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()电工根底教案
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第一章 电路的根本概念和根本定律
1-1电路和电路模型
学****目标:掌握电路的作用和构成及电路模型的概念。
1-1手电筒电路
一、电路:电流通过的路径称为电路。
实际电路通常由各种电路实体部件〔如电源、电阻器、电感线圈、电容器、变压器、仪表、二极管、三极管等〕组成。每一种电路实体部件具有各自不同
的电磁特性和功能,按照人们的需要,把相关电路实体部件按一定方式进行组合,就构成了一个个电路。电路的根本组成局部都由电源、负载、连接导线和辅助设备组成。
:把其他形式的能转换成电能的装置及向电路提供能量的设备, 如干电
池、蓄电池、发电机等。
负载:把电能转换成为其它能的装置也就是用电器即各种用电设备,如电灯、电动机、电热器等。
导线:把电源和负载连接成闭合回路,常用的是铜导线和铝导线。
辅助设备:用来控制电路的通断、保护电路的平安,使电路能够正常工作,如开关,熔断器、继电器等。
二、电路的作用
实现电能的传输和转换。
实现信号的处理。
三、实际电路元件和理想电路元件
实际电路元件
构成电路的设备和器件,称为实际电路元件,其中提供电能的设备称为电源,如各种电池、发电机、信号发生器等;吸收电能的设备称为负载,如各种电阻器、电感线圈、电容器、晶体管等。
人们设计制作某种器件是要利用它的主要物理性质,如制造一个电阻器是要利用它的电阻,即对电流呈现阻力的性质。但事实上,不可能制造出理想的器件。一个实际的电阻器有电流流过时,还会产生磁场,因而还兼有电感的性质,因此,必须在一定条件下对实际器件进行理想化,忽略它的次要性质,用一个足以表征其主要性质的模型来表示。
如图1-1中灯泡的电感是极其微小的,可把它看作一个理想电阻元件;一个新的干电池,其内阻与灯泡电阻相比可以忽略不计,把它看成一个电压恒定的理想电压源;连接导线短的情况下,它的电阻完全可以忽略不计,可作为理想导体。于是,理想电阻元件就构成了灯泡模型,理想电压源就构成了干电池的模型,而理想导体就构成了连接导线的模型。
只显示单一电磁现象的电路元件,称为理想电路元件。包括:
①理想电源元件,包括独立电压源与电流源。
②理想负载元件,包括电阻器、电容器以及电感器。
③理想耦合元件,包括耦合电感器、理想变压器等。
四、电路模型
用理想电路元件构成的模型模拟实际电路,使得模型中出现的电磁现象与实际电路中反映出来的现象十分近似的过程称为建模,组成的电路称为电路模型,
又因为理想电路元件都有精确的数学定义, 所以,电路模型也可叫做数学模型。
+
R
L
C
US
IS
-
(a)电阻元件
(b)电感元件
(c)电容元件
(d)理想电压源
(e)理想电流源
图
无源和有源的理想电路元件的电路模型
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例如,图 1-1所示手电筒电路及它的电路模型。
S
开关
R0
电
R
+
池
小灯泡
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导线
US
-
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〔a〕手电筒电路 〔b〕电路模型
图手电筒电路及其电路模型
小结:
:电流通过的路径称为电路。
:电源、负载、连接导线和辅助设备
:用统一规定的设备和元件的图形符号画出的电路模型称为电路。
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§1-2电路的根本物理量
学****目标:熟悉电流、电压、电功率等电路物理量的概念,掌握其国际单位制,深刻领会参考方向的问题。
一、问题的提出:
前面我们讲了电路的结构和作用,当电路工作时如何对电路进行分析,采用什么物理量来表示,本节将讲解电路的根本物理量。二、电流及其参考方向:
:单位时间内通过导体横截面的电量。
在稳恒直流电路中,电流的大小和方向不随时间变化;
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I
Q
t
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在交流电路中,电流的大小和电荷移动的方向按正弦规律变化。
I=△q/△t
:安培 (A) ,1A=103mA=106μA,1kA =103A
电流方向:规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。
电流的参考方向:人为任意假设的电流的实际方向。在连接导线上用箭头表示,或用双下标表示。当电流的实际方向与参考方向相符时,此电流为正值;相反时,为负值。
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i
参考方向
i
参考方向
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实际方向
实际方向
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(a)
(b)
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a b a b
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iab
iba
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(c)
(d)
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三、电压及其参考方向
定义:电场力把单位正电荷从电场中a点移到b点所做的功,称其为a点到b点间的电压。用Uab表示。
Wab
Uab
Q
:伏特〔 V〕,1V=103mV=106μV,1kV=103V
电压方向:规定把电位降低的方向作为电压的实际方向。
电压的参考方向:人为任意假设的电压的实际方向。
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四、关联参考方向:元件上电流和电压的参考方向取为一致。假设不一致那么称为非关联参考方向
五、电动势
:在电源内部,由于其他形式能量的作用产生一种对电荷的作用力。
:电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功,用 E表示。
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电动势与电压有相同的单位。
E
W
Q
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电动势的方向:由电源的负极指向正极。
电动势与电压的关系:
按照定义,电动势E及其端纽间的电压 U的参考方向选择的相同,那么 E=-U;如
选择的相反,那么E=U.
六、电功和电功率
电功
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电流能使电动机转动,电炉发热,电灯发光,说明电流具有做功的本领。
电流做的功称为电功。
W=UQ
电功单位:焦耳 (J) ,常用单位为度,1度=1千瓦×1小时
单位时间内电流做的功称为电功率。电功率用 P表示,即
W UQ
P UI
t t
关联参考方向: P=UI
非关联参考方向:P=-UI
功率单位:瓦特 (W)
功率方向:
P〉0 元件吸收功率,处于负载状态,
P〈0 元件发出功率,处于电源状态,
:一段时间内电流所做的功。用 W表示
W=Pt=UIt
单位:焦耳〔J〕或 度
6
小结:
:带电离子的定向运动。
方向:正电荷运动的方向
单位:安培(A)
电压:电场力把单位正电荷从电场中a点移到b点所做的功方向:电位降低的方向
单位:伏特〔V〕
关联参考方向:元件上电流和电压的参考方向取为一致
电动势:电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功
电功率:
关联参考方向: P=UI
非关联参考方向:P=-UI
P〉0 元件吸收功率,P〈0 元件发出功率
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§1-3电路元件
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学****目标:
掌握电阻元件特性,熟悉理想电压源和理想电流源的外特性;熟悉和掌握实际电源的两种电路模型——电压源模型和电流源模型的概念,能够区别两种理想电源和和实际电源模型之间的不同之处。
:
〔1〕定义:阻碍导体中自由电子运动的物理量,表征消耗电能转换成其它形
式能量的物理特征。
U=RI
〔2〕电阻单位:欧姆〔 Ω〕,1MΩ=103KW=106Ω。
〔3〕电阻的分类:根据其特性曲线分为线形电阻和非线形电阻。
①线性电阻的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线。 R=常数;
②非线性电阻的伏安特性曲线是一条曲线。如以下图
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21/19721
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U U
0
I
I
0
〔4〕电导:表示元件的导电能力,是电阻的倒数,用
G表示,单位为西门
子〔S〕。
G=1/R
把其它形式的能转换成电能的装置称为有源元件,可以采用两种模型表
示,即电压源模型和电流源模型。
〔一〕理想电压源〔电压源〕
实际电路设备中所用的电源,多数是需要输出较为稳定的电压,即设备对电源电压的要求是:当负载电流改变时,电源所输出的电压值尽量保持或接近不变。但实际电源总是存在内阻的,因此当负载增大时,电源的端电压总会有所下降。为了使设备能够稳定运行,工程应用中,我们希望电源的内阻越小越好,当电源内阻等于零时,就成为理想电压源。
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22/19722
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1〕电压源的端电压US是恒定值,与流过它的电流无关,
2〕通过电压源的电流是任意的,取决于其相连接的外电路有关。
3〕理想电压源视为零值时,它相当于短路
特性曲线
〔二〕理想电流源〔电流源〕
实际电路设备中所用的电源,并不是在所有情况下都要求电源的内阻越小越好。在某些特殊场合下,有时要求电源具有很大的内阻,因为高内阻的电源能够有一个比较稳定的电流输出。
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24/19724
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