1.1 电路分析基础知识_电工电子技术（第4版）-QQ阅读男生武侠网

上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

1.1 电路分析基础知识

学习目标

了解导体、绝缘体和半导体的概念及物质结构的区别;熟悉电路的基本组成及各部分的作用;从工程应用的角度重新理解电压、电流、电功率等概念;理解电压、电流参考方向在电路分析中的作用;掌握测量电压、电流的技能及两种电表扩大量程的方法。

1.导体、绝缘体和半导体

自然界的一切物质都是由分子或原子组成的。原子又由一个带正电的原子核和在它周围高速旋转着的带有负电的电子组成。不同的原子,其原子核内部结构和它周围的电子数量也各不相同。物质原子最外层电子数量的多少,往往决定着该种物质的导电性能。按照物质导电性能的不同,自然界的物质大体可分为3大类。

①导体:最外层电子数通常是1~3个,且距原子核较远,受原子核的束缚较小。由于外界影响,最外层电子获得一定能量后,极易挣脱原子核的束缚而游离到空间成为自由电子。因此,导体在常温下存在大量的自由电子,具有良好的导电能力。常用的导电材料有银、铜、铝、金等。

②绝缘体:最外层电子数往往是6~8个,且距原子核较近,受原子核的束缚较强,其外层电子不易挣脱原子核的束缚,因而绝缘体在常温下具有极少的自由电子,导电能力很差或几乎不导电。常用的绝缘材料有橡胶、云母、陶瓷等。

③半导体:最外层电子数一般为4个,在常温下存在的自由电子数介于导体和绝缘体之间,因而在常温下半导体的导电能力也介于导体和绝缘体之间。虽然半导体的导电性能并没有导体的导电性能好,但在外界条件发生变化时,其导电能力将随之变化很大;当掺入某些杂质后,半导体的导电能力还会成千上万倍增大。半导体本身的这些特殊性使半导体材料的应用越来越广泛。常用的半导体材料有硅、锗、硒等。

由上述各类物质的导电性能可知,导体可使电流顺利通过,因此传输电流的导线芯都采用导电性能良好的铜、铝制成。绝缘体阻碍电流通过,所以导线外面通常包一层橡胶或塑料等绝缘材料,作为导线的保护,使用时比较安全。实际上导体和绝缘体之间并没有绝对的界限,而且条件变了还可以转化。例如,导体氧化后其导电性能变差,甚至不导电;而绝缘体所受温度升高或湿度增大时,绝缘性能也会变差;实用中常说的电气设备漏电现象,实质上就是绝缘性能下降所造成的。当绝缘体受潮或受到高温、高压时,还有可能完全失去绝缘能力,这种现象称为绝缘击穿。

2.电路的组成与功能

电流所经过的路径称为电路。把一些电气设备或元器件用导线连成的网络统称为电路,电流通过这些网络时,能够按照人们的实际需求,实现期望达到的功能。

(1)电路的组成

电路通常由电源、负载和中间环节3部分组成。

电源:向电路提供电能的设备,如发电机、信号源、电池等。

负载:在电路中接收电能的设备,如电灯、电炉、空调、电动机等,负载是各类用电器的统称。

中间环节:把电源和负载连成通路的导线,控制电路通断的开关,监测和保护电路的控制设备及仪器仪表设施,统称为中间环节。

(2)电路的功能

实际电路的种类繁多,形式和结构也各不相同,但根据其完成功能的不同,通常可分为两种应用电路:一是电力系统的应用电路,一般由发电机、变压器、开关、电动机等元器件用导线连接而成,主要功能是对发电厂发出的电能进行传输、分配和转换等;二是电子技术的应用电路,常由电阻、电容、二极管、晶体管、集成芯片等元器件用导线连接而成,主要功能是实现对各种电信号的传输、存储和处理等。

电力系统的应用电路是用来传送电能的强电电路,特征是电源波形较单一且低频率、大容量;电子技术的应用电路是产生、处理或传送信号的弱电电路,其特征是信号波形复杂且高频率、小容量。

3.电路模型和电路元件

实际电路在结构、外形和材料等方面都具有各自的特点,是看得见、摸得着的非常具体的各种电气部件的组合,这些实际电气部件的电磁特性通常是多元的、复杂的。为了便于对实际电路的复杂电磁特性进行分析和计算,电学中往往对实际电路采用 “模型化”处理:排除实际电路中与电路性态和功能影响不大的次要因素,抓住能体现实际电路性态和功能的主要电磁特性,用统一规定符号表示的理想电路元件及其组合来近似模拟实际电路中各元器件和设备器件端钮上的电磁特性,再根据这些器件的连接方式,用理想导线将模拟的理想电路元件进行并联或串联,从而得到该电路的电路模型。

电路模型中的理想电路元件简称,其电磁特性单一、精确。例如,电阻元件只具有耗能的电特性,电感元件只具有储存磁场能量的电特性,电容元件只具有储存电场能量的电特性。以电路元件代替实际的电路器件,可以突出主要矛盾,使电路的分析与设计简单化。

一个实体电路元器件仅用一个电路元件进行模拟常难以确切表述其真实电特性,这时就需要用几个电路元件串联、并联后的电路模型来模拟这一实体电路元器件的真实电特性。例如,工频交流电路中的电感线圈,可用电阻元件和电感元件的串联组合作为其电路模型,其中电阻元件反映了线圈通电发热的电特性,电感元件反映了线圈在交变电路中储存磁场的电特性。电路模型的构成和复杂程度一般视实际应用电路分析精度的要求而定。

电路分析中常见的电路元件有电阻元件R、电感元件L、电容元件C、电压源US、电流源IS等,当它们的参数均为常数时,称为线性元件,这些线性元件都有两个外接引出端子,统称为二端元件。理想二端元件分无源二端元件和有源二端元件两大类,其电路图符号及文字符号如图1-1所示。

图1-1 理想电路元件

图1-1(a)所示为电阻元件。电阻元件是实际电路中耗能特性的抽象和反映。所谓耗能,指的是元件吸收电能转换为其他形式能量的过程是不可逆的。由于电阻元件只向电路吸收和消耗能量,不可能给出能量,因此电阻元件属于无源二端元件。

图1-1(b)所示为电感元件。电感元件是实际电路中建立磁场、储存磁能电特性的抽象和反映。电感元件在电路中只进行能量交换而不耗能,也属于无源二端元件。

图1-1(c)所示是电容元件。电容元件是实际电路中建立电场、储存电能电特性的抽象和反映。电容元件在电路中只进行能量交换而不耗能,同样属于无源二端元件。

图1-1(d)所示为理想电压源,简称电压源。电压源是以电压方式对电路供电的实际电源的电路模型和抽象。电压源供出的电压值恒定,电压源对外供出的电流由它和与它相连的外电路共同决定,显然电压源属于有源二端元件。

图1-1(e)所示为理想电流源,简称电流源。电流源是以电流方式对电路供电的实际电源的电路模型和抽象。电流源对外电路供出的电流值恒定,电流源两端的电压由它和与它相连的外电路共同决定,与电压源相同,电流源也是有源二端元件。

图1-2(a)所示为常用的手电筒电路,实际元件有干电池、小灯泡、开关和导线。图1-2(b)所示为手电筒的电路模型:电阻R是小灯泡的电路抽象,理想电压源US和与其相串联的电阻RS是干电池的电路抽象。此外,导线和开关S是中间环节。

图1-2 手电筒电路及其电路模型

必须指出的是,电路在进行上述模型化处理时是有条件的。前提是:实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研究,并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行,这种电路称为集中参数元件的电路。

电路中电流和电压的出现,就其实质来说,均为电磁场传播的结果。电磁场传播的速度为3×108m/s,和光速相同。这样长的波长与任何实际的电路元器件尺寸相比,后者都是微不足道的。这种情况下电路上各点电场强度实际上处处相等,因此,流进电路元器件一端的电流必定等于从它另一端流出的电流,电路元器件两端的电压也可以准确测出,就元器件本身的功能而言,仿佛集中在电路的一点,表征其性质的参数也集中在这一点上,所以称为集中参数电路。只有集中参数元件的实际电路才可进行上述模型化处理。

在工程应用中,为了保证集中参数电路有效地描述实际电路,获得有意义的分析效果,要求实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波长。集中参数电路实际上也是绝大多数教材的对象电路,本教材中所讨论的电路如无特殊说明,均为集中参数电路。

4.电路中的电压、电流及其参考方向

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,其中电源或信号源向电路输入的电压和电流起推动电路工作的作用,称为。激励在电路中各部分引起的电压和电流输出称为。对一个实际电路进行分析的过程,实质上就是分析激励和响应之间的关系。为此,我们必须对电路中的电压和电流有一个明确认识。

(1)电流

导体中存在大量的自由电子,当导体两端处在外电场作用下时,导体内的自由电子就会定向移动而形成电流。电流的大小通常用电流强度来描述,定义式为

式中,电量q的单位是库仑[C];时间t的单位是秒[s];电流i的单位是安培[A]。

电流的大小和方向均不随时间变化时为稳恒直流电,简称直流电。表达式可改写为

注意电学中各量的表示方法及正确书写:按照惯例,不随时间变动的恒定电量或参量用大写字母表示,如直流电压和电流分别用“U”和“I”表示;随时间变动的电量或参量通常用小写字母表示,如交变电压和电流分别用“u”和“i”表示。

电力系统中,某些电流可高达几千安培,电子技术中的电流往往仅为千分之几安培,因此电流的单位还有毫安(m A)、微安(PA)和纳安(n A)等,电流各单位之间的换算关系为

1A=10-3k A=103m A=106PA=109n A

习惯上把正电荷定向移动的方向规定为电流的实际方向。

(2)电压

电路中两点电位的差值称为电压,电压是产生电流的根本原因。这和水路中形成水流的原因类似:由于水路中存在水位差。电压的大小反映了电路中电场力做功的本领,定义式表述为

式中,电功w的单位是焦耳(J);电量q的单位是库仑(C);电压u的单位是伏特(V)。

在大小和方向都不随时间变化的直流电路中,电压用“U”表示。电学中规定电压的实际方向由电位高的“+”端指向电位低的“-”端,即电位降低的方向。

强电领域中的电压通常用伏和千伏表示,弱电领域中的电压通常用伏和毫伏表示,各单位之间的换算关系为

1V=10-3k V=103m V

(3)电流、电压的参考方向

在分析和计算较为复杂的电路时,往往难以事先判断某些支路电流或元件端电压的实际方向和真实极性,这就造成我们在对电路列写方程式时,无法判断这些电压、电流在方程式中的正、负号。为解决这一难题,电学中通常采用参考方向的方法:在待分析的电路模型图中预先假定出各支路电流或各元件两端电压的方向和极性,称为参考方向。支路电流的参考方向一般用带箭头的线段标示,元件端电压的参考方向一般用“+”“-”号标示(也可用带箭头的线段标示,箭头方向规定为从“+”到“-”的方向)。依据这些参考方向,可方便地确定出各支路电流及其元件端电压在方程式中的正、负号。

参考方向原则上可以任意假定。因此,参考方向不一定与各电流、电压的实际方向相符。但是,这并不影响我们求解电路的结果。依据电路图上标示的电压、电流参考方向,列写出相关电路方程式对电路进行分析、计算,如果计算结果为正值,表明选定的参考方向与其实际方向相同;若计算结果为负值,则表示电路图上假设的参考方向与其实际方向相反。这是计算电路的一条基本原则。

注意,只有在电压、电流参考方向选定之后,方程式中各量的正负取值才有意义。

例如,图1-3所示电路中,元件的电压、电流参考方向已经标出,若已知图1-3(a)中电流I=5A,U=-10V,电流在参考方向下是正值,说明电流的实际方向与图中参考方向相同;电压是负值,表明电压的实际方向与图中参考方向相反。

电路分析中,规定电流沿电位降低方向取向时为关联参考方向,即电流与电压取向一致时的参考方向为关联参考方向。这种约定比较自然、合理,如图1-3(a)所示的电压、电流取关联参考方向,说明我们把图中元件视为负载,应用欧姆定律或功率计算式时,显然方程式各量前面均取正号,这样可减少出错的机会。图1-3(b)中电压、电流的参考方向非关联,说明我们设立参考方向时把元件视为一个电源。

图1-3 电压、电流参考方向

5.电能、电功率和效率

(1)电能

电流所具有的能量称为电能。电能可以用电度表来测量,其国际单位是焦耳(J),常用的单位是度(kW·h),单位换算关系为

1k W·h(度)=3.6×106J(焦)

电能转换为其他形式能量的过程实际上就是电流做功的过程,因此电能的多少可以用电功来度量。电功的计量公式为

式中,电压U的单位取伏特(V);电流I的单位取安培(A);时间t的单位取秒(s)时,电能(电功)的单位为焦耳(J),实用中,电度表是用“度”来表示的,因此电压U的单位应取千伏(k V),电流I的单位取安培(A),时间t的单位取小时(h)。式(1-4)表明,在用电器两端加上电压,就会有电流通过用电器,通电时间越长,电能转换为其他形式的能量越多,电功也越大;若通电时间短,电能转换就少,电功也小。

(2)电功率

在电工技术中,电流在单位时间内消耗的电能 (或电流在单位时间里所做的功)称为电功率,用“P”表示,即