选定电流的参考方向后，电流就有了正负之分，变成了代数量。参考方向的表示方法：1.带箭头的短线2.加脚标如：iab、iba是一种任意的选定的方向iab0iba0电流的实际方向电流的参考方向电流的实际方向电流的参考方向电工电子学2电流(7)•电流的测量•实验和工程中采用电流表测量电流，电流表必须串接在被测电路中。•电流的参考方向由电流表接线方式决定“+”接线柱指向“-”接线柱。电流表+_被测支路断开通路串接电流表电工电子学2电压与电动势(1)•电压的概念•单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位，用小写的v表示。它表示外力将单位正电荷从参考点（O电位点）移动到的该点所作的功。单位为伏特(V)=1焦耳(J)/库仑(C)，用V表示。a点电位qWvaab点电位qWvbb电工电子学2电压与电动势(2)•电压的概念（续）•电路（电场）中两点（如a与b）之间的电位差称为电压，用u或U表示，单位也是伏特(V)ab两点间的电压dqdWqWWvvubabaab•电压uab表示单位正电荷从a点移动到b点所失去的电位能，因此常也称为电压降。abWaWb失去电位能Wa-Wb电工电子学2电压与电动势(3)•电压的方向（极性）•电压是一个相对量，与参考点的选取无关。•电压表示的是电位下降，也存在方向，不能单用数值来表示，必须同时标定其方向。•先假设电压的方向，数值的正、负表示真实方向与假设方向之间的关系。称此假设的方向为电压的参考方向。电压的参考方向用箭头（或+/号）在电路中标出。•有了参考方向，带方向的电压变量就转变成了代数量。电工电子学2电压与电动势(5)•电压的方向（续）——方向的表示电压的实际方向abuab0电压的实际方向abuba0+-电压的参考方向u电压的参考方向u参考方向的表示方法：1.+:高电位;-:低电位2.带箭头的短线3.加脚标uab选定电压的参考方向后，电压就有了正负之分，变成了代数量u0u0同一段电路的电压相对于不同的正方向可能是正值,也可能是负值.这三种表示方法所代表的意义相同,可以互相通用,实际使用时可以任选一种.电工电子学2电压与电动势(6)•电压的测量•实验和工程中采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路并联。•电压的参考方向由电压表接线方式决定“+”接线柱指向“”接线柱电压表+_被测支路+_u电工电子学2电压与电动势(7)•电压电流的关联参考方向•同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考方向。作为参考方向，都是人为假设出来的，两者之间没有实际联系。•电路分析中，在一个元件上定义两个独立的参考方向是不合适的。为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向采用一致的方向，称为关联参考方向。•如无特别需要，一般采用关联的参考方向。这样在电路中只需要标出一个参考方向。+-I元件U电压与电流的关联正方向电工电子学2电压与电动势(8)•电动势的概念•电动势是表示电源性质的物理量。•电动势表征了电源内部的非电场力移动单位正电荷做功的能力，或者说，电源将其他形式的能量转变成电能的能力。•电动势在数值上等于非电场力将单位正电荷从电源负极经电源内部移动到电源正极时所做的功。用符号E(e)表示，单位也是伏特。•电动势eab表示单位正电荷从a点移动到b点所获得的电位能，因此常也称为电压升。电工电子学2电压与电动势(9)•电动势的方向•电动势的真实方向与电压的真实方向相反。•电动势也规定参考方向。在规定的参考方向下，电动势也是一个代数量。•因为电动势表示的是电源的性质，所以常与电源符号同时出现。电工电子学2电压与电动势(10)•电动势的方向（续）E电动势的真实方向VE5VE5电动势的正方向电工电子学2电压与电动势(11)•电压与电动势的关系•电压与电动势是两个不同的概念，但是都可以用来表示电源正、负极之间的电位差。•当同一电源用电压表示和电动势表示的数值量都为正（或负）时，称电压与电动势正方向关联一致，简称正方向一致。电工电子学2电压与电动势(12)•电压与电动势的关系（续）EABUBAEABUBAEABUBAEABUBAE与U的参考方向一致E与U的参考方向不一致ABABUEUEABABUEUEABABUEUEABABUEUE电工电子学2电功率(1)•电功率的概念•电功率的符号——电路中用P或p表示电功率，按照定义，p(或P)=dW/dt•功率的单位为瓦特(W)=焦耳(J)/秒(s)。比瓦特大的单位是千瓦（kW），小的单位是毫瓦（mW）。1kW=103W1mW=10-3W电工电子学2电功率(2)•电功率的计算)()(d)(d)(.4tituttwtpp——称为瞬时功率1.关联参考方向下成立i+-ubpauidtdwp2.当p0时吸收功率当p0时发出功率i+-ubpauidtdwp3.非关联参考方向必须加上负号！电工电子学2电功率(3)•电源和负载的概念•若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。•若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源IUIU或UIP0消耗功率——负载＋－或IUIUUIP0发出功率——电源P=UI电工电子学2电功率(4)•电源和负载的概念（续）•举例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。123451234530V,20V,60V,30V,80V3A,1A,2A,3A,1AUUUUUIIIII确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？12U5345I3U2U3U4U1I1I2电工电子学2电功率(5)元件111130V3A90W0PUI是负载元件222220V1A20W0PUI是负载元件333360V(2)A120W0PUI是电源元件444430V3A90W0PUI是负载元件555580V(1)A80W0PUI是电源12345902012090800PPPPP注意：电路中所有元件的功率之和为0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。12U5345I3U2U3U4U1I1I2电工电子学2电气设备的额定值•电气设备的额定值：电气设备的安全使用值–额定电流IN：电气设备在长期连续运行或规定工作制下允许通过的最大电流。–额定电压UN：根据电气设备所用绝缘材料的耐压程度和容许温升等情况规定的正常工作电压。–额定功率PN：电气设备在额定电压、额定电流下工作时的功率。•额定值表明了电气设备的正常工作条件、状态和容量，使用电气设备时，要注意不要超出其额定值，避免出现不正常的情况和发生事故。•注意：使用中，电气设备的实际电压、电流、功率不一定等于其额定值。电工电子学2无源电路元件特性•电阻元件•电容元件•电感元件电工电子学2电阻元件(1)•电阻元件的概念由代数关系联系端电压u和电流i的二端元件称为电阻元件，简称电阻。电阻元件的特性由u-i平面上的一条曲线表示。0i/Au/VR1线性电阻元件非线性电阻当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电阻。本课程中如无特别声明电阻元件均指线性电阻。电工电子学2电阻元件(2)•电阻元件的性质——消耗电能电阻的计算SLRR——电阻值ρ——电阻率L——导体长度S——导体横截面积长度的单位是米，面积的单位是米2，电阻率的单位为：欧米。所以，电阻的单位是欧姆。电工电子学2电阻元件(3)•电阻单位比欧姆大的单位有千欧和兆欧。他们之间的关系为：631011011MKk电阻在电路中的表示符号为R电工电子学2电阻元件(4)•电阻元件的电压电流关系——欧姆定律如果一段电阻的阻值为常数，则称为线性电阻,线性电阻遵循欧姆定律——其端电压和流过的电流是正比关系,比例常数叫做电阻(符号为R）.可见R既是这种元件的名称,又是表示其物理性质的电路参数.Ri