文档介绍：电气基础知识
第一章电路的基本概念和基本定律
本章将介绍电路和电路模型的概念、理想电路元件及其伏安特性、电路中的基本物理量、和基本定律。着重讨论电流和电压的参考方向、基尔霍夫定律及电路等效原理等。通过本章内容的学****可了解和掌握电路中的基本概念和定律,为后续分析复杂电路打下一个基础。
电路和电路模型
实际电路及其基本功能
人们在生产和生活中使用的电器设备如:电动机、电视机、计算机等都由实际电路构成。实际电路的结构组成包括:电源、负载和中间环节。其中电源的作用是为电路提供能量,如发电机利用机械能或核能转化为电能,蓄电池利用化学能转化为电能,光电池利用光能转化为电能等;负载则将电能转化为其他形式的能量加以利用,如电动机将电能转化为机械能,电炉将电能转化为热能等;中间环节用作电源和负载的联接体,包括导线、开关、控制线路中的保护设备等。在电力系统、电子通讯、自动控制、计算机以及其他各类系统中,电路有着不同的功能和作用。电路的作用可以概括为以下两个方面:一是实现电能的传输和转换,将电能转化为光能和热能等,二是实现信号的传递和处理。
理想电路元件和电路模型
实际电路由各种作用不同的电路元件或器件所组成。实际电路元件种类繁多,且电磁性质较为复杂。为便于对实际电路进行分析和数学描述,
需将实际电路元件用能够代表其主要电磁特性的理想电路元件(ideal element)或它们的组合来表示。理想电路元件(ideal element)是指只反映某一个物理过程的电路元件,包括电阻、电感、电容、电源等。图1-1是电工技术中经常用到的三种理想电路元件的电路符号。
电阻元件R 电感元件 L 电容元件 C 图1-1 三种理想电路元件的电路符号
由理想元件所组成的电路称为实际电路的电路模型(circuit model),如图1-2 中的白炽灯照明电路。图1-3 ?
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图1-3 照明电路的电路模型?
电路的基本物理量
在分析各种电路之前,我们先来介绍电路中的基本物理量包括电流、电压和功率及其相关的概念。
电流及其参考方向
电荷的定向移动形成电流。在电场的作用下,正电荷与负电荷向不同的方向移动****惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向(事实上,金属导体内的电流是由带负电的电子的定向移动产生的)。电流的大小为单位时间内通过导体横截面的电量,用公式表示即
i?dq dt
量纲:安培(A) 1kA=10-3A ;1mA=10-3A;1μA=10-6A。前面提到的电池提供的就是直流电流,通常直流电流用大写字母I表示,而随时间
变化的电流用小写字母i 表示。
电流的参考方向(reference direction):是一种任意的选定的方向,当i>0时参考方向与实际方向一致,当i<0时参考方向与实际方向相反。
图1-4a 中参考方向下,通过元件A的电流为3A ,说明实际电流的大小为3A ,方向(如B
虚箭头所示)与参考方向相同。图1-4b 中参考方向下,通过元件B 的电流为2A ?,说明实际电流的大小为2A ,方向与参考方向相反。
图1-4参考方向下的电流
电压及其参考方向
电压也称电位差(或电势差),定义为电场力将单位正电荷由点a 移动到点b 所做的功。电路中a、b 两点间的电压用u ab 表示,即
dw dqB uAB?
量纲:伏特(V)1kV=10-3V ;1mV=10-3V;1μV=10-6V。电路中,电压的实际方向定义为电位降低或称电压降的方向,可用极性“+”和“-”表示,其中“+”表示高电位,“-”表示低电位;也可用双下标表示,如Uab 表示电压的方向由a 到b。电源电动势的实际方向,规定为从电源内部的“-”极指向“+”极,即电位升高的方向。
电压的参考方向(reference direction):是一种任意的选定的方向,当u>0时参考方向与实际方向一致,当u<0时参考方向与实际方向相反。
图1-5a 中参考方向下,元件A 两端的电压为5V,表示元件A 两端实际电压的大小为
5V,方向由a到b,与参考方向相同。图1-5b 中参考方向下,元件B两端的电压为-6V,表示元件B两端实际电压的大小为6V,方向由d 到c,与参考方向相反。
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图1-5 参考方向下的电压
如果不特别指出,书中电路图上所标明的电流和电压方向都为参考方向。当电流、电压的参考方向一致时,称为关联方向,见图1-5a;否则为非关联方向,见图1-5b。
电阻、电感和电容
本节讨论三种基本电路元件的伏安特性。
电阻元件
若一个二端元件的电压与电流之间的