《电工基础知识》.doc

第一部分电工基础知识第1章电路的基本概念与基本定律电路是电工技术和电子技术的基础，学好电路，特别是掌握电路的分析方法，对后面所要学习的电子电路、电机电路及电气控制、电气测量打下坚实的基础本章主要介绍电路模型和各种电路理想元件，其中包括电压和电流参考方向的概念、欧姆定律、基尔霍夫电流电压定律1.1电路与电路模型电路是电流流通的路径，是为某种需要由若干电气元件按一定方式组合起来的整体，主要用来实现能量的传输和转换，或实现信号的传递和处理 电路的结构形式，按所实现的任务不同而多种多样，但无沧是哪种电路，均离不开电源、负载和必要的中间环节这三个最基本的组成部分 电源是提供电能的设备，如发电机、电池、信号源等 负载就是指用电设备，如电灯、电动机、空调、冰箱等 中间环节是用作电源与负载相连接的，通常是一些连接导线、开关、接触器等辅助设备图1.1.1是电路在两种典型场合的应用图(a)是发电厂的发电机把热能、水能或原子能等转换成电能，通过变压器、输电线路等中间设备输送至各用电设备；图(b)通过电路把所接收的信号经过变换（放大）和传递，再由扬声器输出扬声器话筒放大器（a）电力系统其它中间环节用电设备降压变压器扬压器升压变压器发电机图1.1.1 电路在两种典型场合应用示意图无论是电能的传输和转换电路，还是信号的传递和变换电路，其中电源或信号源的电压、电流输入称为激励，它推动电路工作；激励在电路各部分所产生的电压和电流输出称为响应。

分析电路，其实质就是分析激励和响应之间的关系 在电路分析中用电流、电压、磁通等物理量来描述其工作过程然而，实际电路是由电工设备和器件等组成，它们的电磁性质较为复杂，难以用精确的数学方法来描述因此，对实际电路的分析和计算，需将实际电路元件理想化(或模型化)，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略次要因素，将它近似地看作理想元件 如电炉通电后，会产生大量的热(电流的热效应)，呈电阻性，同时由于有电流通过还要产生磁场(电流的磁效应)，它又呈电感性但其电感微小，是次要因素，可以忽略，因此可以理想化地认为电炉是一个电阻元件，用一个参数为R的电阻器件来表示SI 对实际电路分析，就是在一定条件下将实际元器件理想化表示，即将电路中元器件看作理想元件，所组成的电路称为电路模型，也简称为电路这是对实际电路电R+磁性质的科学抽象和概括在今后学习中，我们所接触的电阻元件、E电感元件、电容元件和电源元件等，若没有特殊说明，均表示为理想_元件，分别由相应的参数来描述，用规定的图形符号来表示 如常用的手电筒，其电路模型如图1．1．2所示，实际电路中白炽灯是电阻元件，其参数为电阻R，干电池是电源元件，其参数为电动势E(对于干电池一般在考虑其电动势外，还要考虑其本身的内阻，在本例中，干电池的内阻阻值与白炽灯的阻值相比，是次要因素，忽略不计了，故将干电池理想化为无电阻的电源元件)，干电池与白炽灯的连接还有筒体和开关，其电阻微小忽略不计，认为是一个无电阻的理想导体。

1．2电流和电压的参考方向 尽管从物理课程中已经学过，在分析电路时，当元器件中有了电流通过，其流动方向总是从高电位一端流向低电位的一端，这是电流流动的实际方向；或者当知道了电流流动的实际方向，也能判别出元器件两端的电位高低然而，当分析较为复杂电路时，往往很难知道电流的实际流动方向，特别是交流电路，由于电流的实际流动方向随时间变化，其实际流动方向难以在电路中标注因此，引人了电流“参考方向”的概念，这是分析和计算电路的基础 电流的实际方向是指正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向 电流的参考方向是指在分析与计算电路时，任意假定某一个方向作为电流的参考方向当所假定的电流方向与实际方向一致时，则电流为正值(I>0)；所假定的电流方向与实际方向不一致时，则电流为负值(I

降低的方向，如所假设的电压方向与实际方向一致时，则电压为正值（U）0）；电压参考方向与实际方向不一致时，则电压为负值（U<0）因此，参考电压的值也是个标量，有正负之分；只有参考方向被假定后，电压的值才有正负之分在电路中所标注的电流、电压方向，通常均为参考方向，它们的值为正，还是为负，与所假定的参考方向有关，见图1.1.3和图1.1.4所示ba电流的实际方向电流的实际方向ab电流的参与方向电流的参与方向I <0I >0图1.1.3 电流参考方向与实际方向+ 电压的实际方向 --+ 电压的实际方向 --+ 电压的参考方向 --+ 电压的参考方向 --abbaU<0U >0图1.1.4 电压参考方向与实际方向 电压的参考方向除可以用“+”、“一”极性表示外，还可以用双下标表示如，a、b两点间的电压Uab，它的参考方向是由a指向b，即a点的参考极性为“+”，b点的参考极性为“一”；若参考方向选为b指向a，则为Uba，Uba=-Uab电流的参考方向用箭头标注，也可用双下标表示如Iab表示电流的参考方向是由a点流向b点 【练习与思考】 l.2 图1.1.5(a)巾，已知Uab=一6 v；问。

b哪点电位高? 2.2 图1.l.5(b)中，以h点为参考电位，求其它两点的电位2.3 图1.l.5(c)中，U1=一4 V，U2=一2 V，求Uab=?•5•1.3.1 欧姆定律1 3．1欧姆定律 流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这是欧姆定律的基本内容欧姆定律是电路分析中，最基本、最重要的定律之一在图l.1.6电路中，欧姆定律可表示为下式U/I=R （1.3.1）I_I+ I+ 式中R为电路中的电阻UUU 由上式可见，如果电阻固定，则电流的大小与电__压成正比；如果电压固定，电流的大小与电阻成反+ 比，它反映电阻对电流起阻碍作用 在电路图中，由于所选电流、电压参考方向的不（b）（c）（a）同，欧姆定律的表达式中可带有正负号，当电压和电图1.1.6 欧姆定律流的参考方向一致时[如图1.1.6(a)所示]，则得 U=RI (1．3．2) 当电压和电流的参考方向不一致时[如图1．1_6(b)和图1．1．6(c)所示]，则得 U=-RI， （1 3．3） 式(1．3．2)和式(1．3．3)中的正、负号是由于选取的电压和电流的参考方向不同而得出的，此外还应注意电压、电流其值本身也有正值和负值之分。

电阻的国际单位是欧[姆](Ω)当电路两端的电压为l V时，流过的电流是1 A，则该段电路的电阻阻值为1Ω电阻的单位除欧[姆]( Ω)外，还有千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)，它们的换算关系为 1 kΩ=1 000 Ω=103Ω 1 MΩ=1 000 Ω=106Ω 电阻的倒数(1／R)，称为电导，用G表示，它的国际单位为西[门子](s)在电流、电压参考方向一致时，欧姆定律也可表示为 I=GU1．3．2伏安特性 欧姆定律是德国物理学家欧姆于1826年采用实验的方法得到的式(1 3．1)中表示了电流与电压的正比关系欧姆定律中电阻的伏安特性同样也采用实验的方法测得，它表示两端的电压与流过电流的关系，以电压为横坐标，电流为纵坐标，电阻的特性是一条经过原点的直线，如图l 1．7所示具有该特性的电阻称为线性电阻；u与I之间不具有图1. 1．7所示关系的，称为非线性电阻如在本书后面所要介绍的半导体二极管，其正向电阻的伏安特性为一曲线(图•6•1．1．8所示)，表明半导体二极管的正向电阻为非线性电阻(在本书中未加以说明的电阻均为线性电阻)。

O UIIO U应该指出的是，欧姆定律只适用于线性电阻例1 3．1】如图l 1．9所示的电路，试应用欧姆定律求电路中的电阻R解】图1.1.9（a）: R=U/I=10/2=5Ω图l.1.9（b）: R=-U/I=-10/2=5Ω图1.1.9（c）: R=-U/I=(-10)/2=5Ω图1.1.9（d）: R=U/I=(-10)/（-2）=5Ω__I－2AI－2AI2AI2A++U－10VU－10VU－10VU10VU10V+_+_图1.1.9 例1.3.1图【练习与思考】I3=－3AI1=2Aa1.3.1计算图1.1.10中的两题d5Ω2ΩcaI+I2=－1A4ΩUab－10VR5KΩb－求：Uab＝？ Ubc＝？Uca＝？b图1.1.10 练习与思考题图l.4 电源有载工作、开路与短路1.4.1 电源有载工作•7•前面主要介绍了不含电源的一段电阻电路(如图1.1.6所示)，而实际分析、应用的电路往往是含有电源的闭合电路如图1．1．11所示的电路是一个简单的电源有载工作电路，下面从这个简单的有源闭合电路出发，得出电源有载工作电路的常规分析方法。

图1．1．11电路中，RL为负载电阻，RL为电源内阻，E为电源电动势 1．电压与电流 开关S闭合时，应用欧姆定律得到电路中的电流 I＝E/(R0＋RL) (1．4．1)和负载电阻两端的电压 U= RLI并由上面两式得出 。