电气工程及其自动化专业英语第一章第一节

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1、 u(t)和 i(t)这 两 个 变 量 是 电 路 中 最 基 本 的 两 个 变 量 ，它 们 刻 划 了 电 路 的 各 种 关 系 。电 荷 和 电 流 电 荷 的 概 念 是 用 来 解 释 所 有 电 气 现 象 的 基 本 概 念 。也 即 ， 电 路 中 最 基 本 的 量 是 电 荷 。 电 荷 是 构 成 物 质 的原 子 微 粒 的 电 气 属 性 ， 它 是 以 库 仑 为 单 位 来 度 量 的 。 我 们 从 基 础 物 理 得 知 一 切 物 质 是 由 被 称 为 原 子 的基 本 构 造 部 分 组 成 的 ， 并 且 每 个 原 子 是 由 电 子 ， 质

2、子和 中 子 组 成 的 。 我 们 还 知 道 电 子 的 电 量 是 负 的 并 且 在数 值 上 等 于 1.602100 10-12C， 而 质 子 所 带 的 正 电 量在 数 值 上 与 电 子 相 等 。 质 子 和 电 子 数 量 相 同 使 得 原 子呈 现 电 中 性 。 让 我 们 来 考 虑 一 下 电 荷 的 流 动 。 电 荷 或 电 的 特 性是 其 运 动 的 特 性 ， 也 就 是 ， 它 可 以 从 一 个 地 方 被 移 送 到另 一 个 地 方 ， 在 此 它 可 以 被 转 换 成 另 外 一 种 形 式 的 能 量 。 当 我 们 把 一 根 导 线

3、 连 接 到 某 一 电 池 上 时 (一 种 电 动势 源 )， 电 荷 被 外 力 驱 使 移 动 ； 正 电 荷 朝 一 个 方 向 移 动而 负 电 荷 朝 相 反 的 方 向 移 动 。 这 种 电 荷 的 移 动 产 生 了 电流 。 我 们 可 以 很 方 便 地 把 电 流 看 作 是 正 电 荷 的 移 动 ， 也即 ， 与 负 电 荷 的 流 动 方 向 相 反 ， 如 图 1 1所 示 。 这 一惯 例 是 由 美 国 科 学 家 和 发 明 家 本 杰 明 富 兰 克 林 引 入 的 。虽 然 我 们 现 在 知 道 金 属 导 体 中 的 电 流 是 由 负 电 荷

4、引 起 的 ，但 我 们 将 遵 循 通 用 的 惯 例 ， 即 把 电 流 看 作 是 正 电 荷 的 单纯 的 流 动 。 于 是 电 流 就 是 电 荷 的 时 率 ， 它 是 以 安 培 为 单位 来 度 量 的 。 从 数 学 上 来 说 ， 电 流 i、 电 荷 q以 及 时 间 t之间 的 关 系 是 ： dqi dt 从 时 间 t0到 时 间 t所 移 送 的 电 荷 可 由 方 程 （ 1 1） 两边 积 分 求 得 。 我 们 算 得 ： 0ttq idt 我 们 通 过 方 程 （ 1 1） 定 义 电 流 的 方 式 表 明 电流 不 必 是 一 个 恒 值 函 数

5、， 电 荷 可 以 不 同 的 方 式 随 时间 而 变 化 ， 这 些 不 同 的 方 式 可 用 各 种 数 学 函 数 表 达出 来 。 电 压 ， 能 量 和 功 率 在 导 体 中 朝 一 个 特 定 的 方 向 移 动 电 荷 需 要 一 些 功或 者 能 量 的 传 递 ， 这 个 功 是 由 外 部 的 电 动 势 来 完 成 的 。图 1 1所 示 的 电 池 就 是 一 个 典 型 的 例 子 。 这 种 电 动 势也 被 称 为 电 压 或 电 位 差 。 电 路 中 a、 b两 点 间 的 电 压 等于 从 a到 b移 动 单 位 电 荷 所 需 的 能 量 （ 或 所

6、 需 做 的 功 ） 。数 学 表 达 式 为 ： ab dwu dq 式 中 w是 单 位 为 焦 耳 的 能 量 而 q是 单 位 为 库 仑 的 电 荷 。电 压 Uab是 以 伏 特 为 单 位 来 度 量 的 ， 它 是 为 了 纪 念 意 大利 物 理 学 家 Alessandro Antonio Volta而 命 名 的 ， 这 位 意大 利 物 理 学 家 发 明 了 首 个 伏 达 电 池 。 于 是 电 压 （ 或 电 压差 ） 等 于 将 单 位 电 荷 在 元 件 中 移 动 所 需 的 能 量 ， 它 是 以伏 特 为 单 位 来 度 量 的 。 图 1 2显 示 了

7、 某 个 元 件 （ 用 一 个 矩 形 框 来 表 示 ）两 端 a、 b之 间 的 电 压 。 正 号 （ ） 和 负 号 （ ） 被 用来 指 明 参 考 方 向 或 电 压 的 极 性 ， Uab可 以 通 过 以 下 两 种方 法 来 解 释 。 1） 在 Uab伏 特 的 电 位 中 a点 电 位 高 于 b点 ，2） a点 电 位 相 对 于 b点 而 言 是 Uab， 通 常 在 逻 辑 上 遵 循 ab bau u - 虽 然 电 流 和 电 压 是 电 路 的 两 个 基 本 变 量 ， 但 仅 有它 们 两 个 是 不 够 的 。 从 实 际 应 用 来 说 ， 我 们

8、需 要 知 道 功率 和 能 量 。 为 了 把 功 率 和 能 量 同 电 压 、 电 流 联 系 起 来 ，我 们 重 温 物 理 学 中 关 于 功 率 是 消 耗 或 吸 收 的 能 量 的 时 率 ，它 是 以 瓦 特 为 单 位 来 度 量 的 。 我 们 把 这 个 关 系 式 写 成 ：dwp dt 式 中 p是 以 瓦 特 为 单 位 的 功 率 ， w是 以 焦 耳为 单 位 的 能 量 ， t是 以 秒 为 单 位 的 时 间 ， 从 方 程（ 1 1） 、 （ 1 3） 和 （ 1 5） 可 以 推 出 p ui 由 于 u和 i通 常 是 时 间 的 函 数 ， 方

9、程 （ 1 6） 中的 功 率 p是 个 时 间 变 量 于 是 被 称 为 瞬 时 功 率 ， 某 一 元件 吸 收 或 提 供 的 功 率 等 于 元 件 两 端 电 压 和 通 过 它 的 电流 的 乘 积 。 如 果 这 个 功 率 的 符 号 是 正 的 ， 那 么 功 率 向元 件 释 放 或 被 元 件 吸 收 。 另 一 方 面 ， 如 果 功 率 的 符 号是 负 的 ， 那 么 功 率 是 由 元 件 提 供 的 。 但 我 们 如 何 得 知何 时 功 率 为 正 或 为 负 ？ 在 我 们 确 定 功 率 符 号 时 ， 电 流 的 方 向 和 电 压 的 极 性起 着

10、 主 要 的 作 用 ， 这 就 是 我 们 在 分 析 图 1 3（ a） 所 显示 的 电 流 i和 电 压 u的 关 系 时 特 别 谨 慎 的 重 要 原 因 。 为 了使 功 率 的 符 号 为 正 ， 电 压 的 极 性 和 电 流 的 方 向 必 须 与 图 1 3（ a） 所 示 的 一 致 。 这 种 情 况 被 称 为 无 源 符 号 惯 例 ， 对 于 无 源 符 号 惯例 来 说 ， 电 流 流 进 电 压 的 正 极 。 在 这 种 情 况 下 ， p ui或 ui0， 表 明 元 件 是 在 吸 收 功 率 。 而 如 果 p ui或ui0， 如 图 1 3（ b）

11、 所 示 时 ， 表 明 元 件 是 在 释 放 或提 供 功 率 。 事 实 上 ， 在 任 何 电 路 中 必 须 遵 循 能 量 守 恒 定 律 。由 于 这 个 原 因 ， 任 一 电 路 中 在 任 何 瞬 间 功 率 的 代 数 和必 须 等 于 零 0p 这 再 一 次 证 明 了 提 供 给 电 路 的 功 率 必 须 与 吸 收的 功 率 相 平 衡 这 一 事 实 。 从 方 程 （ 1 7） 可 知 ， 从时 间 t0到 时 间 t被 元 件 吸 收 或 由 元 件 提 供 的 功 率 等 于 0ttw pdt Exercises（ 11） 在 下 面 进 行 的 工 作

12、 中 我 们 要 研 究 的 简 单 电 路 元 件可 以 根 据 流 过 元 件 的 电 流 与 元 件 两 端 的 电 压 的 关 系 进 行分 类 。 例 如 ， 如 果 元 件 两 端 的 电 压 正 比 于 流 过 元 件 的 电流 ， 即 u ki， 我 们 就 把 元 件 称 为 电 阻 器 。 其 他 的 类 型 的简 单 电 路 元 件 的 端 电 压 正 比 于 电 流 对 时 间 的 导 数 或 正 比于 电 流 关 于 时 间 的 积 分 。 还 有 一 些 元 件 的 电 压 完 全 独 立于 电 流 或 电 流 完 全 独 立 于 电 压 ， 这 些 是 独 立 源 。 此 外 ，我 们 还 要 定 义 一 些 特 殊 类 型 的 电 源 ， 这 些 电 源 的 电 压 或电 流 取 决 于 电 路 中 其 他 的 电 流 或 电 压 ， 这 样 的 电 源 将 被称 为 非 独 立 源 或 受 控 源 。