电气工程及其自动化电气工程及其自动化翻译

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1、电气工程及其自动化电气工程及其自动化翻译第一章电路基本原理第一节电流与电压u（t）和i（t）这两个变量是电路中最基本的概念，描述了电路中各种不同的关系。电荷与电流电荷与电流的概念是解释一切电气现象的基础原则。而电荷也是电路的最基本的量。电荷是构成物质的原子的电气属性，单位是库仑（C）。通过基础物理学，我们了解到一切物质都是由被称为原子的基本粒子构造而成的，每个原子中都包含电子、质子和中子。我们还知道电子上的电荷带负电，每个电子上的电量是1.60210×10-19库仑。质子带与电子相等的正电荷。原子上质子与电子的数目相等，使其呈中性。我们

2、来考虑电荷的运动。电或电荷的独特之处就是它们可以移动，也就是说电荷可以从一个地方移动到另一个地方，从而转换成另外一种形式的能量。当把一根导线接在电池（一种电源）的两端时，电荷受迫而运动；正电荷与负电荷分别向相反的两个方向移动。这种电荷的移动产生了电流。习惯上，我们把正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向称为电流的方向，如图1-1所示。这种说法是由美国科学家、发明家本杰明?富兰克林提出的。即使我们知道金属导体中的电流是由于带负电荷的电子（运动）而产生的，（我们）也使用默认的习惯，将正电荷运动的方向定义为电流的方向。因此，电流是单位时间内电荷

3、的变化率，单位是安培（ampere，A）。在数学上，电流i、电荷q和时间t的关系为i=（1-1）将等式的两边同时进行积分，则可得到电荷在时间t和t0之间的变化。有q==idt（1-2）在等式（1-1）中我们给电流i的定义表现了电流不是一个定值量，电荷随时间的变化不同，电流也与之呈不同的函数关系。电压、电能与电功率使电子在导体中定向运动需要做功或能量转换。功由外电动势提供，最典型的就是图1-1中的电池。外电动势也可理解为电压或电位差。电路中，a、b两点之间的电压Uab等于从a到b移动单位电荷所需能量（所做的功），有Uab=（1-3）w代表

4、电能，单位是焦耳（J）；q代表电量。单位是库仑（C）。电压Uab的单位是伏特（V），为纪念发明伏达电堆的意大利物理学家亚历山德罗?安东尼奥?伏特而命名。因此电压（电位差）是移动单位电荷所需要的能量，单位是伏特（V）。图1-2显示了电气元件（用一个矩形框代替）a、b两点间的电压。符号+和-用来定义参考方向或电压极性。Uab可以用两种方法诠释：①a点的电位比b点高出Uab；②相对b点而言，a点的电位是Uab。通常，有以Uab=-Uba（1-4）虽然电流和电压是电路中最基本的两个量，仅仅用它们两个是不够的。在实际应用中，我们还要知道功率和电能

5、。为了将电能和电功率与电流和电压联系起来，我们回忆一下物理中讲过的功率是单位时间内吸收或消耗的能量，单位是瓦特（W）。我们用它表达电功率、电能之间的关系p=（1-5）其中p是电功率，单位是瓦特（W），w是电能，单位是焦耳（J），t是时间，单位是秒（s）。根据等式（1-1）、（1-3）、（1-5），我们得出p=ui（1-6）由于u和i视乎时间而定，等式（1-6）中的功率p是（一个）时间变量，称为瞬时功率。电气元件产生或消耗的功率是元件两端电压和通过元件电流的乘积。如果功率带有“+”号，意味着功率被输出或者说该元件消耗功率。相反，如果功率带

6、“-”号，意味着该元件释放功率。但怎样才能知道功率带“+”号还是带“-”号呢？在决定功率符号时电流方向和电压极性起主要作用。因此注意图1-3（a）中电压和电流的关系非常重要。若想要功率带“+”号，电压方向与电流极性必须顺从图1-3（a）中所示情况。这就被称为关联参考方向。在关联参考方向下，电流从电压的正极端流入。这种p=ui或ui﹥0的情况意味着元件消耗电能。如果p=-ui或ui﹤0，向图1-3（b）那样，（则表明）元件在释放或产生电能。实际上，任何电路都必须遵守能量守恒定律。所以，电路中功率的代数和在任意时刻一定是零，即Σp=0（1-

7、7）这再次证明了一个事实：电路中电能的总产生等于总消耗。由等式（1-7）可得从t0到t时刻，电气元件产生或消耗的总电能为w=pdt（1-8）第二节电路元件电路其实就是简单地把各种元件连接到一起。在电路中有两种元件：无源元件和有源元件。有源元件能够产生电能，而无源元件则不能。电阻、电容和电感是无源元件中的代表，而电压源和电流源是有源元件中最重要的，通常为与之连接的电路提供电能。独立电源理想的独立电源属于有源元件，能提供固定的电压或电流，完全不受电路中其他因素的影响。独立电压源是一种两端保持固定电压的二段元件，比如电池或发电机。该电压完全不

8、受元件中电流的影响。在图1-4（a）所示电压源的符号中，两端之间有u伏特的电压。图中的极性表示a端电位比b端高出u伏。这样，在图1-4（a）中，电压u可能是时变的，也可能是固定的。当电压固定的时候，我们可将