电工学第七版第一章电路的基本概念

电 工 学 -电 工 技 术 绪 论 电 工 学 是 高 等 学 校 非 电 专 业 的 一 门 实 践 性 较 强 的 技术 基 础 课 程 。 随 着 现 代 化 建 设 的 进 行 ， 各 行 各 业 都朝 着 电 气 化 、 自 动 化 的 方 向 发 展 。 所 以 ， 非 电 专 业的 工 程 技 术 人 员 和 科 研 人 员 都 必 须 掌 握 一 定 的 电 感与 电 子 技 术 方 面 的 知 识 ， 以 便 逐 步 掌 握 这 些 先 进 技术 ， 使 本 专 业 能 适 应 科 学 技 术 的 发 展 。学 习 电 工 学 的 目 的 ： 使 学 生 学 到 电 工 和 电 子 技 术 的 基本 理 论 、 基 本 知 识 和 基 本 技 能 ， 培 养 学 生 自 学 能 力 ，动 手 能 力 ， 使 用 电 子 设 备 的 能 力 。 为 学 习 后 续 课 程以 及 将 来 从 事 技 术 工 作 和 科 学 研 究 打 下 基 础 。电 工 学 的 基 本 内 容 ： 电 路 电 机 与 控 制 电 子 技 术 v电 路 ： 是 电 工 学 课 程 的 基 础 ， 通 过 这 一 部 分的 学 习 ， 使 学 生 掌 握 电 路 的 基 本 概 念 、 基 本定 律 、 基 本 的 分 析 方 法 。v电 机 与 控 制 ： 使 学 生 了 解 电 动 机 的 结 构 、 工作 原 理 和 工 作 性 能 、 熟 悉 控 制 电 器 及 由 控 制电 器 构 成 的 控 制 线 路 。v电 子 技 术 ： 使 学 生 掌 握 二 、 三 极 管 的 特 性 以及 由 它 们 构 成 的 整 流 电 路 和 放 大 电 路 的 工 作原 理 和 特 性 ， 数 字 电 路 的 工 作 原 理 和 特 性 。 学 习 方 法 ： 三 大 环 节 v通 过 课 堂 教 学 ： 掌 握 基 本 概 念 、 基 本 定 律 、工 作 原 理 、 分 析 方 法 。 公 式 与 电 路 与 特 性 曲线 对 应 ， 看 电 路 列 公 式 ， 学 会 分 析 电 路 。v通 过 做 一 定 数 量 的 习 题 ， 培 养 分 析 和 解 决 问题 的 能 力 、 计 算 能 力 ， 理 解 和 巩 固 课 堂 上 所学 的 知 识 。 要 求 ： 绘 图 用 尺 、 标 明 单 位 、 书写 工 整 ， 培 养 良 好 的 学 习 习 惯 。v通 过 做 实 验 培 养 动 手 能 力 ， 学 会 正 确 使 用 常用 的 电 子 仪 器 和 电 工 仪 表 ， 培 养 工 作 能 力 。 放大器 扬 声 器话 筒 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 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 : 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 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 。 都 是 由 一 些 按 需 要 起 不 同 作 用 的 实 际 电 路 元 件 或 器 件组 成 ， 如 发 电 机 ， 变 压 器 。为 了 便 于 对 实 际 电 路 进 行 分 析 ， 将 实 际 元 件 理 想 化 ，突 出 主 要 电 磁 特 性 ， 忽 略 次 要 性 质 ， 这 样 的 电 路 元 件称 为 理 想 电 路 元 件 。 例 如 ， 白 炽 灯 ,忽 略 其 电 感 性 ,认为 是 电 阻 元 件 。 只 具的 电 特 性 只 具 有 的电 特 性 ， 输 出 电流 由 它 和 负载 共 同 决 定 ， 两 端 电压 由 它 和 负载 共 同 决 定只 具 有 的电 特 性 电 池 开 关导 线 灯 泡 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； 开 关 用 来 控 制 电 路 的 通 断 。电 源 负载负载电源 开 关实 体 电 路 IS 中 间 环 节电 路 模 型导 线 E+_R0 RL + U小 灯 泡 电 路 : 物 理 量 实 际 方 向电 流 I 正 电 荷 运 动 的 方 向电 动 势 E (电 位 升 高 的 方 向 ) 电 压 U (电 位 降 低 的 方 向 )高 电 位 低 电 位 单 位kA 、 A、 mA、A低 电 位 高 电 位 kV 、 V、 mV、VkV 、 V、 mV、V 电 流 ： Uab 双 下 标电 压 ： IE+_ 在 分 析 与 计 算 电 路 时 ， 对电 量 任 意 假 定 的 方 向 。Iab 双 下 标 aR b箭 标 a bRI U+_正 负 极 性 + a bU 实 际 方 向 与 参 考 方 向 一 致 ， 电 流 (或 电 压 )值 为 正 值 ；实 际 方 向 与 参 考 方 向 相 反 ， 电 流 (或 电 压 )值 为 负 值 。注 意 ： 在 参 考 方 向 选 定 后 ， 电 流 ( 或 电 压 ) 值 才 有 正 负之 分 。 若 I = 5A， 则 电 流 从 a 流 向 b；例 ： 若 I = 5A， 则 电 流 从 b 流 向 a 。a bRIa bRU+ 若 U = 5V， 则 电 压 的 实 际 方 向从 a 指 向 b；若 U= 5V， 则 电 压 的 实 际 方 向从 b 指 向 a 。 U、 I 参 考 方 向 相 同（ 关 联 参 考 方 向 ） 时 ， （ 非 关 联 参 考 方 向 ） ，RU+ I RU+ IU = I R 通 常 取 U、 I 参 考 方 向 相 同 （ 即 关 联 参 考 方 向 ） 。 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 = IR 326 : IUR所 以 326: IUR所 以RU6V+ 2A R+U6V I(a) (b)I 2A 注 意 表 达 式 中 有 两 套 正 负 号 ： 式 前 的 正 负 号 由 U、 I 参 考 方 向 的 关 系 确 定 ； U、 I 值 本 身 的 正 负 则 说 明 实 际 方 向 与 参 考 方 向 之 间 的 关 系 。 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/A U/Vo线 性 电 阻 的 伏 安 特 性常 数即 ： IUR 1.5 电 源 有 载 工 作 、 开 路 与 短 路 开 关 闭 合 ,接 通 电 源与 负 载 （ 即 通 路 ） 。RR EI 0U = IR 回 路 中 电 流 的 大 小 由 负 载 决 定 。 在 电 源 有 内 阻 时 ， I U 。或 U = E IRoP = PE P 负 载 取 用 功 率 电 源 产 生 功 率内 阻 消 耗 功 率 电 源 输 出 的 功 率 由 负 载 决 定 。 IR0 R E U UI = EI IR o电源的外特性 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 )。 U电 源 + IP 电 源 输 出 的 电 流 和 功率 由 负 载 的 大 小 决 定S1 S2 S3 U、 I 参 考 方 向 不 同 ， P = -UI 0， 负 载 ； P = -UI 0， 电 源 。U、 I 参 考 方 向 相 同 ， P =UI 0， 负 载 ； P = UI 0， 电 源 。 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 ） 。 电 源 与 负 载 的 判 别例 已 知 ： 图 中 UAB= 3 V， I = 2 A解 P = UI =(2) 3= 6 W求 ： N 的 功 率 ， 并 说 明 它 是 电源 还 是 负 载 因 为 此 例 中 电 压 、 电 流 的 参 考 方 向 相 同而 P 为 负 值 ， 所 以 N 发 出 功 率 ， 是 电 源 。想 一 想 ， 若 根 据 电 压 电 流的 实 际 方 向 应 如 分 析 ？NAB I 电 气 设 备 在 给 定 的 工 作 条 件 下 正 常 运 行 时而 规 定 的 正 常 允 许 值 。： I I N ， P IN ， P PN I = IN ， U = UN ， P = PN 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 =1 W 额 定 值 与 实 际 值 特 征 : 开 关 断 开 （ 空 载 ）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 = 0 ;2. 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IRo R E U0 电 源 外 部 端 子 被 短 接 特 征 : 0S REII U = 0 PE = P = IR0P = 01. 短 路 处 的 电 压 等 于 零 : U = 0 ;2. 短 路 处 的 电 流 I 视 电 路 情 况 而 定 。 I +U有源电路IR0 R E U m=3ab+_R1US1 +_US2R2 R3 l=3n=211 2 31.支 路 ： 电 路 中 流 过 同 一 电 流 的 几 个 元 件 串 联 的 分 支 。 （ m） (一 条 支 路 流 过 一 个 电 流 ， 称 为 支 路 电 流 。 )2.结 点 ： 三 条 或 三 条 以 上 支 路 的 汇 集 点 （ 连 接 点 ） 。 （ n）3.回 路 ： 由 支 路 构 成 的 、 电 路 中 的 任 意 闭 合 路 径 。 (l）4.网 孔 ： 指 内 部 不 包 含 任 何 分 支 的 单 一 回 路 。 网 孔 是 回 路 ， 回路 不 一 定 是 网 孔 。 平 面 电 路 的 每 个 网 眼 都 是 一 个 网 孔 。32 网 孔 =2 ad b cE +R3 R4R1 R2I2I4I6I1I3I 可 见 ， 在 任 一 瞬 时 ， 通 过 任 一 闭 合 面的 电 流 的 代 数 和 也 恒 等 于 零 。IAIB IAB IBC ICAIC AB C 对 A、 B、 C 三 个 结 点应 用 KCL可 列 出 ：IA = IAB ICAIB = IBC IABIC = ICA IBC上 列 三 式 相 加 ， 便 得广 义 结 点 I =?I = 02 +_+_ I5 1 1 56V 12V 1I 2I 3I 4I 1 0.01I A2 0.3I A3 9.61I A4I ， 即 ： U = 0 在 任 一 瞬 时 ， 从 回 路 中 任 一 点 出 发 ， 沿 回 路 循 行 一周 ， 则 在 这 个 方 向 上 的 电 位 升 之 和 等 于 电 位 降 之 和 。对 回 路 1：对 回 路 2： E1 = I1 R1 +I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 I1 I2I3 ba E2R2 R3R1E1 1 2 1 列 方 程 前 标 注 回 路 循 行 方 向 ； 电 位 升 = 电 位 降 E2 =UBE + I2R2 U = 0 I 2R2 E2 + UBE = 0 2 应 用 U = 0 项 前 符 号 的 确 定 ： 4. 开 口 电 压 可 按 回 路 处 理 注 意 ： 1对 回 路 1： E1 UBEE+B+R1 +E2R2 I2 _I 13. 电 路 中 任 意 两 点 间 的 电 压 等 于 两 点 间 任 一 条 路 径 经 过 的 各 元 件 电 压 的 代 数 和 。 2 A BC UA+_ UAB+ _UB +_根 据 KVL:U = 0可 列 出U AB = UA UB UA UB UAB = 0 对 网 孔 abda：对 网 孔 acba：对 网 孔 bcdb：R6 I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0I4 R4 + I3 R3 E = 0对 回 路 adbca， 沿 逆 时 针 方 向 循 行 ： I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0应 用 U = 0列 方 程对 回 路 cadc， 沿 逆 时 针 方 向 循 行 ： I 2 R2 I1 R1 + E = 0 ad b cE +R3 R4R1 R2I2I4I6I1I3I 例 2： 图 示 电 路 ， 已 知 US1=12V， US2=3V， R1=3， R2=9， R3=10， 求 Uab。解 ： 由 KCL I3= 0， I1=I2 US2 + + US1 I1 I2 R1 R2 I3 + Uab a b R3c 由 KVL I1 R1 I2 R2=US1由 KVL 0S23322ab URIRIU A1931221 S112 RRUII解 得 ：解 得 ： V12 310091 S23322ab URIRIU 2. 举 例 求 图 示 电 路 中各 点 的 电 位 :Va、Vb、 Vc、 Vd 。解 ：设 a为 参 考 点 ， 即 Va=0V 设 b为 参 考 点 ， 即 Vb=0Vbac 204A6 10A E290V E1140V 56A d 参 考 点 具 有 单 一 性 和 任 意 性 , 任 意 两 点 的 电 位 差bc a204A6 10A E290V E1140V 56A d +90V20 5+140V 6c d 例 ： 电 路 如 图 所 示 ， 则 A点 的 电 位 VA为 （ ） (a) 12V (b) -12 V (c) -6 V 图 示 电 路 ， 计 算 开 关 S 断 开 和 闭 合 时 A点 的 电 位 VA解 : (1)当 开 关 S断 开 时(2) 当 开 关 闭 合 时 ,电 路 如 图 （ b）电 流 I2 = 0，电 位 V A = 0V 。电 流 I1 = I2 = 0，电 位 VA = 6V 。电 流 在 闭 合路 径 中 流 通 2K A+ I1 2kI26V (b)2k+6V A2kS I2I1 (a) a 12V6K4K 20KS 12V下 图 所 示 电 路 ， 求 S打 开 和 闭 合 时 a点 电 位 各 为 多 少 ？S断 开 时 ， 图 中 三 个 电 阻 相 串 联 ， 即 ：I=12-(-12) (6+4+20)=0.8mAVa=12-0.8 20= 4VS闭 合 时 ， 等 效 电 路 如 左 下 图 所 示12V20KS12V 4K6K aI I=12 (20+4)=0.5mAV a=0.5 4=2V 12V 20KS12V 4K6K I a U S1 U S2U S3U S4A BR1 R2R3C