基本概念与基本定律.ppt

1,2020年5月27日星期三,电工及电子技术,总学时：118学时,本学期：60学时,2,2020年5月27日星期三,绪论,电工电子技术是一门研究电能在技术领域中应用的技术基础课，它包括：电工技术和电子技术两部分。,电工技术：,电路理论：,直流、交流、暂态、非正弦。,磁路和电机：,变压器、电磁铁、,三相异步电动机及控制。,电子技术：,模拟电子线路：,半导体器件、分离件放大器、,集成运放、电源,数字电路：,各种门电路、组合电路、,时序电路及555的应用电路。,3,2020年5月27日星期三,一、电工学课程的作用和任务,电工学是研究电工技术和电子技术的理论和应用的技术基础课程。作为技术基础课程，它应具有基础性、应用性和先进性。,基础是指基本理论、基本知识和基本技能。,应用是指课程内容要理论联系实际，建立系统概念，培养大家分析和解决问题的能力；重视实验技能的训练。,先进性是指电工学课程内容和体系随着电工技术和电子技术的发展应不断更新。,4,2020年5月27日星期三,二、电工技术和电子技术发展概况,1785年库仑确定了电荷间的相互作用力，电荷的概念开始有了定量的意义。,1826年欧姆发现了欧姆定律。,1831年法拉第发现了电磁感应定律。,1834年雅可比制造出第一台电动机。,1864年麦克斯韦提出了电磁波理论。,1888年赫兹通过实验获得了电磁波，证实了麦克斯韦提出了电磁波理论。,1895年意大利和俄国分别进行了通信实验，从而为无线电技术的发展开辟了道路。,5,2020年5月27日星期三,未来的发展是量子工学,1883年爱迪生发现了热电效应。,1904年弗莱明发明了电子二极管。,1948年贝尔实验室发明了晶体管。,1958年生产出集成电路（到现在已经是超大规模集成电路）。现在的集成电路线宽是0.3um，可望达到0.01um（30个原子的宽度）。,6,2020年5月27日星期三,三、课程的学习方法,2、上课注意听讲，下课要看除教材外的其它参考书及做适当的习题。解题前，要对所学内容基本掌握；解题时，要看懂题意，注意分析，用哪个理论和公式以及解题步骤也都要清楚。习题做在本子上，要书写整洁，图要标绘清楚，答数要注明单位。,1、重点放在物理概念和基本分析法。,3、要重视实践技能的培养。,7,2020年5月27日星期三,第一部分电路理论,电路理论就是研究电路基本规律的一门学科，它是一门具有丰富内容的学科，它的理论和方法，在其它领域也得到了广泛的应用。,已知输出输入的条件，求元件参数和电路结构。,电路理论：,电路分析：,电路综合：,已知电路结构、元件参数，求电路中的电流、电压和功率。,8,2020年5月27日星期三,下面我们看一个例题，,US,R+RL,US1,-US1,?,不会求的原因是电路中出现了两个回路，我们对电路结构的约束关系不了解，所以不会求。,求图示电路中的电流。,9,2020年5月27日星期三,第一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,一、电路的组成,1电路：,电池,负载,开关,电流流通的路径称为电路。,2组成：,（1）电源：提供能量。,（2）负载：消耗能量。,（3）中间环节：连接电源和负载的导线及控制元件。,10,2020年5月27日星期三,（1）电能的传输与转换。,3作用,如：输配电电路。,11,2020年5月27日星期三,（2）信息的传输与处理。,如：各种信息处理电路等。,E111A.EXE,12,2020年5月27日星期三,1-2电路的模型,所谓电路模型就是指一个实际元件在特定的条件下，所表现的主要的电磁特性，而忽略其次要因素，如R、L、C等。这种表示的参数，我们称为集总参数。,实际电路都是由一些实际的元器件所组成。在分析电路时，我们要对实际电路建立数学模型电路模型。,E111B,13,2020年5月27日星期三,1-3电压和电流的参考方向,I,I,电流的实际方向为正电荷的运动方向。,（1）为什么要引入参考方向？,a）复杂电路很难确定电流的实际方向。,b）交流电路中，电流本身就是交变的。,（2）参考方向的选择：原则上是任意的，实际和电压的参考方向一起选。,（3）参考方向的表示方法：a）箭头；b）双下标。,（4）电流正负的意义：,E112A,E112D,负表示参考方向和实际方向相反。,正表示参考方向和实际方向一致。,14,2020年5月27日星期三,-4V,c)正负号。,电压和电动势的参考方向,-1A,a)箭头；,b)双下标；,那么，在一个电路中，电流和电压的参考方向应该怎样选择呢？,E112B,15,2020年5月27日星期三,3）伏安特性曲线。线性电阻为一直线。,1-4欧姆定律,U=RI，它是电阻元件的约束方程，也是我们分析电路的主要的理论依据。,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这就是欧姆定律。,使用时应注意：,1）U=RI为关联方向得出的；,2）U=-RI为非关联方向；,欧姆定律是德国物理学家乔治欧姆在1826年发现的（1787年1854年）,E112E,E113A,E113B,16,2020年5月27日星期三,本节主要讨论电路中电流、电压和功率方面的内容。,1.5.1电源有载工作,所谓有载工作状态，是指电源与负载相连通，构成一个电流的回路。,E电动势,U端电压,R0电源内阻,R负载,E114A,17,2020年5月27日星期三,1、电压与电流,电源的伏安特性是指电源对外供电时，其端电压U和流过其中电流I的关系。此种关系也称电源的外特性。,U=E-R0I,理想电源的外特性曲线,U=E,18,2020年5月27日星期三,2功率及功率平衡,因为：U=E-R0I,所以各项同乘电流后可得功率平衡式：,式中：,P为电源输出功率；,PE为电源产生功率；,P为内阻损耗的功率。,PE=P+P,功率的单位是瓦特（W）或千瓦（KW）。,U=E-R0I,P=PE-P,III,19,2020年5月27日星期三,3、电源与负载的判别方法,P=UI,关联方向,0电源,0负载,0电源,0负载,20,2020年5月27日星期三,例题,试求电路中各元件的功率，并验证功率平衡。,解：,21,2020年5月27日星期三,（5）当R=RO时，电源输出功率为最大（最大功率传输）。,几点注意事项：,（1）功率与电压的平方成比，即电压增大1倍，P增大4倍。,（2）P=UI为关联方向的关系式。,（3）在关联方向下功率大于0为耗能，小于0为放能（电源与负载的判别）。,（4）对于独立电路来说P0。,22,2020年5月27日星期三,4额定值与实际值,通常负载都是并联运行的。当负载增加时，电源输出的功率也相应增加。即电源输出的功率和电流决定于负载的大小。,既然电源输出的功率和电流决定于负载的大小，是可大可小的，那么，有没有一个最合适的数值呢？回答是肯定的，这个合适的值就是额定值。,各种电气设备的电压、电流及功率都有一个额定值，额定值是标明设备在给定条件下能正常工作而规定的正常允许值。,UN额定电压,IN额定电流,PN额定功率,E114A,23,2020年5月27日星期三,特征,1.5.2电源开路（引伸为支路电流为零）,I=0,P=0,U=E=U0（开路电压）,E114B,24,2020年5月27日星期三,特征,1.5.3电源短路,U=0,I=IS=E/R0,PE=P=R0I2，P=0,短路通常是一种严重事故，应该尽力预防。,25,2020年5月27日星期三,1-6基尔霍夫定律,（德国物理学家）,除了欧姆定律外，分析与计算电路的基本定律，还有基尔霍夫电流定律(KCL)和电压定律(KVL)。基尔霍夫电流定律应用于结点，基尔霍夫电压定律应用于回路。,26,2020年5月27日星期三,5网络：指较多元件组成的较为复杂的电路。,1.6.1名词解释,1支路：电路中由一个或多个元件首尾相接构成的无分支电路称为支路（流过同一电流）。,2结点：三条及三条以上支路的交叉点称为结点。,3回路：一条或多条支路所组成的闭合电路。,4网孔：内部不包含支路的回路。,E115A,27,2020年5月27日星期三,1定义：在任一时刻，任一结点上的所有支路电流的代数和恒为零。即I=0；或I入=I出,1.6.2KCL（电流定律）,2注意正负号的取法（两套符号）,28,2020年5月27日星期三,3推广到广义结点上使用，任一闭合面。,IC=ICA-IBC,将三式相加得：IA+IB+IC=0或I=0,IA=IAB-ICA,IB=IBC-IAB,IA+IB+IC=0,【证明】,29,2020年5月27日星期三,图示电路中，已知I1=11mA，I4=12mA，I5=6mA。求I2，I3和I6。,例题,解：,I3=I1I5=116=5（mA),I2=I3I4=512=7（mA),I6=I1I2=11(7)=18（mA),I6=I4+I5=12+6=18（mA),30,2020年5月27日星期三,4物理意义：KCL是电流的连续性的体现，也是能量守衡的体现。,5KCL对各支路电流施加了约束，而与支路元件的性质无关。,31,2020年5月27日星期三,1定义：在任一时刻，沿任一回路内所有支路或元件电压降的代数和恒为零。,1.6.3KVL（电压定律）,E=U,2表达式U=0,E1=I1R1+I3R3,E2=I2R2+I3R3,E1=I1R1I2R2+E2,32,2020年5月27日星期三,例题：,电路如图所示，已知UAB=5V，UBC=4V，UDA=3V。试求：（1）UCD；（2）UCA,解：,（2）ABCA不是闭合回路，也可应用KVL求解。,（1）,UAB+UBC+UCD+UDA=0,5+（4）+UCD+（3）=0,UCD=2V,UAB+UBC+UCA=0,UCA=1V,33,2020年5月27日星期三,（3）KVL对闭合回路中各支路电压施加了约束，它与元件性质无关。,3讨论,U=E,（2）KVL的另一种表达式。,此时注意正负号的取法。,4绕行方向的选择：原则上是任意。,34,2020年5月27日星期三,KCL和KVL是在实验的基础上得出的，是分析电路的理论基础，它和欧姆定律一起构成了电路分析的两个基本依据。,局部约束方程：U=RI整体约束方程：KCL和KVL,35,2020年5月27日星期三,提到电位必须有参考点，在电路中，参考点选的不同时，电路中各点电位不同，但任意两点间的电位差不变。,1-7电路中电位的计算,例如：电路如图所示，如选D或B为参考点，求各个电位及电位差。,E116A,36,2020年5月27日星期三,解：（1）选D为参考点则：,UAC=VA-VC=50V,（2）选B为参考点则：,UAB=VA-VB=80V,结论：选D或B时，各点电位变了，但任意两点之间电位差不变。,VD=0V,VA=140V,VB=106=60V,VC=90V,UAB=VA-VB=80V,VB=0V；VA=80V；VC=30V；,VD=-106=-60V；,UAC=VA-VC=50V,37,2020年5月27日星期三,电路化简,电路化简,E116B,38,2020年5月27日星期三,例：电路如图所示，求开关S闭合和断开两种情况下的VA的电位。解：,（2）当S闭合时,（1）当S断开时,VA=12V,VA=0V,E116C,39,2020年5月27日星期三,作业2：,作业1：P121.3.1，1.3.2,