电工电子学-电路基础

电路基础——电路的基本概念和定律本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.了解电路的有载工作、开路与短路状态；4.理解各类电路元件的特性。5.会计算电路各点的电位。第1章电路的基本概念与基本定律1.1电路的基本概念电路是电流的通路，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。(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.电路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2.电路的组成部分电源: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...输电线青岛电网内有500千伏变电站4座，容量375万千伏安；35-220千伏变电站128座，容量1502万千伏安；35-220千伏线路3044千米。供电线路总长度达3045公里。2018年全年，中国大陆的发电量接近7万亿千瓦时。其中火力发电约为全国发电总量的73.23%。山东省的火力发电量最高，约占山东发电总量的95.7%。水力发电量占全国发电总量的比例约为16.24%。四川省是水电第一大省。广东省的核能发电量居全国第一。内蒙古为中国的风力发电第一大省。青海太阳能发电量最多。国内电力分布直流电源直流电源:提供能源负载信号源:提供信息2.电路的组成部分放大器扬声器话筒信号处理：放大、调谐、检波等电源（激励源，输入）其他能→电能，供给电路。激励响应中间环节传输，分配，放大或缩小负载电能→其他能，消耗电能。2.电路的组成部分1.2电路模型反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。电路模型电路模型能够模拟实际电路中各器件的主要物理功能和运作过程。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。今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。+R0R开关EI电珠+U干电池导线电阻电感电容电流源电压源消耗电能储存磁场能储存电场能提供电能提供电能RLCISUS理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件。5种常见的理想元件①具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一电路模型表示；②同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。例电感线圈的电路模型注意1.3电压和电流的参考方向电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。1.电流的参考方向电流电流强度带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量tqtqtitddΔΔlim)(0Δdef单位A（安培）、mA、A方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向AB实际方向AB但对于复杂电路或电路中为交变电流时，实际方向往往很难事先判断,可先假定一个方向作为参照。任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。i0i0电流的参考方向与实际方向的关系：i参考方向ABi参考方向ABi参考方向AB参考方向电流(代数量)：数值代表大小，正负表示方向。电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。i参考方向ABiABABddabababWUVVq单位：V(伏)、kV2.电压的参考方向电压U电压方向两点之间的电位差，或单位正电荷从一点移动到另一点时电场力做的功。电位降低的方向为电压实际方向。AB+-U电压真实方向未知的情况下，可任意假定一个电位降低的方向为电压参考方向。参考方向U0参考方向U+–参考方向U+–0U+实际方向–+实际方向–电压亦为代数值：数值代表大小，正负表示方向。(2)用正负极性表示(3)用双下标表示AB+U-UAB电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示：U3.电动势电动势电源克服电场力做功的能力。电动势即电源中的非静电力克服电场力把正电荷从负极移到正极所做的功，也是电源把其他形式的能量转换为电能的能力。+R0E3VRI3.电动势电动势电源克服电场力做功的能力。+R0E3VRI注意：电源所标电动势及电源正负极皆为真实值和真实极性。电动势没有参考方向。电动势方向从电源负极指向电源正极I=0.28AI=–0.28A电动势（无参考方向）E=3V，由负极指向正极。U++R0E3VU´+例:电路如图所示。电流I的参考方向与实际方向相同，I=0.28A,由流向,反之亦然。电压U´的参考方向与实际方向相反,U´=–2.8V;即:U=–U´电压U的参考方向与实际方向相同,U=2.8V,方向由指向；2.8V–2.8V4.关联与非关联对一个元件，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，称关联参考方向；如不一致，称非关联参考方向。+　　u　　－(a)关联方向abi－　　u　　+(b)非关联方向abi如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。①分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。②参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号)，在计算过程中不得任意改变。注意③参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。例电压电流参考方向如图所标，问：A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。＋－uBAiAB+-UIAB+-UI关联与非关联对公式的影响RIURIUC＋－uidduiCt+_I=3AU=6VabR例应用欧姆定律求电阻Ra+_I=-3AU=6VbR+_I=3AU=－6VabR+_I=-3AU=－6VabR236IUR236IUR236IUR236IUR正电荷从元件上电压的正极经过元件运动到负极时，电场力对电荷做正功，元件吸收能量。1.电场力做功的极性1.4电功率和能量i+-ui+-u正电荷从元件上电压的负极经过元件运动到正极时，电场力对电荷做负功，元件释放能量。实际方向twpdduitqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)2.电功率—单位时间内电场力所做的功。qwuddtqidd总结元件上的电流、电压实际方向相同，元件吸收能量；如果相反，则元件放出能量。3.电路元件吸收或发出功率的判断u,i取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(实际吸收)P0吸收负功率(实际发出)P=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(实际发出)P0发出负功率(实际吸收)u,i取非关联参考方向+-iu+-iu4.电路元件是电源还是负载的判断（1）元件上的电流、电压实际方向已知电流电压实际方向相同，元件类似电阻，实际吸收功率，即吸收电路电能，为负载；如果电流电压实际方向相反，则元件实际放出功率，为电路提供电能，是电源。（2）元件上的电流、电压实际方向未知依据参考方向与元件功率的正负来进行判断，见上页。实际吸收电路功率/能量的是负载，实际对电路发出功率的是电源。例如图：u、i参考方向是否关联？ui乘积表示什么功率？若（a）中u0、i0，（b）中u0、i0，元件实际发出还是吸收功率？i+-ui+-u(a)(b)a关联，吸收，实际发出b非关联，发出，实际发出+　　U=5V－(a)(b)I=2A+　　U=5V－I=-2A(c)+　　U=5V－I=-2A（a）关联方向，P=UI=5×2=10W，P0，吸收10W功率。（b）关联方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P0，产生10W功率。（c）非关联方向，P=UI=5×(－2)=-10W，P0，吸收10W功率。例求图示各元件的功率。请看课本第三页总结及例题1-1例求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－功率平衡是检验电路是否正确的标准之一）（发出W221111IUP）（发出W62)3(122IUP（吸收）W1628133IUP（吸收）W3)1()3(366IUP）（发出W7)1(7355IUP）（发出W41)4(244IUP564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－功率平衡：发出的功率＝吸收的功率注意1.5电源的工作状态额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值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。注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。1.电器设备的额定值电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：IIN，PPN(不经济)过载(超载)：IIN，PPN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(安全合理)2.电源的工作状态开关闭合,接通电源与负载RREI0负载端电压U=IR电压电流关系(1)电流的大小由负载决定。(2)电源有内阻时，IU。或U=E–IR0R0ER+–I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。P=PE–P负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率通常负载需要多少能量电源就供给多少，所以电源输出的功率和电流皆由负载决定。负载大小即指负载取用的电流和功率大小(电压一定)。电路的功率UI=EI–I2Ro由U=E–IR0功率平衡请做习题1-2、1-171-2U4和U5极性相同，左“-”右“+”；元件3电流电压实际方向相反，是电源；E1端电流端电压实际方向相同，负载，E2端电流端电压实际方向相反，电源；整个电路功率平衡（计算过程略）。1-17a:电源，发出200W；b:负载，吸收200W；c:负载，吸收200W；d:电源，发出200W。电源开关断开3.电源开路I=0开路电压负载功率U=U0=EP=0电路中某处断开时的特征:IRoREU01.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。3.电路中某段电路的电流为零，但并未直接断开，在分析和计算其他部分的电流时，可将该段电路看作开路。I+–U有源电路一般电路断开4.电源短路0SREII短路电流1.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。3.若电路中某两点间的电压为零但并未直接连在一起，在分析其他部分的电压时，可将该两点视为短路。电路中某处短路时的特征:IRRoE电源端电压负载功率U=0PE=P=I²R0P=0I+–U有源电路一般电路短路断路例求:Rab对称电路c、d等电位短路bacdRRRRbacRRRRbacdRRRR例：测得某电源的开路电压为12V，短路电流为30A，试求该电源的内阻。解：Ro=Uo/Rs=12/30=0.4Ω这是由电源的开路电压和短路电流计算测量电源内阻的一种常用方法，常称为开路短路法。1.6电路的基本定律求解电路中的电流和电压，需采用数学方法，列写电路方程进行求解。列方程的依据有两类—即电路的电流和电压受到的基本约束：元件VCR约束：由元件本身特性决定。几何（拓扑）约束：由电路连接方式决定。如u=Ri基尔霍夫定律1.几个名词电路中通过同一电流的分支。元件的连接点称为结点。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3①支路电路中每一个两端元件就叫一条支路。i3i2i1②结点b=5n=2注意两种定义分别用在不同的场合。或三条以上支路的连接点称为结点。由支路组成的闭合路径。两结点间的一条通路。由支路构成对平面电路，其内部不含任何