電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化翻譯

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1、電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化翻譯第一章電路基本原理第一節(jié)電流與電壓u（t）和i（t）這兩個變量是電路中最基本的概念，描述了電路中各種不同的關(guān)系。電荷與電流電荷與電流的概念是解釋一切電氣現(xiàn)象的基礎(chǔ)原則。而電荷也是電路的最基本的量。電荷是構(gòu)成物質(zhì)的原子的電氣屬性，單位是庫侖（C）。通過基礎(chǔ)物理學(xué)，我們了解到一切物質(zhì)都是由被稱為原子的基本粒子構(gòu)造而成的，每個原子中都包含電子、質(zhì)子和中子。我們還知道電子上的電荷帶負(fù)電，每個電子上的電量是1.60210×10-19庫侖。質(zhì)子帶與電子相等的正電荷。原子上質(zhì)子與電子的數(shù)目相等，使其呈中性。我們

2、來考慮電荷的運(yùn)動。電或電荷的獨(dú)特之處就是它們可以移動，也就是說電荷可以從一個地方移動到另一個地方，從而轉(zhuǎn)換成另外一種形式的能量。當(dāng)把一根導(dǎo)線接在電池（一種電源）的兩端時(shí)，電荷受迫而運(yùn)動；正電荷與負(fù)電荷分別向相反的兩個方向移動。這種電荷的移動產(chǎn)生了電流。習(xí)慣上，我們把正電荷移動的方向或負(fù)電荷移動的反方向稱為電流的方向，如圖1-1所示。這種說法是由美國科學(xué)家、發(fā)明家本杰明?富蘭克林提出的。即使我們知道金屬導(dǎo)體中的電流是由于帶負(fù)電荷的電子（運(yùn)動）而產(chǎn)生的，（我們）也使用默認(rèn)的習(xí)慣，將正電荷運(yùn)動的方向定義為電流的方向。因此，電流是單位時(shí)間內(nèi)電荷

3、的變化率，單位是安培（ampere，A）。在數(shù)學(xué)上，電流i、電荷q和時(shí)間t的關(guān)系為i=（1-1）將等式的兩邊同時(shí)進(jìn)行積分，則可得到電荷在時(shí)間t和t0之間的變化。有q==idt（1-2）在等式（1-1）中我們給電流i的定義表現(xiàn)了電流不是一個定值量，電荷隨時(shí)間的變化不同，電流也與之呈不同的函數(shù)關(guān)系。電壓、電能與電功率使電子在導(dǎo)體中定向運(yùn)動需要做功或能量轉(zhuǎn)換。功由外電動勢提供，最典型的就是圖1-1中的電池。外電動勢也可理解為電壓或電位差。電路中，a、b兩點(diǎn)之間的電壓Uab等于從a到b移動單位電荷所需能量（所做的功），有Uab=（1-3）w代表

4、電能，單位是焦耳（J）；q代表電量。單位是庫侖（C）。電壓Uab的單位是伏特（V），為紀(jì)念發(fā)明伏達(dá)電堆的意大利物理學(xué)家亞歷山德羅?安東尼奧?伏特而命名。因此電壓（電位差）是移動單位電荷所需要的能量，單位是伏特（V）。圖1-2顯示了電氣元件（用一個矩形框代替）a、b兩點(diǎn)間的電壓。符號+和-用來定義參考方向或電壓極性。Uab可以用兩種方法詮釋：①a點(diǎn)的電位比b點(diǎn)高出Uab；②相對b點(diǎn)而言，a點(diǎn)的電位是Uab。通常，有以Uab=-Uba（1-4）雖然電流和電壓是電路中最基本的兩個量，僅僅用它們兩個是不夠的。在實(shí)際應(yīng)用中，我們還要知道功率和電能

5、。為了將電能和電功率與電流和電壓聯(lián)系起來，我們回憶一下物理中講過的功率是單位時(shí)間內(nèi)吸收或消耗的能量，單位是瓦特（W）。我們用它表達(dá)電功率、電能之間的關(guān)系p=（1-5）其中p是電功率，單位是瓦特（W），w是電能，單位是焦耳（J），t是時(shí)間，單位是秒（s）。根據(jù)等式（1-1）、（1-3）、（1-5），我們得出p=ui（1-6）由于u和i視乎時(shí)間而定，等式（1-6）中的功率p是（一個）時(shí)間變量，稱為瞬時(shí)功率。電氣元件產(chǎn)生或消耗的功率是元件兩端電壓和通過元件電流的乘積。如果功率帶有“+”號，意味著功率被輸出或者說該元件消耗功率。相反，如果功率帶

6、“-”號，意味著該元件釋放功率。但怎樣才能知道功率帶“+”號還是帶“-”號呢？在決定功率符號時(shí)電流方向和電壓極性起主要作用。因此注意圖1-3（a）中電壓和電流的關(guān)系非常重要。若想要功率帶“+”號，電壓方向與電流極性必須順從圖1-3（a）中所示情況。這就被稱為關(guān)聯(lián)參考方向。在關(guān)聯(lián)參考方向下，電流從電壓的正極端流入。這種p=ui或ui﹥0的情況意味著元件消耗電能。如果p=-ui或ui﹤0，向圖1-3（b）那樣，（則表明）元件在釋放或產(chǎn)生電能。實(shí)際上，任何電路都必須遵守能量守恒定律。所以，電路中功率的代數(shù)和在任意時(shí)刻一定是零，即Σp=0（1-

7、7）這再次證明了一個事實(shí)：電路中電能的總產(chǎn)生等于總消耗。由等式（1-7）可得從t0到t時(shí)刻，電氣元件產(chǎn)生或消耗的總電能為w=pdt（1-8）第二節(jié)電路元件電路其實(shí)就是簡單地把各種元件連接到一起。在電路中有兩種元件：無源元件和有源元件。有源元件能夠產(chǎn)生電能，而無源元件則不能。電阻、電容和電感是無源元件中的代表，而電壓源和電流源是有源元件中最重要的，通常為與之連接的電路提供電能。獨(dú)立電源理想的獨(dú)立電源屬于有源元件，能提供固定的電壓或電流，完全不受電路中其他因素的影響。獨(dú)立電壓源是一種兩端保持固定電壓的二段元件，比如電池或發(fā)電機(jī)。該電壓完全不

8、受元件中電流的影響。在圖1-4（a）所示電壓源的符號中，兩端之間有u伏特的電壓。圖中的極性表示a端電位比b端高出u伏。這樣，在圖1-4（a）中，電壓u可能是時(shí)變的，也可能是固定的。當(dāng)電壓固定的時(shí)候，我們可將