电工与电子技术

§1.1-2电路的组成与电路模型电路是电流的通路。由电源、负载和中间环节等电路元件或设备组成。实现电能的传输和转换;或信号的传递和处理。电池灯泡1.1.1电路的组成电源/信号源负载中间环节负载电源EIRLU+_rO开关功率放大电压放大负载信号源中间环节电路模型电路由理想电路元件组成：——对实际电路电磁性质的科学抽象和概括。电路简称—（电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件）由相应的电路参数来表征。1.1.2电路的基本物理量电流、电压、电位、电动势和电功率1.电流安培(A)dtdqi---单位时间(s：秒)内通过某一导体横截面的电荷量Q（C:库仑)，称为电流I（A:安培）。若为恒定电流时安培秒库仑(A)(s)(C)tQI2.电压---电场力将单位正电荷（1C）从A点移至B点所做的功(1J)即为ab两点之间的电压(1V)。）伏特（）库仑（）焦耳（VCJQWUab3.电位---电路中某点的电位就是该点到电路参考点之间的电压。记作Va,参考点一般为零电位点Vo。则伏特）（VaooaUVV4.电动势---用以描绘电源力将单位正电荷从负极移至正极所做的功。ab参考点（参考电位）R＝2I=5AUab=10VV10aVV0bV伏特(V)abUE＋－EababU接地零电位abbaUVV或)W(UIP)W(22RURIUIP5.电功率－单位时间内电流所做的功，简称功率。对于电阻负载：A1V1W1单位为瓦特（W）：即，设电路任意两点间的电压为U,流入此部分电路的电流为I，则这部分电路消耗的功率P为:aIRUb6.电能)(JtIUtPW－电流在一段时间内所做的功，单位为焦耳(J)。sWJ111当电能单位为“千瓦·小时”（kW·h)称为“度”：1度＝1kW·h＝36×105J)(JtRURtIUItPtQ22电流通过负载时，若电能完全转换成热能，则在t时间内，负载所发出的热量等于所耗用的电能。7.电流的热效应1卡＝4.817焦耳电路分析中的物理量参考方向(假设正方向)问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量实际方向，电路如何求解？电流方向AB？电流方向BA？E1ABRE2IR解决方法:(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；IR1IR3IR2电路中物理量的正方向实际正方向假设正方向§1.3电压和电流的参考方向电路中物理量的正方向实际正方向假设正方向•实际正方向(实际方向):物理中对电量规定的方向。•假设正方向（参考方向）：在分析计算时，对电量人为规定的方向。物理量单位实际正方向电流IA、kA、mA、μA正电荷移动的方向电动势EV、kV、mV、μV电源驱动正电荷的方向(低电位?高电位)电压UV、kV、mV、μV电位降落的方向(高电位?低电位)(从电源内部）§1.3电压和电流的参考方向物理量正方向的表示方法正负号箭头双下标物理量正方向的表示方法从电源内部由负极（低电位）指向正极（高电位）。电动势：电压与电流：从电路的高电位端指向低电位端，即电压降方向EIRLU+_rO+_E+_rO正负号箭头ErO正负号+_U箭头UIab双下标UabIabUab与Iab（下标字母高电位在前，低电位在后）Uab＝－UbaIab＝－Iba电压与电流同向（关联方向)箭头：电压与电动势反向USUS+-例已知：E=2V,R=1Ω问：当Uab分别为3V和1V时，IR=?ERab解：(1)假定电路中物理量的参考方向如图所示；(2)列电路方程：EUURabREURUIabRREUUabR(3)数值计算A1121V1A112-33VRabRabIUIU时时（结果为正,实际方向与参考方向一致）（结果为负,实际方向与参考方向相反）IRURU?(4)为了避免列方程时出错，习惯上把同一个元件上I与U的方向按相同的参考方向假设（即U与I为关联参考方向）。(1)方程式R=U/I仅适用于假设正方向一致的情况。(2)“实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。(3)在以后的解题过程中，注意一定要先设定“参考方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.提示例RIURRIRURab假设:与的方向一致RIRURIRU假设:与的方向相反RIURRIRURab（为关联方向）（为非关联方向）P=URIRP=－URIRRUI注意：用欧姆定律列方程时，一定要标明参考方向。IRUIRURUIRUII和U参考方向相同（关联)I和U参考方向相反(非关联）§1.4欧姆定律1.电阻电路欧姆定律2.含源支路欧姆定律0IrUEab0rUEIab当UabE时，I0表明I的实际方向与图中假设方向一致。当UabE时，I0表明I的实际方向与图中假设方向相反。RLE+_baIUabr03.全电路欧姆定律0IrIREL0rREILI/AU/V0IUR遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻。例1.4.1RUI+-6V2A(a)RUI+--6V2A(c)RUI+-6V-2A(b)RUI-+-6V-2A(d)分别求图a、b、c和d的电阻R。解图a：关联方向326IUR图b：非关联方向326IUR图c：非关联方向326IUR图d：关联方向326IUR例1.4.2解已知Uab=-12V，I=-2A,求电阻R。RI+-abnmUnmE1E2--++5V3VV120)12(babaVUVV75)12(1EVVanV3031bmVEV据欧姆定律，关联方向，有5210IUR设b点为零电位，据电位的定义，有V1037mnnmVVU得P12E+-IUroRL1.5.1通路---电源带负载工作负载RL两端电压U=IRL由上两式得U=E-Ir0由欧姆定律可得1.电压与电流0rREIL§1.5电路的工作状态（通路、开路与短路）2.功率与功率平衡02rIEIUI上式两边乘以I,得PPPEPPPE或即EIPEUIP02rIP---电源产生的功率；---负载吸收的功率；---电源内阻耗损的功率；IUE电源的外特性曲线UIr0在闭合电路中，根据能量守衡关系：ΣP（发出）=ΣP（吸收）功率平衡问题则元件吸收功率,起负载作用.3.如何判断电路元件是电源（起电源作用）产生功率，还是负载（起负载作用）消耗功率？则元件发出功率,起电源作用.求各图电路元件的功率，并说明该元件是吸收功率还是发出功率。例解：图a:U与I的实际方向相同WUIP30215该元件吸收功率，是负载，充电。图b，U与I的实际方向相反WUIP30)2(15该元件吸收功率，是电源，供电。图c，U与I的实际方向相反WUIP30)215(该元件吸收功率，是电源，供电。若元件的U与I的实际方向相反，电流从＋端流出:若元件的U与I的实际方向相同，电流从＋端流入:I＝2AUab+-15V(a)I＝－2AUab+-15V(b)I＝2AUab+-15V(c)小结：若电流的实际方向从元件的正极流出，该元件发出功率，起电源作用。若电流的实际方向从元件的正极流入，该元件吸收功率，起负载作用。补充：实际可以看功率的正负来判断。（1）求电源的电动势E1和负载的反电动势E2;（2）并说明功率的平衡。例1.5.1解：E1+-I＝5AUab=220Vab+-R01E2+-R020.6Ω0.6Ω（1）求电动势E1;据含源支路欧姆定律，得V22356.022001IrUEab电流的实际方向从＋端流出:E1是电源，供电。（2）求电动势E2;据含源支路欧姆定律，得V21756.02200202IrUEIrEUabab电流的实际方向从＋端流入:E2是负载，充电。(3)说明功率的平衡IRIREE020121由(2)代入(1)得：两边同乘以I得：20220121IRIRIEIE2256.056.052175223W15W15W1085W1115P141.5.2电源开路(空载)当开关断开时,相当于RL为无穷大。I=0U=Uo=EP=UI=0E+－IUOrORL电源短路时,相当于RL为零。U=0I=Is=E/roP=UI=0,PE=∆P=I2roE+－ISUrORL1.5.3电源短路求PE,P,ΔP和r0及其压降Ur0例解：WEIPE5004125WUIP4604115WPPPE40460500VUEUr1011512505241000.IUrr若发生短路，则短路电流：ArEIS50521250.E+－I＝4AU＝115VrORLab125VUr0例1.5.4若电源的开路电压Uo=12V，其短路电流IS=30A，该电源的电动势和内阻各为多少？解电源的电动势V120UE电源的内阻4.030120SOSIUIER利用电源（网络）的开路电压和短路电流，可求出其电动势和内阻。P17§1.6基尔霍夫定律（克希荷夫定律）用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括克氏电流和克氏电压两个定律。名词注释：结点：三个或三个以上支路的联结点支路：电路中每一个分支回路：电路中任一闭合路径支路：ab、ad、…...（共6条）回路：abda、bcdb、…...（共7个）结点：a、b、…...(共4个）例I3E3_+R3R6R4R5abcdI1I2I5I6I4TheKirchhoff’slaws1.6.1基尔霍夫电流定律Kirchhoff’sCurrentLaw(KCL)KCL的依据：电流的连续性。对任何结点，在任一瞬间，流入结点的电流等于由结点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个结点上电流的代数和为0。即：I1I2I3I4例4231IIII或：04231IIIII=0电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。例I1+I3=I2例I=0KCL的扩展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R例1.6.1解04231IIIISKCL的扩展I1I2I3abcI4I5I6I1+I4-I6=0a点-I2-I4+I5=0b点c点I3-I5+I6=0I1–I2+I3=03式相加，得S封闭面的电流代数和I1+I3=I2试求I4。据KCL,有代入数据得0)3()2(24IA34II1I2I3I4-3A-2A2AP201.6.2基尔霍夫电压定律(KVL)Kirchhoff’sVoltageLaw对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位升等于电位降。或，电压的代数和为0。即：0U例如：回路a-d-c-a电位升电位降或：或：电动势代数和电阻上电压降的代数和33435544RIEERIRI033435544RIEERIRI55443343RIRIRIEE例I3E3_+R3R6R4R5abcdI1I2I5I6I4KVL解题步骤：2、确定元件正方向。电阻为电流方向。电源为正极指向负极(电位方向)。1、确定回路及参考方向。3、利用公式解题。解题时元件正方向与参考方向一致时取正元件，反之取负元件。负元件正元件+－i5+uab－+－i3i1i2R3R1R2us1us3+us2－i4ba22s211s133s3abRiuRiuRiuuIRLU+_rOU00IrUU0abRIUEab电位升电位降KVL也适合开口电路。据KVL,得111222RIERIEUabV371632461613)83(6111222RIERIEUab求a,b间的电压Uab解：例IE+_RabUabE