电工学基础从零开始.ppt

参考信息 教材： 秦曾煌主编 电工学 （第六版） 教师信息 王伦耀，副教授 信息楼 415 电话： 0574 87600059 696815(短号 ) Email: 作业上缴：每周一次。 课代表： 实验课的上课时间和地点另行通知。 第 1章 电路的基本概念与基本定律 1.1 电路的作用与组成部分 1.2 电路模型 1.3 电压和电流的参考方向 1.4 欧姆定律 1.5 电源有载工作、开路与短路 1.6 基尔霍夫定律 1.7 电路中电位的概念及计算 本章要求 : 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解电路的基本定律并能正确应用； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。 第 1章 电路的基本概念与基本定律 1.1 电路的作用与组成部分 (1) 实现电能的传输、分配与转换 (2)实现信号的传递与处理 放 大 器 扬声器 话筒 1. 电路的作用 电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备 或电路元件按一定方式组合而成。 发电机 升压 变压器 降压 变压器 电灯 电动机 电炉 . 输电线 电源 : 提供 电能的装置 负载 : 取用 电能的装置 中间环节： 传递、分 配和控制电能的作用 发电机 升压 变压器 降压 变压器 电灯 电动机 电炉 . 输电线 电源或信号源的电压或电流称为 激励 ，它推动电路 工作；由激励所产生的电压和电流称为 响应 。 直流电源 直流电源 : 提供能源 信号处理： 放大、调谐、检波等 负载 信号源 : 提供信息 放 大 器 扬声器 话筒 电路分析，就是在 已知电路的结构和元件参数的 条件下 ，讨论电路的激励与响应之间的关系。 电路分析与设计的区别 电路分析：已知电路结构，得到电路的功 能。应用电路仿制，没有知识产权。 电路设计：按照客户的要求，构建电路， 使之实现相应的功能。创新的工作，往往 有知识产权。 1. 2 电路模型 如何理解模型： 模型往往是用数学的方法将研究对象理想化，使之反映事物的主要 矛盾。 电路模型化：为了便于用数学方法分析电路 , 用足以反映其电磁性质 的 理想 电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实 际电路相对应的电路模型。（ 理论上的分析都是模型的分析！ ） （如何理解“理想”？套用哲学的术语：理想的过程就是保留主要 矛盾，舍去次要矛盾的过程！） 理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件。 例： 如一个白炽灯，一般将它 理想化 为纯电阻，当实际上它还有少量的 电感和电容存在，只是这些于电阻相比是次要矛盾，可以忽略。 另外在模拟电路中，同一个电路在不同的工作环境下（如高频或低频）它 的模型也不一样，主要也是矛盾发生了变化。 手电筒的电路模型 R + Ro E S + U I 电池 导线 灯泡 开关 电池 是电源元件，其 参数为电动势 E 和内阻 Ro； 灯泡 主要具有消耗电能 的性质，是电阻元件，其 参数为电阻 R； 筒体 用来连接电池和灯 泡，其电阻忽略不计，认 为是无电阻的理想导体。 开关 用来控制电路的 通断。 今后分析的都是指电路模 型，简称电路。 它由理想元 件组成 。在电路图中，各种 电路元件都用规定的图形符 号表示。 1.3 电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1. 电路基本物理量的 实际方向 物理量 实 际 方 向 电流 I 正电荷运动的方向 电动势 E (电位升高的方向 ) 电压 U (电位降低的方向 ) 高电位 低电位 单 位 kA 、 A、 mA、 A 低电位 高电位 kV 、 V、 mV、 V kV 、 V、 mV、 V (2) 参考方向的表示方法 电流： Uab 双下标 电压： (1) 参考方向 I E + _ 在分析与计算电路时，对 电量 任意假定 的方向。 Iab 双下标 2. 电路基本物理量的 参考方向 a R b 箭 标 a b R I 正负极性 + a b U U + _ 实际方向与参考方向 一致 ，电流 (或电压 )计算值为正值 ； 实际方向与参考方向 相反 ，电流 (或电压 )计算值为负值 。 (3) 实际方向与 参考方向的关系 注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。 若 I = 5A， 则电流从 a 流向 b； 例： 若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。 a b R I a b R U + 若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b； 若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。 参考 方向 1.4 欧姆定律（关联） R U + I R U + I 结论：对欧姆定律而言，在电压与电流处于关联 时，取正号，不关联时取负号。 U = I R U = IR 电压与电流关联：电压降方向和电流方向一致；反之 不关联。上述的方向是指参考方向。 关联 不关联 解： 对图 (a)， 关联 ，有 , U = IR 例： 应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻 R。 对图 (b)， 不关联 有 , U = IR 326 : IUR所以 326: IUR所以 R U 6V + 2A R + U 6V I (a) (b) I 2A 电路端电压与电流的关系称为伏安特性。 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段 电路电压与电流的比值为常数。 I/A U/V o 线性电阻的伏安特性 线性电阻的概念： 常数即： IUR 线性电阻的伏安特性是一 条过原点的直线。这个是电 阻模型。另外也提供了一种 测量电阻的方法。即伏安法。 图中电阻 R为负载， R0为电源内阻。根据 负载电阻 R的不同将电源 分为三种工作状态。 （ 1） 有载 ： 0R （ 2） 开路： R （往往用开关断开来实现） （ 3） 短路： R 0。 1.5 电源有载工作、开路与短路 I R0 R + E U + I K 1.5 电源有载工作、开路与短路 有载： 0R RR EI + 0 负载端电压： U = IR， 或 U = E IR0 特征 : 1.5.1 电源有载工作 I R0 R + E U + I 电流的大小由负载决定。 在电源有内阻时 ， I U 。 电源的外特性 E U I 0 当 R00时， 负载 ； 当 p0时， 电源 。 讨论课文 p18,1.5.4 1. 根据 U、 I 的 实际方向判别 2. 根据 U、 I 的 参考方向判别 电源： U、 I 实际方向相反，即电流从“ +” 端 流出 ， （发出功率） ； 负载： U、 I 实际方向相同，即电流从“ +” 端 流入 。 （吸收功率） 。 I R0 R + E U + + U (1)电源 U E1 U1 E1 R01I E1 U R01I 220 0.6 5=223V （ 2） 负载 U E2 U2 E2 R02I E2 U R02I 220 0.6 5 R01 217V 例： 如图， U 220V， I 5A，内阻 R01 R02 0.6 (1)求电源的电动势 E1和负载的反电动势 E2； (2)试说明功率的平衡 解： （ 2）由（ 1）中两式得 E1 E2 R01I R02 I 等号两边同乘以 I 得 E1I E2I R01I2 R02I2 223 5 217 5 0.6 52 0.6 52 1115W=1085W 15W 15W E2I 1085W R01I2 15W R02I2 15W 负载取用 功率 电源产生 的功率 负载内阻 损耗功率 电源内阻 损耗功率 电气设备的额定值 （一般下标为 N） 额定值 : 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三种运行状态 欠载 (轻载 )： I IN ， P IN ， P PN (设备易损坏 ) 额定工作状态： I = IN ， P = PN (经济合理安全可靠 ) 1. 额定值反映电气设备的使用安全性； 2. 额定值表示电气设备的使用能力。 例： 灯泡： UN = 220V ， PN = 60W 电阻： RN = 100 ， PN =1 W 特征 : 开关 断开， R 1.5.2 电源开路 I = 0 电源端电压 ( 开路电压 ) 负载功率 U = U0 = E P = 0 1. 开路处的电流等于零； I = 0 2. 开路处的电压 U E。 电路中某处断开时的特征 : I + U 有 源 电 路 I Ro R + E U0 + 电源外部端子被短接， R 0。 1.5.3 电源短路 特征 : 0 S R EII 电源端电压 负载功率 电源产生的能量全被内阻消耗掉 短路电流（很大） U = 0 PE = P = IR0 P = 0 1. 短路处的电压等于零； U = 0 2. 短路处的电流 I 视电路情况而定。 电路中某处短路时的特征 : I + U 有 源 电 路 I R0 R + E U0 + 1. 6 基尔霍夫定律 支路： 电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。 结点： 三条或三条以上支路的联接点。如 a， b。 回路： 由支路组成的闭合路径。 如： cabc， abda， cadba I1 I2 I3 b a + E2 R2 + R3 R1 E1 1 2 3 c d 例 1： 支路： ab、 bc、 ca、 （共 6条） 回路： abda、 abca、 adbca （共 7 个） 结点 ： a、 b、 c、 d (共 4个） 网孔： abd、 abc、 bcd （共 3 个） a d b c E + G I2 I4 IG I1 I3 I 1.6.1 基尔霍夫电流定律 (KCL定律 ) （ 应用于节点 ） 1定律 即 : 入 = 出 在任一瞬间， 流入 任一结点的电流 等于流出 该 结点的电流。 实质 : 节点不能存储电荷。 或 : = 0 I1 I2 I3 b a + E2 R2 + R3 R1 E1 对结点 a： I1+I2 = I3 或 I1+I2I3= 0 注意：上面的流入和流出都是指电路的参考方向。 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的 闭合面。 在任何一个时刻，流过任何一个闭合面的电流 的代数和为 0。 2推广：从节点到闭合面 例 : 广义结点 IA + IB + IC = 0 （ 1） A B C IA IB IC 问题：如果这个闭合面 中包含电源，是不是还 满足 Si 0？ 左图式（ 1）可以用基尔霍夫节 点电流定理来证明。 1.6.2 基尔霍夫电压定律（ KVL定律， 应用于回路 ) 1 定律 即： U = 0， U是指参考方向 对回路 1： 对回路 2： E1 = I1 R1 +I3 R3 I2 R2+I3 R3=E2 或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 I1 I2 I3 b a + E2 R2 + R3 R1 E1 1 2 在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的 代 数和 恒等于零。 1列方程前 标注 回路循行方向； 电位升 = 电位降 E2 =UBE + I2R2 U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0 2 应用 U = 0列方程时 ， 项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。 3. 开路电压可按回路处理，就认为在此处连 上了一个阻值为无穷大的电阻。 注意： 1 对回路 1： E1 U BE E + B + R1 + E2 R2 I 2 _ 解： 应用 基尔霍夫电压 定律 列出 EB RBI2 UBE 0 得 I2 0.315mA EB RBI2 R1I1 US 0 得 I1 0.57mA 应用 基尔霍夫电流定律 列出 I2 I1 IB 0 得 IB 0.255mA 例： 如图： RB 20K ， R1 10K ， EB 6V US 6V， UBE 0.3V，试求电流 IB ， I2及 I1。 例： 对网孔 abda： 对网孔 acba： 对网孔 bcdb： R6 I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0 I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0 I4 R4 + I3 R3 E = 0 对回路 adbca，沿逆时针方向循行 ： I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0 应用 U = 0列方程 对回路 cadc，沿逆时针方向循行 ： I2 R2 I1 R1 + E = 0 a d b c E + I2 I4 I6 I1 I3 I 1.7 电路中电位的概念及计算 电位：电路中某点至 参考点 的电压， 记为“ VX” 。 通常设参考点的电位为零。 对电位而言，整个电路就一个参考点；对电压来说，参考点 是相对的。 电位与电压的关系：某一点 a的电位 Va的大小等于 a点与电位 参考点 r 的电压 Uar. 类似海拔高度（电位）与相对地面的高度（电压）。 1. 电位的概念 某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负，说明该点电位比参考点低。 1.7 电路中电位的概念及计算 电位的计算步骤 : (1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位 为零； (2) 标出各电流参考方向并计算； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的 电位。 2. 举例 求图示电路中 各点的电位 :Va、 Vb、 Vc、 Vd 。 解： 设 a为参考点， 即 Va=0V Vb=Uba= 10 6= 60V Vc=Uca = 4 20 = 80 V Vd =Uda= 6 5 = 30 V 设 b为参考点，即 Vb=0V Va = Uab=10 6 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V b a c 20 4A 6 10A E2 90V + E1 140V 5 6A + d Uab = 10 6 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V Uab = 10 6 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V 结论： (1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变； (2) 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变， 即与零电位参考点的选取无关。 借助电位的概念可以简化电路作图 b c a 20 4A 6 10A E2 90V + E1 140V 5 6A + d +90V 20 5 +140V 6 c d 解： I1 I2 E1（ R1 R2） 6（ 4 2） 1A I3 0 VA R3I3 E2 R2I2 0 4 2 1 2V 或 VA R3I3 E2 R1I1 E1 0 4 4 1 6 2V 例 1： 如图已知： E1 6V E2 4V R1 4 R2 R3 2 。求 A点电位 VA。 例 1: 图示电路，计算开关 S 断开和闭合时 A点 的电位 VA 解 : (1)当开关 S断开时 (2) 当开关闭合时 ,电路 如图（ b） 电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。 电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。 电流在闭合 路径中流通 2K A + I1 2k I2 6V (b) 2k +6V A 2k S I 2 I1 (a) 例 2： 电路如下图所示， (1) 零电位参考点在哪里？ 画电路图表示出来。 (2) 当电位器 RP的滑动触点向 下滑动时， A、 B两点的电位增高了还是降低了？ A +12V 12V B RP R1 R2 12V + 12V + B A RP R2 R1 I 解：（ 1）电路如左图， 零电位参考点为 +12V 电源的“ ”端与 12V 电源的“ +”端的联接处。 当电位器 RP的滑动触点向下滑动时，回路中的电 流 I 减小，所以 A电位增高、 B点电位降低。 （ 2） VA = IR1 +12 VB = IR2 12