动力分厂电工与电子技术第一章下半部.ppt

电工电子技术,开,课,了,！,电工电子技术,欢迎学习,电工与电子技术,第一篇 电工技术基础,第1章 直流电路,第2章 交流电路,第3章 变压器和电机,第4章 常用电动机控制回路,第5章 二极管和整流滤波电路,了解电路和电路模型的概念，理解电流、电压、电位、电动势与电功率等基本物理量的含义;理解电流、电压参考方向的问题;理解电路中的欧姆定律、基尔霍夫定律及其具体应用； 掌握电压、电流、电阻的测量;熟悉电路在不同工作状态下的特点。,第1章 直流电路,学习要点,1.1 电路中的基本概念,1.2 电路的基本定律,1.3 电功率,第1章 直流电路,1.1 电路中的基本概念,导体、绝缘体和半导体,原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。,绕原子核高速旋转的电子带负电。,自然界物质的电结构：,导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受原子核的束缚力很弱，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，即导体的特点就是内部具有大量的自由电子。,半导体的外层电子数一般为4个，其导电性界于导体和绝缘体之间。,绝缘体外层电子数通常为8个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为8个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导电。,当外界电场的作用力超过原子核对外层电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一旦被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成为导体。,1、绝缘体是否在任何条件下都不导电？,例：,负载：,1.1.1.1 电路的组成与功能,电路 由实际元器件构成的电流的通路。,（1）电路的组成,电源：,电路中提供电能的装置。如发电机、蓄电池等。,在电路中接收电能的设备。如电动机、电灯等。,中间环节：,电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件，如连接导线、开关设备、测量设备以及各种继电保护设备等。,1.1.1 电路及电路模型,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,电力系统中：,电子技术中：,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,（2）电路的功能,电能传输和转换,发电机,升压变压器,降压变压器,热能,水能,核能转电能,传输分配电能,电能转换为光能,热能和机械能,电灯,电炉,电动机,电信号的传递和处理,放大 器,扬声器,将语音转换为电信号,(信号源),信号转换、放大、信号处理,(中间环节),接受转换信号的设备,(负载),科学抽象,电路模型是对实际电路的科学抽象和概括；理想元器件是将实际元气件理想化和近似，即在一定条件下突出其主要的电磁性质,忽略其次要性质。,实际电路,电路模型,1.1.1.2 电路模型和电路元件,主 要 电 磁 特 性,次 要 性 质,主 要 电 磁 特 性,理想电路元件电特性单一、确切，可定量分析和计算。,实际元器件,理想元器件,白炽灯的电路模型可表示为：,如：,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略。,白炽灯电路,电源,负 载,实体电路,中间环节,在电路图中，所有电器元件都是理想元器件，各种电路元器件用国家规定的标准图形符号来表示。,电路模型,负载,电源,开关,电路模型:,例：,1.1.2 电路中的基本物理量,电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【A】等，它们之间的换算关系为：,1A=103mA=106A=109nA,1.1.2.1 电流及参考方向, 电荷的定向移动形成电流。, 电流的大小用电流强度表示，简称电流。,Q代表电荷所带的电量,单位是库仑(C).1库仑约相当于6.251018个电子的电量。,（1） 电流,即单位时间内通过导体横截面积的电荷量。, 在电工技术分析中，仅仅指出电流的大小是不够的。为了 分析电路，将人为指定的电流方向称为电流参考方向。,（2） 电流参考方向：,i,Iab,a,b,a）箭头表示法,b）双下标表示法, 通常以正电荷移动的方向规定为电流的参考正方向。, 电流实际方向与参考方向一致时，该电流为正值； 反之，电流为负值。,金属锡的原子核带50个电荷,它的原子核外带多少电子?这些电子共带多少库仑电荷?为什么金属锡对外不显电性 ?,一个电子的电量等于多少库仑? 100个 电子电量等于多少库仑?,库仑约相当于6.251018个电子的电量。一个电子的电量-1.6 10(-19) 100个电子电量等于-1.6 10(-17),负号表示带有负电荷。,例：,作业：,直流情况下,电路中任意两点的电压等于电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。当电场力把1C电荷从一点移到另一点所作的功伟1J时，此两点的电压为1V.其表达式为：,注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。,电压的国际单位制是伏特V，常用的单位还有毫伏mV和千伏【KV】等，换算关系为：,1V=103mV=103KV,电压用符号U表示，方向为高电位指向低电位。 电压是产生电流的根本原因。,1.1.2.2 电压及参考方向,（1） 电压, 通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电,（2） 电压参考方向, 电压实际方向与参考方向一致时，该电压为正值； 反之，电压为负值。,压又称作电压降。,a,b,a）箭头表示法,b）双下标表示法,a）极性表示法,+,Uab,（3） 电动势,电源内部电源力将单位正电荷由电源一端移动到另一端所做的功，用E表示，单位V （伏）。方向为负极指向正极。,电位具有相对性，相对于参考点较高的电位点是正电位，比参考点低的电位点为负电位。参考点的电位一般取零 。,电位实际上就是电路中某点到参考点的电压，电压常用双下标，而电位则用单下标，电位的单位也是伏特【V】。,（4） 电位,两点之间的电位差就是两点之间的电压。Uab=Ua-Ub,电阻是物体对电流的阻碍作用。 电阻的大小由导体的长度、粗细、材料及外界温度决定。在温度一定的条件下，电阻大小与导体长度成正比，与导体横截面积成反比。,L-导体长度（m）： s-导体横截面积（m2）； -材料的电阻率（ m）,电阻率小于10-6 m的材料称为导体，如铜、铝、银等； 电阻率大于107 m的材料称为绝缘体，如玻璃、陶瓷等； 电阻率介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体，如硅、锗等；,（5） 电阻,一粗细均匀的铝丝,长度为L,截面直径为d,电阻为R,将它拉制为长度为3L的均匀细丝后,它的电阻是多少?将它拉制成截面直径为d/10的均匀细丝后,它的电阻是多少?,本课学习结束。Goodbye!,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,（6） 欧姆定律：,当导体两端所加电压一定时，电阻越大，电流越小,电阻对电流起阻碍作用,当电压和电流的参考方向一致时 U=RI 当电压和电流的参考方向相反时 U=RI,注意:,解,全电路欧姆定律 ：I=E/(R+r),其中E为电动势,r为电源内阻,+ E -,R,I,r,一个导体两端的电压为15V时，通过导体的电流为3A，若导体两端的电压增加3V，那么此时通过导体的电流和它的电阻分别为 A 0.6A 5 B 3.6A 5 C 3.6A 1 D 4A 6,一个导体两端加有电压为6V时，通过它的电流大小为0.2A，那么该导体的电阻为 ,若两端的电压为9V时,通过导体的电流为 A。,1.4 电路定律及电路基本分析方法,电阻的串联,电阻的并联,等效电路,串联各电阻中通过的电流相同。,并联各电阻两端的电压相同。,如果两个串联 电阻有： R1R2，则RR1,如果两个并联电阻有： R1R2，则RR2,1、电阻的串联与并联,R1,R2,R1,R2,I = I1 =I2,I =I1+I2,U =U1+U2,U =U1=U2,R =R1+R2 (R = nR0),1/R=1/R1+1/R2 （R=R0/n）,U1/U2=R1/R2 U1/U=R1/R,I1/I2=R2/R1,6 和9 两只电阻并联，已知通过6 电阻 的电流为0.3A，求通过9 电阻的电流 。,解:,U1=R1I1= 6 0.3A=1.8V,有一个小灯泡，它正常发光时灯丝的电阻为10欧姆， 正常工作时电压为5V，如果我们只有电压为6V的 电源，要使小灯泡正常工作，需要串联一个多大 的电阻？,I=5/10=0.5 R+6=6/0.5=12 R=2,电路中有两盏电灯，将开关合上后，下列说法正 确的是（ ） A、若两盏灯同时发光，则两灯一定是串联 B、若两盏灯同时发光，则两灯一定是并联 C、若只有一盏灯亮，则两灯一定是串联 D、若只有一盏灯亮，则两灯一定是并联,D,已知：R1为5欧，R2为2欧， R3为3欧，R4、R5为6欧，R6为5.5欧，求a、b两端电阻为多少？,【解】 Rab=R1+ R6+(R2/R3)+(R4/R5)= 14.7 ,分析：由a、b端向里看， R2和R3， R4和R5均连接在相同的两点之间，因 此是并联关系，把这4个电阻两两并 联后，电路中除了a、b两点不再有结 点，所以它们的等效电阻与R1和R6 相串联。,电阻混联电路的等效电阻计算，关键在于正确找出电路的联接点，然后分别把两两结点之间的电阻进行串、并联简化计算，最后将简化的等效电阻相加即可求出。,（5） 基本电量的测量方法,V,V,A,mA,RX,RX,+ u -,+ u -,+ u -,+ u -,V,R,A,+ u -,I,V,A,+ u -,I,R,A）测量大电阻的电路,B）测量小电阻的电路,使用万用表的注意事项,a 在测电流、电压时，不能带电换量程 b 选择量程时，要先选大的，后选小的，尽量使被测值接近于量程 。 c 严禁用电流档测电压。 d 测直流电压、电流时：将万用表的转换开关置于直流电压的合适量程上，且“+”表笔 （红表笔）接到高电位处，“-”表笔（黑表笔）接到低电位处，即让电流从“+”表笔流入，从“-”表笔流出。若表笔接反，表头数值为负。 e 测电阻时，不能带电测量。因为测量电阻时，万用表由内部电池供电，如果带 电测量则相当于接入一个额外的电源，可能损坏表头。 f 使用后，应使转换开关在交流电压最大挡位或空挡上。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=1KVAh,5. 电能、电功率,（1）电能,电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：,式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】,1度电的概念,1000W的电炉加热1小时；,100W的电灯照明10小时；,40W的电灯照明25小时。,1度=3.6106焦耳,电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。,（2）电功率,电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P ”表示：,国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】,通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。,用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。,（3）电流、电压的参考方向,对电路进行分析计算时应注意：列写电路方程式之前，首先要在电路中标出电流、电压的参考方向。电路图上电流、电压参考方向的标定，原则上任意假定，但一经选定，在整个分析计算过程中，这些参考方向就不允许再变更。,非关联参考方向,关联参考方向,实际电源上的电压、电流方向总是非关联的，实际负载上的电压、电流方向是关联的。因此，假定某元件是电源时，应选取非关联参考方向，假定某元件是负载应选取关联参考方向。,P=-UI,P=UI,则某部分电路功率 P 0 , 说明U、I 实际方向与参考方向一致，说明电路吸收电功率，为负载。,所以，从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,在进行功率计算时，如果假设 U、I 参考方向关联。,当某部分电路功率 P 0 时, 则说明 U、I 实际方向与参考方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。,计算功率时应注意的问题,第四页,右下图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。,分析：,由图可知UI为关联参考方向，因此:, 举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。,解：,UI非关联参考，因此:,元件吸收正功率，说明元件是负载。,I为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。,想想 练练,1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？,3600000J，1度电,1、某电阻允许通过的最大电流是2A，把它接在36V的电路中时，通过的电流是0.5A,问它能 否接在220V的电路中使用？,2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？,220V，60W；15W，不变。,作业：,3、如图所示电路，R1=7,R2=3,当S闭合 时，电压表的示数为21V，当S断开时，电压 表的示数为14V。求:R3的阻值。,电压源与电流源,任何电源都可以用两种电源模型来表示，输出电压比较稳定的，如发电机、干电池、蓄电池等通常用电压源模型(理想电压源和一个电阻元件相串联的形式)表示；,柴油机组,汽油机组,蓄电池,各种形式的电源设备图,输出电流较稳定的：如光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型(理想电流源和一个内阻相并联的形式)表示。,一、电压源,二、电流源,不考虑电源 内阻时，电压源和电流源就成了理想电压源和理想电流源。,1.理想电压源 （恒压源）: RO= 0 时的电压源.,特点：,（3）电源中的电流由外电路决定。,（2）电源内阻为 “RO= 0”。,（1）理想电压源的端电压恒定。,（4）理想电压源不能短路，不能并联使用。,三、理想电压源和实际电压源模型的区别,伏安特性,电压源模型,2. 实际电压源,实际电源总是存在内阻的，因此实际 电压源模型电路中的负载电流增大时， 内阻上必定增加消耗，从而造成输出电 压随负载电流的增大而减小。因此，实 际电压源的外特性稍微向下倾斜。,1.理想电流源 （恒流源): RO= 时的电流源.,特点：（1）输出电流恒定。,（3）输出电压由外电路决定。,（2）理想电流源内阻为无穷大（ RO= ）。,（4）理想电流源不能开路，不能串联使用。,四、电流源,2. 实际电流源,电流源模型,实际电流源的内阻总是有限值，因此当负载增大时，内阻上分配的电流必定增加，从而造成输出电流随负载的增大而减小。即实际电流源的外特性也是一条稍微倾斜的直线。,恒压源特性中变化的是：_,I,_ 会引起 I 的变化。,外电路的改变,理想电压源及理想电流源特性小结,恒流源特性中不变的是：_,Is,恒流源特性中变化的是：_,Uab,_ 会引起 Uab 的变化。,外电路的改变,恒压源特性中不变的是：_,E,五、两种电源之间的等效互换,Us = Is R0,内阻改并联,两种电源模型之间等效变换时，电压源的数和电流源的数值遵循欧姆定律的数值关系，但变换过程中内阻不变。,等效互换的原则：对外部电路来说是等效的。当外接负载相同时，两种电源模型对外部电路的电压、电流相等。,内阻改串联,将图8中的电压源转化为等效电流源，并画出等效电路。,例3,解:, U ,47,电压源转化为等效电流源时，内阻相等,且,则：,RL,六、电路的三种工作状态,I,（1）通路, U ,（2）开路, U , U ,I,（3）短路,U=USIRS,IUS/(RSRL),U=US,I0,U=0,IUS/RS,电源的开路电压为12V,短路电流为30A,则电源的US=?RS=？,U=US=12V,IUS/RS 则 ：RS US/I 0.4,解：,一、电路名词,支路：一个或几个二端元件首尾相接中间没有分支， 使各元件上通过的电流相等。（m）,节点：三条或三条以上支路的联接点。（n）,回路：电路中的任意闭合路径。（l）,网孔：其中不包含其它支路的单一闭合路径。,m=3,l=3,n=2,网孔=2,基尔霍夫定律,支路：共 ？条,回路：共 ？个,节点：共 ？个,6条,4个,网孔：？个,7个,有几个网眼 就有 几个网孔,电路中的独立结点数为n-1个，独立回路数=网孔数。,二、基尔霍夫第一定律（KCL）,基尔霍夫电流定律是将物理学中的“液体流动的连续性”和“能量守恒定律”用于电路中，它指出：任一时刻，流入任一结点的电流的代数和恒等于零。数学表达式：,a,I1 + I2 I3 I4 = 0,若以流入结点的电流为正，流出结点的电流为负，则根据KCL，对结点 a 可以写出：,求左图示电路中电流i1、i2。,整理为： i1+ i3= i2+ i4,可列出KCL：i1 i2+i3 i4= 0,i1i2+10 +(12)=0 i2=1A, 4+7+i1= 0 i1= 3A,其中i1得负值，说明它的实际方向与参考方向相反。,基氏电流定律的推广,I=?,I1+I2=I3,I=0,广义节点,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,广义节点,例题： 如图，已知mA，3mA，mA， 求 其余各电阻中的电流。,解:,应用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程式： ,先任意标定未知电流、的方向，如图所示。,求得 其中的值是负的，表示的实际方向与标定的方向相反。,4、基尔霍夫第二定律（KVL）,基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各段电压之间关系的电压定律。,任一瞬间，沿任一回路参考绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。数学表达式为：U=0,然后根据： U = 0,得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0,R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4,电阻压降,可得KVL另一形式：IR=US,电源压升,先标绕行方向,根据 U=0对回路#1列KVL方程,电阻压降,电源压升,即电阻压降等于电源压升,此方程式不独立,省略！,对回路#2列KVL常用形式,对回路#3列KVL方程,#1方程式也可用常用形式,KVL方程式的常用形式，是把变量和已知量区分放在方程式两边，显然给解题带来一定方便。,图示电路KVL独立方程为,KVL 推广应用于假想的闭合回路,或写作,对假想回路列 KVL：,UA UB UAB = 0,UAB = UA UB,US IR U = 0,U = US IR,对假想回路列 KVL：,或写作,解得：i1=1A i2=1A i10说明其实际方向与图示方向