《电工电子技术基础教学资料》第1章电路基本概念和基本定律

1、电气和电子技术基础，第1章电路的基本概念和定律。走廊里有声控灯，家里有空调、风扇、洗衣机和电脑等家用电器。为什么这些电器通电后还能工作？这些电器的电压和电流是多少？家里所有的电器一个月消耗多少电？如果电器出现故障，如何分析和修理？让我们一起讨论这个问题。学习目标：1 .掌握电路和电路模型；2.掌握电压、电流及其参考方向的定义、测量和计算；3.掌握电力和电能的计量和计算；4.熟悉电阻、电感和电容等电气元件的识别和测量；5.熟悉基尔霍夫电压和电流定律的计算。第一章，电路的基本概念和定律，1.1电路和电路模型，1.1.1电路的概念，1。电路及其组件。简单地说，电路是电流通过的路径。实际电路通常由各种

2、电路实体(如电源、电阻、电感、电容、变压器、仪表、二极管、三极管等)组成。)，每一种都有其不同的电磁特性和功能。人们根据需要，以某种方式将相关的电路实体组合起来，形成一个电路。如果一个电路有许多元件和复杂的电路结构，它也称为电路网络。无论简单还是复杂，电路的基本元件都离不开三个基本环节：电源、负载和中间环节。第1章，电路的基本概念和定律，1.1电路和电路模型，电源是一种为电路提供电能的装置。它能把其他形式的能量，如化学能、太阳能、机械能和核能，转换成电能。在电路中，电源是激励源，是激励和产生电流的因素。负载是一种吸收电能的装置，其功能是将电能转换成其他形式的能量(如机械能、热能、光能等)。)。

3、生产和生活中经常使用的电灯、电动机、电炉、扬声器和其他电气设备都是电路中的负载。中间环节起着传输电能、分配电能和控制整个电路的作用。最简单的中间环节是开关和连接线；在实际电路中间通常有一些保护和检测装置。复杂的中间链路可以是由许多电路元件组成的网络系统。第1章，电路的基本概念和定律，1.1电路和电路模型。在图1-1所示的手电筒照明电路中，电池用作电源，灯用作负载，电线和开关用作连接灯和电池的中间环节。第一章，电路的基本概念和定律，1.1电路和电路模型，1.1.1电路概念，2。电路的类型和功能，以及工程应用中的实际电路可以根据不同的功能归纳为两类。一个是完成能量传输、分配和转换的电路。二是实现电

4、信号传输、转换、存储和处理的电路。如图1-1所示，电池通过电线将电能传输给灯，灯将电能转换成光能和热能。这种电路的特点是功率大，电流大。如图1-2所示，是一个扬声器的工作过程。麦克风将声音的振动信号转换成电信号，即相应的电压和电流，该电信号被放大并通过电路传输到扬声器，然后由扬声器恢复成声音。这种电路的特点是低功率和低电流。在第1章，电路的基本概念和规律，1.1电路和电路模型，1.1.2电路模型中，实际电路的电磁过程相当复杂，很难进行有效的分析和计算。在电路理论中，为了便于实际电路的分析和计算，人们通常在工程实践允许的条件下对实际电路进行建模，即忽略次要因素，掌握能反映其功能的主要电磁特性，抽

5、象出实际电路器件的“电路模型”。例如，电阻器、白炽灯、电炉等。这些电气设备接收电能这些电气设备除了具有耗能的电磁特性外，还具有其他电磁特性，但在研究和分析问题时，即使忽略这些电磁特性也不会影响整个电路的分析和计算。因此，仅具有耗能电磁特性的“电阻元件”可以用作它们的电路模型。第1章，电路的基本概念和定律，1.1电路和电路模型，通过理想化实际电路器件获得的只有单一电磁特性的元件称为理想电路元件，简称为电路元件。每个电路元件都体现了某种基本现象，具有某种电磁特性和精确的数学定义。通常使用的是用于将电能转换成热能的电阻元件、用于电场特性的电容元件、用于磁场特性的电感元件、电压源元件和电流源元件等。每

6、个元件的电路符号如图1-3所示。第1章，电路的基本概念和定律，1.1电路和电路模型。由相互连接的理想电路元件组成的电路称为电路模型。例如，如图1-1所示，当电池向外部提供电压时，内部有消耗能量的电阻器，所以电池由它的电动势e和内阻R0的串联表示；除了消耗电能(电阻)，灯通电时还会产生感应磁场。然而，电感很弱，可以忽略不计，因此灯可以被视为电阻元件，用R1表示。图1-4显示了手电筒电路的电路模型。第1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向。电路中的变量是电流和电压。无论是电能的传输和转换，还是信号的传输和处理，都是这两个量变化的结果。因此，了解电流和电压及其参考方向对于进一步理解

7、电路的分析和计算非常重要。在第一章中，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向，1.2.1电流及其参考方向，以及电荷的定向运动形成电流。通常，单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流，用符号I或I表示。电流主要有两种类型：一种是大小和方向不随时间变化的电流，称为恒流，缩写为直流，缩写为直流或dc，其电流强度用符号I表示。一种是大小和方向随时间变化的电流， 其中，一个周期内电流平均值为零的波动电流称为交流，用交流或交流表示。 第一章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向，图1-5给出了几种常见的电流，其中图(a)是DC，图(b)是正弦交流，图(c)是锯齿交流。第1章，电

8、路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向。对于直流电，单位时间内通过导体横截面的电荷量是恒定的，其电流强度定义为，对于可变电流，如果假设在小时间间隔dt内通过导体横截面的电荷量为dq，则瞬时电流强度为，电流单位为安培，符号为安培。安培单位在电力系统中很小，有时kA被视为电流强度的单位。在无线电系统(如晶体管电路)中，安培的单位太大，所以毫安或微安经常被用作电流强度的单位。它们之间的转换关系如下：第一章：电路的基本概念和规律；1.2:电流、电压及其参考方向。电流有大小和方向。通常，正电荷的移动方向被定义为电流的实际方向。然而，当电路复杂时，很难直接确定电流的实际方向。为了便于分析电路，电

9、流方向被任意假设为电路中电流的参考方向。电流参考方向可以任意假设，但实际电流方向是客观存在的，所以假设的电流参考方向不一定是实际电流方向。A第1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向。建议在设定参考方向的前提下，电流的正值或负值是有意义的。在这本书里，电路图上标出的电流方向都是参考方向。电流的实际方向和参考方向之间的关系如图1-6所示。在第一章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压和它们的参考方向，1.2.2电压和它的参考方向，这些都是在物理学中学过的，点A和B之间的电压被定义为电场力将单位正电荷从点A移动到点B所做的功.电压的实际方向是正电荷在电场力的作用下移动的方向。在第

10、1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向中，在直流电路中，电压是一个恒定值，用u表示，即在可变电流电路中，电压是一个可变值，用u表示，即电压的单位是伏特，简称v。在电力系统中，使用千伏，在无线电系统中，也使用毫伏和微伏。第1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向。像电流一样，电压也有大小和方向。指定电势实际下降的方向作为电压的实际方向。在分析电路时，还需要预先选择电压的参考方向，电压的参考方向也是任意选择的，这通常由电路中的“+”和“-”的极性来表示，如图1-7a所示。电压参考方向也可以用双下标uab(从A点到B点的电压参考方向点)表示，如图1-7b所示，或者用

11、实线箭头表示，如图1-7c所示。第1章电路的基本概念和定律1.2电流、电压及其参考方向在设定的参考方向下计算。如果计算出的电压值为正，则电压的参考方向与实际方向一致；如果是负的，参考方向与实际方向相反，如图1-8所示。第1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向。在电路分析中，电流和电压的参考方向可以独立假设，但为了电路分析的方便，通常将一段电路或一个元件的电压和电流设置为相关的参考方向，即电流从电压的“”极流向“”极，如图1-9所示。第一章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向，1.2.3电势的概念及其分析和计算。为了便于分析问题，在电路中通常将一个点指定为参考点

12、，并且假定该点的电位为零，用符号表示。在生产实践中，接地被视为零电位点，任何外壳接地的设备(接地符号为)的外壳电位都是零电位。在一些设备或装置中，外壳不接地，但是许多部件的公共点被认为是零电势点，也用符号表示。电路中其他点相对于参考点的电压是每个点的电势，因此任意两点之间的电压等于这两点之间的电势差。电路中每个点的电位是相对的，不同的参考点每个点的电位是不同的，但电路中任意两点之间的电压与参考点的选择无关。在电路中，高于参考点电位的所有点都是正电位，低于参考点电位的所有点都是负电位。第1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向，示例1-1计算图1-10中点A的电位。解决方案：对于

13、图1-10a，对于图1-10b，因为电阻器20中的电流为零，第1章，电路的基本概念和定律，1.2电流、电压及其参考方向，示例1-2电路如图1-11所示，当开关S打开和闭合时，计算点A和B的电势UA和UB。解决方法：让电路中的电流为1，如图1-11所示。当开关关闭时，有，因为，以同样的方式，当开关关闭时，有，第一章基本概念第一章，电路的基本概念和定律，1.3电功率和电能的概念和计算。提示：计算某个部件的功率时，主要有以下几种情况：1.p0，表示该部件吸收(或消耗)电能；2.p0，表示部件发出(或产生)电能；3.p=0，表示该部件不产生或消耗电能。在第1章电路的基本概念和定律，1.3电功率和电能的

14、概念和计算中，例1-3计算电路中各元件的功率，如图1-12所示，指出是吸收还是释放电能，并计算整个电路的功率。已知电路=2安DC电路，U1=4伏，U2=-8伏，U3=6伏，=2安.解决方案：在图中，元件1的电压和电流是相关的参考方向，因此元件1吸收电能。元件2和元件3的电压和电流是不相关的参考方向，因此元件2吸收电能，元件3发射电能。整个电路功率如下：第1章电路的基本概念和规律，1.3电功率和电能的概念和计算，1.3.2电能，电路在一段时间内消耗或提供的能量称为电能。从t0到t，电路元件消耗或提供的能量，在DC和国际单位制中，电能的单位是焦耳。1 J等于正常运行期间功率为1 W的电气设备在1秒

15、钟内消耗的电能。通常，电力部门使用“度”作为单位来衡量用户消耗的电能，“度”是kWh的缩写。1度(或1千瓦时)电等于1千瓦时功率的部件正常工作时1小时内消耗的电能。也就是说，第1章，电路的基本概念和定律，以及第1.3章，电功率和电能的概念和计算，如果流过实际元件的电流太大，元件的绝缘材料可能被损坏，甚至电线可能由于温度太高而熔化；如果电压太高，绝缘就会击穿，所以必须加以限制。电气设备或部件长期正常运行的电流允许值称为额定电流，长期正常运行的电压允许值称为额定电压；额定电压和额定电流的乘积是额定功率。通常，电气设备或部件的等级标在产品的铭牌上。如果白炽灯标有“220伏40瓦”，则意味着其额定电压

16、为220伏，额定功率为40瓦。第1章，电路的基本概念和定律，1.4电阻、电感和电容元件都是理想的电路元件，不发射电能，称为无源元件。它们是线性和非线性的，线性元件的参数是恒定的，与施加的电压和电流无关。本节主要分析和讨论线性电阻、电感和电容的特性。第1章，电路的基本概念和定律，1.4电阻、电感和电容元件，1.4.1电阻元件，它是最常见的用于反映电流热效应的双端电路元件之一。电阻元件可分为线性电阻和非线性电阻。除非另有说明，本书中提到的电阻元件是指线性电阻元件。在实际的交流电路中，白炽灯、电阻炉和烙铁可视为线性电阻元件。如图1-13a所示，它是线性电阻的符号。在电压和电流相关的参考方向下，其端电压-安培关系为，其中R为常数，用于表示电阻及其值。上述公式表明，任何遵循欧姆定律的元素都是线性电阻元素。图1-13b显示了其伏安特性曲线。如果电压和电流处于不相关的参考方向，则应写出伏安关系。在国际单位制中，电阻的单位是欧姆()，它规定当电阻电压为1伏，电流为1安时，电阻值为1。此外，电阻的单位是千欧姆(k)和兆欧姆(m)。电阻的倒数称为电导，用符号g表示，即电导的单位是西门子(s)或1/欧姆(1/)。第1章电路的基本概念和规律，1.4电阻、电感和电容元件，电阻是一种耗能元件。当电阻通过电流时在DC电路中，第1章，