电工与电子技术第一章

主讲：陈智[e-mail]电工与电子技术第一章直流电路1.认识电路和电路模型2.电路的基本物理量3.电路的基本规律4.电压源，电流源极其等效变换5.直流电路的基本分析方法认识电路和电路模型•电路（electriccircuit）电路是由各种元器件为实现某种应用目的、按一定方式连接而成的整体，其特征是提供了电流流动的通道。复杂的电路亦可称之为网络。根据电路的作用，电路可分为两类：一类是用于实现电能的传输和转换。另一类是用于进行电信号的传递和处理。根据电源提供的电流不同电路还可以分为直流电路和交流电路两种。认识电路和电路模型•电路模型某一种实际元件中在一定条件下，常忽略其它现象只考虑起主要作用的电磁现象，也就是用理想元件来替代实际元件的模型，这种模型称之为电路元件，又称理想电路元件。用一个或几个理想电路元件构成的模型去模拟一个实际电路，模型中出现的电磁想象与实际电路中的电磁现象十分接近，这个由理想电路元件组成的电路称为电路模型。手电筒电路的电路模型电路的基本物理量--电流带电质点的定向移动形成电流。电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流的实际方向习惯上是指正电荷移动的方向。电流分为两类：一是大小和方向均不随时间变化，称为恒定电流，简称直流，用I表示。二是大小和方向均随时间变化，称为交变电流，简称交流，用i表示。对于直流电流，单位时间内通过导体截面的电荷量是恒定不变的，其大小为TQI电路的基本物理量--电流对于交流，若在一个无限小的时间间隔内，通过导体横截面的电荷量为，则该瞬间的电流为在国际单位制（SI）中，电流的单位是安培（A）。dtdqi电路的基本物理量--电流在复杂电路中，电流的实际方向有时难以确定。为了便于分析计算，便引入电流参考方向的概念。所谓电流的参考方向，就是在分析计算电路时，先任意选定某一方向，作为待求电流的方向，并根据此方向进行分析计算。若计算结果为正，说明电流的参考方向与实际方向相同；若计算结果为负，说明电流的参考方向与实际方向相反。图表示了电流的参考方向（图中实线所示）与实际方向（图中虚线所示）之间的关系。RRababii参考方向参考方向0i0i电路的基本物理量--电流例2.1如图所示，电流的参考方向已标出，并已知I1=－1A，I2=1A，试指出电流的实际方向。解：I1=－1A0，则I1的实际方向与参考方向相反，应由点B流向点A。I2=1A0，则I2的实际方向与参考方向相同，由点B流向点A。AABB1I2I电路的基本物理量--电压在电路中，电场力把单位正电荷（q）从a点移到b点所做的功（W）就称为a、b两点间的电压，也称电位差，记对于直流，则为电压的单位为伏特（V）。dqdwuabQWUAB电路的基本物理量--电压电压的实际方向规定从高电位指向低电位，其方向可用箭头表示，也可用“+”“-”极性表示，如图2.5所示。若用双下标表示，如表示a指向b。显然。值得注意的是电压总是针对两点而言。和电流的参考方向一样，也需设定电压的参考方向。电压的参考方向也是任意选定的，当参考方向与实际方向相同时，电压值为正；反之，电压值则为负。RRababuu例2.2如图所示，电压的参考方向已标出，并已知U1=1V，U2=－1V，试指出电压的实际方向。解：U1=1V0，则U1的实际方向与参考方向相同，由A指向B。U2=－1V0，则U2的实际方向与参考方向相反，应由A指向B。电路的基本物理量--电压B1U2UAAB电路的基本物理量--电位在电路中任选一点作为参考点，则电路中某一点与参考点之间的电压称为该点的电位。电位的单位是伏特（V）。电路中的参考点可任意选定。当电路中有接地点时，则以地为参考点。若没有接地点时，则选择较多导线的汇集点为参考点。在电子线路中，通常以设备外壳为参考点。参考点用符号“⊥”表示。有了电位的概念后，电压也可用电位来表示，即因此，电压也称为电位差。还需指出，电路中任意两点间的电压与参考点的选择无关。即对于不同的参考点，虽然各点的电位不同，但任意两点间的电压始终不变。BAABBAABvvuVVU电路的基本物理量--电位•例2.3图2.7所示的电路中，已知各元件的电压为：U1＝10V，U2＝5V，U3＝8V，U4＝－23V。若分别选B点与C点为参考点，试求电路中各点的电位。解：选B点为参考点，则＝0选C点为参考点，则或BVV101UUVABAV52UUVCBCV135823UUUVDBD0CVV1551021UUUVACAV1582334UUUVACAV525UUVBCV83UUVDCD电路的基本物理量--电动势•电源力把单位正电荷由低电位点B经电源内部移到高电位点A克服电场力所做的功，称为电源的电动势。电动势用E或e表示，即•电动势的单位也是伏特（V）。•电动势与电压的实际方向不同，电动势的方向是从低电位指向高电位，即由“—”极指向“+”极，而电压的方向则从高电位指向低电位，即由“+”极指向“—”极。此外，电动势只存在于电源的内部。dqdweQWE电路的基本物理量--电动势•单位时间内电场力或电源力•所做的功，称为功率，（2-7）•用P或p表示。即•若已知元件的电压和电流，•功率的表达式则为（2-8）•功率的单位是瓦特（W）。•当电流、电压为关联参考方向时，式（2-8）表示元件消耗能量。若计算结果为正，说明电路确实消耗功率，为耗能元件。若计算结果为负，说明电路实际产生功率，为供能元件。•当电流、电压为非关联参考方向时，则式（2-8）表示元件产生能量。若计算结果为正，说明电路确实产生功率，为供能元件。若计算结果为负，说明电路实际消耗功率，为耗能元件。dtdwpTWPuipUIP电路的基本物理量--电动势•例2.4（1）在图2.8(a)中，若电流均为2A，U1＝1V，U2＝—1V，求该两元件消耗或产生的功率。（2）在图2.8（b）中，若元件产生的功率为4W，求电流I。••解：（1）对图2.8（a），电流、电压为关联参考方向，元件消耗的功率为•＝1×2＝2W0•表明元件消耗功率，为负载。•对图2.8（b），电流、电压为非关联参考方向，元件产生的功率为•＝（－1）×2＝－2W0•表明元件消耗功率，为负载。•（2）因图2.8（b）中电流、电压为非关联参考方向，且是产生功率，故•＝4W••A•负号表示电流的实际方向与参考方向相反。IUP1IUP241442UIIUP2电路的基本物理量--工作状态•电路在不同的工作条件下，会处于不同的状态，并具有不同的特点。电路的工作状态有三种：•开路状态•负载状态•短路状态。电路的基本物理量--工作状态--开路状态•开路状态（空载状态）•在图所示电路中，当开关K断开时，电源则处于开路状态。开路时，电路中电流为零，电源不输出能量，电源两端的电压称为开路电压，用表示，其值等于电源电动势即EUOC电路的基本物理量--工作状态--短路状态在图2.10所示电路中，当电源两端由于某种原因短接在一起时，电源则被短路。短路电流很大，此时电源所产生的电能全被内阻所消耗。短路通常是严重的事故，应尽量避免发生，为了防止短路事故，通常在电路中接入熔断器或断路器，以便在发生短路时能迅速切断故障电路。0REISC电路的基本物理量--工作状态--负载状态电源与一定大小的负载接通，称为负载状态。这时电路中流过的电流称为负载电流。负载的大小是以消耗功率的大小来衡量的。当电压一定时，负载的电流越大，则消耗的功率亦越大，则负载也越大。电路的基本定律--欧姆定律•欧姆定律的基本内容是：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。•I=U/R电路的基本定律--基尔霍夫定律•基尔霍夫电流定律与电压定律，它们则分别反映了电路中各个支路的电流以及各个部分电压之间的关系。介绍支路电流法来求解简单的电路。•1、支路：电路中通过同一个电流的每一个分支。如图2.23中有三条支路，分别是BAF、BCD和BE。支路BAF、BCD中含有电源，称为含源支路。支路BE中不含电源，称为无源支路。•2、节点：电路中三条或三条以上支路的连接点。如图2.23中B、E（F、D）为两个节点。•3、回路：电路中的任一闭合路径。如图2.23中有三个回路，分别是ABEFA、BCDEB、ABCDEFA。•4、网孔：内部不含支路的回路。如图2.23中ABEFA和BCDEB都是网孔，而ABCDEFA则不是网孔。1I1SU2SU3I1R2R3R1U2UABCDFE电路的基本定律--基尔霍夫电流定律（KCL）•基尔霍夫电流定律指出：任一时刻，流入电路中任一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。基尔霍夫电流定律简称KCL，反映了节点处各支路电流之间的关系•在图2.23所示电路中，对于节点B可以写出或•即•由此，基尔霍夫电流定律也可表述为：任一时刻，流入电路中任一节点电流的代数和恒等于零。321III0321III0I电路的基本定律--基尔霍夫电流定律（KCL）•基尔霍夫电流定律不仅适用于节点，也可推广应用到包围几个节点的闭合面（也称广义•节点）。如图1.24所示的电路中，可以把三角形ABC看作广义的节点，用KCL可列出•即•可见，在任一时刻，•流过任一闭合面电流•的代数和恒等于零。AIABCBICI0CBAIII0I电路的基本定律--基尔霍夫电流定律（KCL）•例2.8如图所示电路，电流的参考方向已标明。若已知I1=2A，I2=―4A，I3=―8A，试求I4。•解：根据KCL可得04321IIIIA2)8()4(23214IIII2I3I1I4I电路的基本定律--基尔霍夫电压定律（KVL）•基尔霍夫电压定律指出：在任何时刻，沿电路中任一闭合回路，各段电压的代数和恒等于•零。基尔霍夫电压定律简称KVL，其一般表达式为•（2-32）•应用上式列电压方程时，首先假定回路的绕行方向，然后选择各部分电压的参考方向，凡参考方向与回路绕行方向一致者，该电压前取正号；凡参考方向与回路绕行方向相反者，该电压前取负号。0U电路的基本定律--基尔霍夫电压定律（KVL）•在图2中，对于回路ABCDEFA，若按顺时针绕行方向，根据KVL可得••根据欧姆定律，上式还可表示为••即（2-33）•式（2-33）表示，沿回路绕行方向，各电阻电压降的代数和等于各电源电动势升的代数和。•基尔霍夫电压定律不仅应用于回路，也可推广应用于一段不闭合电路。如图2.26所示，电路中，A、B两端未闭合，若设A、B两点之间的电压为UAB，按逆时针绕行方向可得••即•表明：开口电路两端的电压等于•该两端点之间各段电压降之和。01221SSUUUU0122211SSUURIRISUIRRIUUSAB0RSABUUU2SUABRRUABUI电路的基本定律--基尔霍夫电压定律（KVL）•例2.9求图所示电路中10Ω电阻及电流源的端电压。•解：按图示方向得••按顺时针绕行方向，根据KVL得••SUURRU105A10VV50105RU0SRUUU105040SRUUUV电压源•电压源是指理想电压源，即内阻为零，且电源两端的端电压值恒定不变（直流电压）。•它的特点是电压的大小取决于电压源本身的特性，与流过的电流无关。流过电压源的电流大小与电压源外部电路有关，由外部负载电阻决定。因此，它称之为独立电压源。U电压源•实际电压源可以用一个理想电压源Us与一个理想电阻r串联组合成一个电路来表示，如图所示。•特征方程U=Us–IRIUsUiuorsUrI电流源•电流源是指理想电流源，即内阻为无限大、输出恒定电流IS的电源。如图2.19所示。•它的特点是电流的大小取决于电流源本身的特性，与电源的端电压无关。端电压的大小与电流源外部电路有关，由外部负载电阻决定。因此，也称之为独立电流源。电流源•实际电压源可以用一个理想电流源IS与一个理想电导R并