电工技术基础教程

第1章直流电路1.1电路的作用和组成1.3电路的状态1.2电路的基本物理量1.4电路中的参考方向1.5理想电路元件1.6基尔霍夫定律1.7支路电流法1.8叠加定理1.9等效电源定理1.10非线性电阻电路教学基本要求分析与思考题练习题第1章直流电路返回主页基本概念基本定理了解理解掌握电源1.1电路的作用和组成电路（electriccircuit）----电流流通的路径。返回下一页上一页下一节＋－US电路的大小可以相差很大，小到硅片上的集成电路，大到输电网。根据所处理信号的不同，电路可以分为模拟电路和数字电路。电路的作用返回下一页上一页下一节(1)实现电能的传输、分配与转换（强电领域）放大器扬声器话筒(2)实现信号的传递与处理（弱电领域）发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线电源: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...输电线电路的组成（强电领域）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:提供信息放大器扬声器话筒电路的组成（弱电领域）返回下一页上一页下一节E电源：E将非电形态的能量转化为电能的供电设备。（电源亦称为内电路）负载：将电能转化为非电形态的能量的用电设备。中间环节：沟通电路、输送、控制电能。图1.1.1简单照明电路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。负载和中间环节亦合称外电路。电路的组成（弱电领域）电路的作用和组成组成：电源、负载、中间环节作用：电能的传输、分配与转换（强电领域）信号的传递与处理（弱电领域）内电路外电路1.3电路的状态（一）通路(有载工作)返回下一页上一页下一节上一节EUSUL++__IS电路的状态——通路(closedcircuit)电源的状态——有载(loaded)/负载状态电气设备工作时，其电压、电流和功率均有一定限额，这些限额表示了电气设备的正常工作条件和工作能力，称为电气设备的额定值（ratedvalue）。图1.3.1通路电气设备的额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值。电气设备的三种运行状态1.额定值反映电气设备的使用安全性；2.额定值表示电气设备的使用能力。例：灯泡：UN=220V，PN=60W电阻：RN=100，PN=1W等于额定值时，称为满载，I=IN，P=PN,设备工作安全，效率最高；大于额定值时，称为过载，IIN，PPN,设备工作不安全，极易损坏；小于额定值时，称为欠载，IIN，PPN,效率低,不经济。（二）开路返回下一页上一页下一节上一节ⅠⅡ当某部分电路与电源断开，该部分电路中没有电流，亦无能量的输送和转换，这部分电路的状态称为开路（opencircuit）。S2S1I＝0有源电路U视电路而定开路的特点:图1.3.2开路图1.3.3开路的特点电源的状态：空载（no-load）（三）短路返回下一页上一页下一节上一节当某部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路，这部分电路的状态称为短路（shortcircuit）或短接。I视电路而定有源电路U＝0S2S1ⅠⅡ电源短路图1.3.4短路图1.3.5短路的特点注:短路可分为故障短路和有用短路，故障短路往往会造成电路中电流过大，使电路无法正常工作，严重的会产生事故。有用短路则是出于工作需要，经适当连接，不会产生过大的电流。FS电路的状态通路有载或负载状态开路空载状态短路额定状态1.2/1.4电路基本物理量及其参考方向1.2.1电流、电位、电压及参考方向1.2.2电流和电压的关联1.2.3电位的求取方法1.2.4电动势、功率和电能+-1.2.1电流、电位、电压及参考方向1.电流2.电位单位时间内通过电路某一横截面的电荷量。tQItqidd单位：安[培]（A）电流方向：规定为正电荷运动的方向。内电路：电源负极→正极外电路：电源正极→负极I电场力将单位正电荷从电路某一点移至参考点消耗的电能。用V表示。单位：伏[特]（V）。参考点也称接地，用表示，其电位为零。返回下一页上一页下一节上一节VOVa3.电压I+-电场力将单位正电荷从电路某一点移至另一点消耗的电能。用U表示。单位：伏[特]（V）。电压：两点的电位差。如Uab=Va-Vb某点电位：该点与参考点的电压值。即Va=Va-Vo=Uao电压方向：规定高电位→低电位，即电位降低方向。++--USUL返回下一页上一页下一节上一节VaVbUabVOVa在复杂的直流电路中，电压和电流的实际方向往往是无法预知的，且可能是待求的；而在交流电路中，电压和电流的实际方向是随时间不断变化的。这时只能给它们假定一个方向作为电路分析和计算时的参考，这些假定的方向称为参考方向或正方向。正电荷运动的方向规定为电流的实际方向。电流的方向用实线箭头（箭标法）表示，亦可用双下标法表示，如Iab。任意假设的电流方向称为电流的参考方向（亦称为正方向）。如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。参考方向实际方向(a)i0ab参考方向实际方向(b)i0abii电流的方向：电压的实际方向规定由高电位端指向低电位端。任意假设的电压方向称为电压的参考方向（亦称为正方向）。电压的参考方向用实线箭头（箭标法）或双下标（双下标法如：Uab）表示,亦可用“＋”、“-”（电位法）表示。例:设上图中箭标法标注的为电压的实际方向，则在当前参考方向下有：u10u20最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。+　　u1　　－ab－　　u2　　+ab电压的方向：对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联正方向,这种情形称为正方向关联；如不一致，称非关联正方向，该情形称为正方向不关联。1.如果采用关联正方向，在标示时标出一种物理量的方向即可。如果采用非关联正方向，则必须全部标示。2.在关联正方向下，沿电流方向而行，电位降低;而逆电流方向而行，则电位升高。+u－(a)关联正方向abi－u+(b)非关联正方向abi1.2.2电流和电压的关联电位的另一定义：在电路中选取一个电位为零的参考点，即零电位点，并在电路图中用符号“┷”表示，电路中各点相对该零电位点的电压即为各点电位。直流电路中，用大写字母U或V加单下标表示，如：Ua、Vb。电位实际上是电压的一种特殊情况。1.2.3电位的求取方法(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2)标出各电流参考方向并计算；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。电位的求取方法一.用定义求取。二.用电位升降法求取。这里先介绍第一种方法。具体步骤如下：例1：求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。解：设a为参考点，即Va=0VVb=Uba=Vc=Uca=4×20=80VVd=Uda=6×5=30V设b为参考点，即Vb=0VVa=Uab=10×6=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90VUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V–10×6=60V由例题可知：1.在电路中，不指定参考点而谈论各点的电位值是没有意义的。而且参考点一经选定，在电路分析和计算过程中，不能随意更改。2.电路中各点的电位值与参考点的选择有关，当所选的参考点变动时，各点的电位值将按相同趋势随之变动。3.同一电路中，只要电路结构和参数不变，任意两点之间的电压是不会随参考点的变化而变化的。电位的求取方法二(电位升降法)+us1－R1R2R3+us2－ab如图，在电路中选定一绕行方向后沿之绕行，若遇到的电位升高，可称之为电位升（如图中绕行方向下的US1和US2），而反之则称为电位降,简称压降（如图中绕行方向下的R1和R2上的电压）。电位升和电位降：i1i2i3III1.选定参考点，即零电位点。并在电路图中用符号“┷”表示。原则上可以随意选取，但为计算分析方便，一般取单电源电路中的电源负极，或多电源的电路中的电源公共连接点为参考点。电位的求取方法二(电位升降法)具体步骤如下：3.求出选定路径的支路电流。2.选取一条求取路径。只要能从参考点到达被求电位点的路径都可选取，为计算分析方便，一般取电流最易求的路径，而且途经元件越少越好。4.从零电位点（亦可从选定路径上任意已知电位点）出发，向被求电位点看去，途中遇电位升取正，遇电位降取负，到达被求电位点后，求所有途经电压的代数和，即得该点电位。例2：分别求出下两图中各点的电位和a、b两点间的电压。解：1.电路中的电流正方向如图示，故可得：I1=US/(R1+R2+R3)=10/10=1mA1.选定参考点，即零电位点。并在电路图中用符号“┷”表示。原则上可以随意选取，但为计算分析方便，一般取单电源电路中的电源负极，或多电源的电路中的电源公共连接点为参考点。I12、选取一条求取路径。只要能从参考点到达被求电位点的路径都可选取，为计算分析方便，一般取电流最易求的路径，而且途经元件越少越好。3.求出选定路径的支路电流。4.从零电位点（亦可从选定路径上任意已知电位点）出发，向被求电位点看去，途中遇电位升取正，遇电位降取负，到达被求电位点后，求所有途经电压的代数和，即得该点电位。在左图中，由电位升降法沿d到c到b到a的路径，可得各点电位:Vd=0VVa=10V=I1×(R1+R2+R3)＝1mA×10K=10VVb=US－I1×R1＝10V－1mA×1K=9V=I1×(R2+R3)＝9VVc=I1×R3＝6VUab=Ua－Ub＝10V－9V=1V例2：分别求出下图中各点的电位和a、b两点间的电压。解：1.电路中的电流正方向如图示，故可得：I2=US/(R1+R2+R3)=10/10=1mA1.选定参考点，即零电位点。并在电路图中用符号“┷”表示。原则上可以随意选取，但为计算分析方便，一般取单电源电路中的电源负极，或多电源的电路中的电源公共连接点为参考点。2、选取一条求取路径。只要能从参考点到达被求电位点的路径都可选取，为计算分析方便，一般取电流最易求的路径，而且途经元件越少越好。3.求出选定路径的支路电流。4.从零电位点（亦可从选定路径上任意已知电位点）出发，向被求电位点看去，途中遇电压升取正，遇电压降取负，到达被求电位点后，求所有途经电压的代数和，即得该点电位。在左图中，由电位升降法沿d到c到b到a的路径，可得各点电位:Vc=0VVa=I2×(R1+R2)＝1mA×4K=4VVb=I2×R2＝1mA×3K＝3VVd=－I2×R3＝－1mA×6K＝－6VUab=Ua－Ub＝4V－3V=1VI21.选定参考点，即零电位点。并在电路图中用符号“┷”表示。原则上可以随意选取，但为计算分析方便，一般取单电源电路中的电源负极，或多电源的电路中的电源公共连接点为参考点。电位的求取方法二(电位升降法)具体步骤如下：3.求出选定路径的支路电流。2.选取一条求取路径。只要能从参考点到达被求电位点的路径都可选取，为计算分析方便，一般取电流最易求的路径，而且途经元件越少越好。4.从零电位点（亦可从选定路径上任意已知电位点）出发，向被求电位点看去，途中遇电位升取正，遇电位降取负，到达被求电位点后，求所有途经电压的代数和，即得该点电位。引入电位后，可简化计算过程和电路图。简化计算的方法将在以后介绍，右图即为将左图用电位标注后，简化得到的电路图。用电位简化电路图的一般方法是：1.用“┷”表示零电位点。2.省略电源符号而仅标出其相应端子的电位值。借助电位简化电路作图bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd例3:图示电路，计算开关S断开