电工与电子技术基础-第1章 直流电路及其分析方法

任课教师基本情况姓名：苑尚尊单位：电子信息工程学院电工电子教研室办公地点：第一实验楼409室联系电话：教研室65022333(实验室65023730)手机：[phone]电子邮箱：[e-mail]第1章直流电路及其分析方法结束§1.1电路的基本概念§1.2电路基础知识§1.3电路工作状态§1.4基尔霍夫定律§1.5电压源、电流源及其等效变换§1.6电路的分析方法§1.7电路中电位的计算使用教材电工与电子技术基础苑尚尊编著中国水利水电出版社２００9.1§1.1电路的基本概念(1)实现电能的传输、分配与转换(2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1.1.1电路的作用与组成（1）电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线1.1.1电路的作用与组成（2）电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息1.1.1电路的组成及作用（3）放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。1.1.2电路的模型R+RoE–S+U–I电池导线灯泡开关电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。开关用来控制电路的通断。今后分析的实际电路都是指电路的模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号来表示。1.1.3电路的主要物理量电荷在电场力作用下有规则的运动形成电流。1.电流把单位时间内通过某一导体横截面的电荷量定义为电流强度（简称电流），用I表示。它是衡量电流强弱的基本物理量。电流的单位是：安培（A）、还有毫安（mA）或微安（μA）。它们的关系是：1A=103mA=106μA1.电流在实际分析时，常任意假定某个方向作为电流的流向。这个假定的方向称为参考方向。习惯上，把正电荷的运动方向作为电流的实际方向，并在电路中用箭头标注。电流的参考方向可能与实际方向不一致。当电流的实际方向与参考方向一致时，其值为正；当实际方向与参考方向相反时，其值为负。2.电压为了表示电场力对电荷做功的本领，引入了“电压”这个物理量，用U表示。在数值上电压就是电场力把单位正电荷从一点移到另一点所做的功。电压的单位是伏特（V）还有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（μV）它们的关系是：1V=10-3kV=103mV=106μV2.电压电位的概念：它是表示电场中某一点性质的物理量，而且是相对于确定的参考点来说的。电场中某点的电位在数值上等于电场力将单位正电荷自该点沿任意路径移到参考点所做的功。A点电位用ＵA表示。将电位与电压进行比较，可以得出电场中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。电位的单位也是伏特（V）。且规定参考点的电位为零伏，所以参考点也叫零电位点。2.电压在进行电路分析时，如果电压的实际方向难以确定，也可任意假定某个方向作为电压的参考方向。这个参考方向可能与电压的实际方向不一致，当电压的实际方向与参考方向一致时，其值为正；当电压的实际方向与参考方向相反时，其值为负。2.电压电压的参考方向可以用三种方法来表示。（1）用“+”、“-”符号分别表示电压参考方向的高电位端和低电位端。（2）用箭头的指向表示，它由电压参考方向的高电位端指向低电位端。（3）用双下标字母表示。如用Uab表示电压的参考方向，则第一个字母表示高电位端，第二个字母表示低电位端。参考方向是从a指向b。3．电动势如参考方向与其实际方向一致，其数值为正，否则为负值。通常情况下电源的电动势常用端电压来表示。电动势是表示电源性质的物理量。电动势常用E表示，其单位也是伏特（V）。在电路中，电源的电动势的参考方向的标注同电压一样，有极性标注、箭头标注和双下标标注。电源的E在数值上等于电源力把单位正电荷从低电位端经电源内部移到高电位端所做的功。4．电功率与电能P=UI电气设备做功的速率(1)电能又叫电功（2）电功率W=UIt单位：焦耳（J）大的单位：kWh（度）电功率的单位：瓦特（W）（kW）（mW）电功率因电压和电流方向可以任意选取，故电功率会出现正负！U、I参考方向不同，P=UI0，电源；P=UI0，负载。U、I参考方向相同，P=UI0，负载；P=UI0，电源。(1)根据U、I的实际方向判别(2)根据U、I的参考方向判别电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；负载：U、I实际方向相同，即电流从“-”端流出。（吸收功率）。（1）电压和电流的方向是客观存在的。参考方向是人为规定的方向，在分析电路时需要先规定参考方向，然后根据这个规定的参考方向列写方程式。（2）参考方向一经确定，在整个分析计算过程中必须以此为准，不能再改变。（3）不标明参考方向，说某个电压或电流的值为正、为负没有意义。（4）参考方向可以任意选取而不影响结果。（5）电压和电流的参考方向可以分别单独选取。但为了分析方便，同一段电路的电流和电压的参考方向要尽量一致（电流的方向从电压的“+”极性端流入，从电压的“–”极性端流出）。5．标注参考方向应注意的问题【例】电路如图所示，U=12V，I=–4A。试计算元件的电功率。【解】由电路可知，此题的电压和电流为关联方向，有48)4(12UIP(W)这说明元件产生功率，而不是吸收功率，相当于电源。1.1.4电路的基本元件理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。理想元件是组成电路模型的基本单元，元件上电压与电流之间的关系又称为元件的伏安特性，它反映了元件的性质。电路元件按能量特性，可分为无源元件和有源元件；按与外部连接的数目，可分为二端、三端、四端元件等；按伏安特性，可分为线性元件和非线性元件。1、电阻元件。电阻元件是常见的二端电路元件iRu根据欧姆定律:即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系线性电阻SlR金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关，表达式为：表明电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。0dd00tRituiWt2t电阻的能量Riu+_电路端电压与电流的关系称为伏安特性。遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：常数即：IUR线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。（1）物理意义iNΦiψL电感:(H、mH)线性电感:L为常数;非线性电感:L不为常数2、电感元件电流通过N匝线圈产生(磁链)NΦψ电流通过一匝线圈产生(磁通)Φui+-线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近的介质的导磁性能等有关。lNSμL2(H)lNSμL2自感电动势：tiLtψeLdddd（2）自感电动势方向的判定①自感电动势的正方向规定:自感电动势的正方向与电流正方向相同,或与磁通的正方向符合右手螺旋定则。iu+-eL+-L电感元件的符号S—线圈横截面积（m2）l—线圈长度（m）N—线圈匝数μ—介质的磁导率（H/m）②自感电动势瞬时极性的判别tiLeLdd0eL与参考方向相反eL具有阻碍电流变化的性质eL实+-eLui+-+-eL实-+tiddi0eLui+-+-eL与参考方向相同0tiLeLddi0tidd③电感元件储能221LiWLtiLeuLdd根据基尔霍夫定律可得：将上式两边同乘上i，并积分，则得：20021ddLiiLituiti即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。磁场能3、电容元件当在电容器两端加电压后，其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷，在介质中建立起电场，并储存电场能量。uqC（1）电容量)(FuiC+_电容元件电容器的电容量与极板的尺寸和介质的介电常数有关。(F)dSCS—极板面积（m2）d—板间距离（m）ε—介电常数（F/m）tuCidd当电压u变化时，在电路中产生电流:（2）电容元件的储能221CuWC将上式两边同乘上u，并积分，则得：20021ddCuuCutuitu即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。电场能根据：tuCidd实际的电阻、电容电阻的主要指标1.标称值2.额定功率3.允许误差种类:碳膜、金属膜、线绕、可变电阻电容的主要指标1.标称值2.耐压3.允许误差种类:云母、陶瓷、涤纶电解、可变电容等一般电阻器、电容器都按标准化系列生产。电阻的标称值误差标称值10%（E12）5%（E24）1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2电阻的标称值=标称值10n1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1等§1.2电路基础知识U、I参考方向相同时，U、I参考方向相反时，RU+–IRU+–I表达式中有两套正负号：①式前的正负号由U、I正方向的关系确定；②U、I值本身的正负则说明实际方向与正方向之间的关系。通常取U、I正方向相同。U=IRU=–IR1.2.1欧姆定律解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=–IRΩ326:IUR所以Ω326:IUR所以RU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A1.2.2电阻串并联1、电阻的串联特点:1)各电阻一个接一个地顺序相联；两电阻串联时的分压公式：URRRU2111URRRU2122R=R1+R23)等效电阻等于各电阻之和；4)串联电阻上电压的分配与电阻成正比。R1U1UR2U2I+–++––RUI+–2)各电阻中通过同一电流；应用：降压、限流、调节电压等。2、电阻的并联两电阻并联时的分流公式：IRRRI2121IRRRI211221111RRR(3)等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和；(4)并联电阻上电流的分配与电阻成反比。特点:(1)各电阻联接在两个公共的节点之间；RUI+–I1I2R1UR2I+–(2)各电阻两端的电压相同；应用：分流、调节电流等。特征:开关断开1.3.1开路状态I=0电源端电压(开路电压)负载功率U=U0=EP=01.开路处的电流等于零；I=02.开路处的电压U视电路情况而定。电路中某处断开时的特征:I+–U有源电路IRoREU0§1.3电路的工作状态电源外部端子被短接1.3.2短路状态特征:0SREII电源端电压负载功率电源产生的能量全被内阻消耗掉短路电流（很大）U=0PE=P=I²R0P=01.短路处的电压等于零；U=02.短路处的电流I视电路情况而定。电路中某处短路时的特征:I+–U有源电路IR0REU0开关闭合,接通电源与负载RREI0负载端电压U=IR特征:1.3.3有载工作状态IR0REUI①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，IU。或U=E–IR0电源的外特性EUI0当R0R时，则UE，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。开关闭合,接通电源与负载。RREI0负载端电压U=IR特征:①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，IU。或U=E–IRoUI=EI–I²RoP=PE–P负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率③电源输出的功率由负载决定。负载大小的概念:负载增加指负载取用的电流和功率增加(电压一定)。IR0REUI1.3.4电气设