电工第1章-zlw.ppt

祝同学们在新的学期里身体好学习好成绩好 河南科技大学电子信息工程学院电子系张立文 电工与电子技术A 1 教材 电工技术 电工学1 田葳主编 主讲 张立文电话序言 一 何谓 电工学 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 二 电工学的作用 由于电工和电子技术发展非常迅速 在各个专业领域有着越来越广泛的应用 因此 电工学也是高等学校工科非电类专业的一门重要课程 三 电工学的任务 通过本课程的学习 使学生掌握电工和电子技术必要的基本理论 基本知识和基本技能 为今后学习本专业课程以及从事与本专业有关的工程技术工作打下一定的基础 四 电工学的内容 电工学 成绩 期终考试占70 平时 作业 占20 实验占10 答疑安排 每周一 四晚7 30 9 30 地点 10 408实验大楼中部 电子科学与技术系 本课程共计128学时 本学期电工技术64学时理论课时50学时 实验学时14学时 我们共做7个实验 加强作业考核 1 每班分为A B两组 按名单顺序 前半部分为A组 后半部分为B组 第一次交作业时 课代表按顺序给每个人编号 将组号 顺序号写到封面右上角 2 按老师通知交作业 每次批改一组给出成绩 同时检查登记另一组完成情况 3 按老师通知交作业 每周一 四晚上课代表按班收齐交到10 408 交作业时请课代表将作业按名单顺序排好 4 作业成绩占总成绩的20 5 累计缺交1 3者 不允许参加考试 成绩按0分计 学校规定 6 可以不抄题 但必须画电路图 画图要规范 叙述要清楚 字迹要端正 课间各班课代表 或学委到前面来一下 实验 1 本周各班课代表尽快到10 408隔壁联系周鲁英老师 安排实验时间 自己不能随便调换实验时间 2 每次实验前 必须写出预习报告 实验后用规定的报告纸认真写出总结报告 封面要填写完整 写上顺序号 在下一次实验时 由课代表收齐交给老师 3 实验成绩占总成绩的10 不做实验或缺交实验报告1 3者 不允许参加考试 本课程成绩按0分计 学校规定 例1 卷面 50分作业 85分实验 85分总评 50 0 7 85 0 2 85 0 1 60 5分例2 卷面 50分作业 70分实验 70分总评 50 0 7 70 0 2 70 0 1 56分由教务处成绩申报系统自动计算归档 本课程网站利用 河南省教育厅网页 河南省精品课程建设网 2006年度河南省高校精品课程 电工学 河南科技大学 省级精品课程目录 电工学 第一章电路的基本概念与基本定律 1 1电路和电路模型 1 2电路元件 1 3基尔霍夫定律 1 4电路中电位的概念及计算 第一章电路的基本概念与基本定律 电的应用是通过电路实现的 因此我们首先要对电路及其规律有一个基本的认识 电路理论是电工学的理论基础 着重研究电路的基本规律及其分析方法 要学好这门课 必须把电路的基础理论学好 1 1电路和电路模型 1 作用 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的变换 传递与处理 一 电路的作用和组成部分 定义 电路是电流流通的路径 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的系统 2 电路的组成部分 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 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 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 实际的发电 变配电和用电电路都是由各种各样的电气设备 电气元件 电子元件组成的 电气设备 电气元件 电子元件的种类有成千上万种 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件及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 二 理想电路元件和电路模型 1 理想电路元件 在一定的条件下突出其主要的电磁性质 忽略其次要性质而得到的元件 无源元件 有源元件 2 电路模型 电路图 电路模型 反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合 5种基本的理想电路元件 电阻元件 表示消耗电能的元件 电感元件 表示产生磁场 储存磁场能量的元件 电容元件 表示产生电场 储存电场能量的元件 电压源和电流源 表示将其他形式的能量转变成电能的元件 5种基本理想电路元件有三个特征 a 只有两个端子 b 可以用电压或电流按数学方式描述 c 不能被分解为其他元件 下页 上页 注意 返回 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件 在一定条件下可用同一电路模型表示 同一实际电路部件在不同的应用条件下 其电路模型可以有不同的形式 下页 上页 例 电感线圈的电路模型 注意 返回 我们以前所学的电路 由电路图即可确定各物理量的实际方向 如图所示 E R I U 对复杂电路 我们在最初是无法确定电压 电流的实际方向的 R R R 1 2 3 U U 1 2 I I I 1 2 3 三 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 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 2 电路基本物理量的参考方向 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 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 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 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 表达式中有两套正负号 式前的正负号由U I参考方向的关系确定 U I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系 U IR U IR 3 参考方向的关联性及欧姆定律 当U I参考方向相同时 称它们为关联参考方向 4 欧姆定律 通常流过电阻R的电流I与电阻两端的电压U成正比 称为欧姆定律 一般记为 应用欧姆定律 要注意 1 应用欧姆定律列式子时 首先要在电路上标明电压 电流和电动势的参考方向 2 当电压和电流的参考方向相反时 表达式需带负号 解 对图 a 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 有 U IR 四 电功率和能量 1 电功率 功率的单位 W 瓦 特 能量的单位 J 焦 耳 单位时间内电场力所作的功 下页 上页 返回 u i取关联参考方向 p ui表示元件吸收的功率 p 0吸收正功率 实际吸收 p 0吸收负功率 实际发出 p ui表示元件吸收的功率 p 0吸收正功率 实际吸收 u i取非关联参考方向 下页 上页 返回 2 电路吸收或发出功率的判断 p 0吸收负功率 实际发出 3 电路电源与负载的判别 1 根据U I的实际方向判别 如图a 电源 发出功率 U I实际方向相反 即电流从 端流出 负载 吸收功率 U I实际方向相同 即电流从 端流出 图a U I参考方向不同 P UI 0 负载 P UI 0 电源 U I参考方向相同 P UI 0 负载 P UI 0 电源 2 根据U I的参考方向判别 如图b 图b 例1 求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率 下页 上页 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3V I1 2A I2 1A I3 1A 返回 解 对一完整的电路 满足 发出的功率 吸收的功率 下页 上页 注意 返回 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3V I1 2A I2 1A I3 1A 五 电源有载工作 开路与短路 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 U IR 特征 1 电源有载工作 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U 或U E IR0 当R0 R时 则U E 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 电气设备的额定值 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 PN 不经济 过载 超载 I 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 特征 开关断开 2 电源开路 1 开路处的电流等于零 I 02 开路处的电压U视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 电源外部端子被短接 3 电源短路 1 短路处的电压等于零 U 02 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 一 电阻元件消耗电能的元件 1 伏安关系 即电阻上u和i成线性关系若u和i的参考方向相反 则 金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关 表达式为 1 2电路元件 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 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 2 能量转换 结论 电阻是无记忆的 耗能的无源元件 电阻的能量 电阻的功率p i2R 0 储存磁场能量的性质的元件 1 物理意义 二 电感元件 线圈的电感与线圈的尺寸 匝数以及附近的介质的导磁性能等有关 用下式表示 在高中物理电磁学部分有三种重要定则 载流导线在磁场中受力方向 左手定则 在磁场中运动的导体产生感应电流的方向 右手定则 判断电流产生的磁场方向 安培定则 右手螺旋定则 当电流或磁通发生变化时 将产生自感电动势 2 自感电动势与伏安关系 规定 电压u与电流i的参考方向一致 自感电动势eL的参考方向与电流i参考方向相同 电流i与磁通的参考方向符合右手螺旋定则 根据电磁感应定律和愣次定律 可以写出 根据基尔霍夫定律可得 自感电动势 u和i参考方向非关联时 法拉第电磁感应定律 电路中感应电动势的大小 跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比 愣次定律 感应电流的效果 总是阻碍引起感应电流的原因 验证 eL实与参考方向相反 eL具有阻碍电流变化的性质 eL实与参考方向相同 当电流i变化时 在电路中产生感应电压u u和i方向非关联时 式前加负号 上式表明 电压与电流的变化率成正比 因此电感是一动态元件 在直流稳态电路中 电流变化率为0 u 0 当电流有变化时 u 0 u与电流的变化率成正比 因此 电感有 通直阻交 通低频阻高频 的作用 3 电感元件储能 电感元件储能 即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中 当电流增大时 磁场能增大 电感元件从电源取用电能 当电流减小时 磁场能减小 电感元件向电源放还能量 磁场能 电感元件的功率p ui p 0吸收功率 p 0发出功率 例1 有一电感元件 L 0 2H 电流i如图所示 求电感元件中产生的自感电动势eL和两端电压u的波形 则 由图可见 1 电流正值增大时 eL为负 电流正值减小时 eL为正 2 电流的变化率di dt大 则eL大 反映电感阻碍电流变化的性质 3 电感两端电压u和通过它的电流i的波形是不一样的 例2 在上例中 试计算在电流增大的过程中电感元件从电源吸取的能量和在电流减小的过程中电感元件向电源放出的能量 解 在电流增大的过程中电感元件从电源吸取的能量和在电流减小的过程中电感元件向电源放出的能量是相等的 三 电容元件 储存电场能量的元件1 物理意义 电容 电容器的电容与极板的尺寸及其间介质的介电常数等关 2 伏安关系 当电压u变化时 在电路中产生电流 u和i方向非关联时 式前加负号 上式表明 电流与电压的变化率成正比 因此电容是一动态元件 在直流稳态电路中 电压变化率为0 i 0 当电压有变化时 i 0 i与电压的变化率成正比 因此 电容有 隔直通交 阻低频通高频 的作用 3 电容元件储能 电容元件储能 即电容将电能转换为电场能储存在电容中 当电压增大时 电场能增大 电容元件从电源取用电能 当电压减小时 电场能减小 电容元件向电源放还能量 电场能 电感元件的功率p ui p 0吸收功率 p 0发出功率 实际的电阻 电容 电阻的主要指标1 标称值2 额定功率3 允许误差种类 碳膜 金属膜 线绕 可变电阻 电容的主要指标1 标称值2 耐压3 允许误差种类 云母 陶瓷 涤纶电解 可变电容等 一般电阻器 电容器都按标准化系列生产 电阻的标称值 误差 标称值 10 E12 5 E24 1 0 1 2 1 5 1 8 2 2 2 7 3 3 3 9 4 7 5 6 6 8 8 2 电阻的阻值 标称值 10n 1 0 1 1 1 2 1 3 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 7 3 0 3 3 3 6 3 9 4 3 4 7 5 1 5 6 6 2 6 8 7 5 8 2 9 1等 电阻器的色环表示法 四环 五环 倍率10n 误差 有效数字 误差 有效数字 倍率10n 如电阻的4个色环颜色依次为 绿 棕 金 金 如电阻的5个色环颜色依次为 棕 绿 黑 金 红 动画 四 实际电源模型 干电池 钮扣电池 实际电源 干电池和钮扣电池 化学电源 干电池电动势为1 5V 仅取决于 糊状 化学材料 其大小决定储存的能量 化学反应不可逆 钮扣电池电动势为1 35V 用固体化学材料制成 化学反应不可逆 下页 上页 返回 氢氧燃料电池示意图 燃料电池 化学电源 燃料电池电动势为1 23V 以氢 氧作为燃料 约40 45 的化学能转变为电能 实验阶段加燃料可继续工作 下页 上页 返回 太阳能电池 光能电源 一块太阳能电池电动势为0 6V 太阳光照射到PN结上 形成一个从N区流向P区的电流 约11 的光能转变为电能 故常用太阳能电池板 一个50cm2太阳能电池的电动势为0 6V 电流为0 1A 太阳能电池板 下页 上页 返回 蓄电池示意图 蓄电池 化学电源 电池电动势为2V 使用时 电池放电 当电解液浓度小于一定值时 电动势低于2V 常需要充电 化学反应可逆 下页 上页 返回 直流稳压源 下页 上页 返回 发电机组 下页 上页 返回 风力发电 下页 上页 返回 工业风力发电现场 下页 上页 返回 1 电压源 电压源模型 由上图电路可得 U Us IR0 U0 Us 电压源的外特性 由端电压为Us的电压源和内阻R0的电阻串联构成实际电源的电路模型 O 电压源 若R0 0 则U Us 称为理想电压源 恒压源 2 输出电压是一定值 恒等于电压源的开路电压 对直流电压 有U Us 3 恒压源的电压恒定 电流由外电路决定 即电流随负载变化 特点 1 内阻R0 0 若R0 RL U Us 可近似认为是理想电压源 2 电流源 U0 ISR0 电流源的外特性 O IS 由短路电流为IS的电流源和内阻R0的电阻并联构成实际电源的电路模型 由上图电路可得 电流源 若R0 则I IS 称为理想电流源 恒流源 2 输出电流是一定值 恒等于电流IS 3 恒流源电流恒定 两端的电压U由外电路决定 即电压随负载变化 特点 1 内阻R0 外特性曲线 I U IS O 若R0 RL I IS 可近似认为是理想电流源 3 电压源与电流源的等效变换 由图a U US IR0 由图b U IS I R0 ISR0 IR0 等效变换时 两电源的参考方向要一一对应 理想电压源与理想电流源之间无等效关系 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言 对电源内部则是不等效的 注意事项 例 当RL 时 电压源的内阻R0中不损耗功率 而电流源的内阻R0中则损耗功率 任何一个理想电压源US和某个电阻R串联的电路 都可化为一个理想电流源IS和R并联的电路 例1 求下列各电路的等效电源 解 例2 试用电压源与电流源等效变换的方法计算2 电阻中的电流 解 由图 d 可得 例3 解 统一电源形式 试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1 电阻中的电流 1 3基尔霍夫定律 引言建立了电路的模型之后 下一步就可以研究分析电路的方法 电路分析 已知电路的结构和元件参数 讨论电路的激励与响应之间的关系 电路分析的理论依据 电路基本定律 包括欧姆定律和基尔霍夫定律 先介绍几个常用的术语 观察如下电路 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 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 例1 同学们一起来观察 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 一 基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 例如 对结点a I1 I2 I3或I1 I2 I3 0 若规定流入结点的电流为正 流出结点的电流为负 基尔霍夫电流定律可以有另一种表述形式 0 说明 1 基尔霍夫电流定律的英文全称 Kirchhoff sCurrentLaw 缩写为 KCL 2 KCL的实质 电流连续性的体现 3 基尔霍夫电流定律 KCL 反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系与支路性质无关 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 2 推广 I 例 广义结点 I 0 IA IB IC 0 二 基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 E1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 E2 对回路1 或I1R1 I3R3 E1 0对回路2 或I2R2 I3R3 E2 0若规定电压降为正 电压升为负 基尔霍夫电压律可叙述为 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 即 U 0 说明 1 基尔霍夫电压定律的英文全称为 Kirchhoff sVoltageLaw 缩写为KVL 2 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 与支路性质无关 1 列方程前标注回路循行方向 电位升 电位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 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 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例4 电路如图 U1 10V IS 2A R1 1 R2 2 R3 5 R 1 1 求电阻R中的电流I 2 计算理想电压源U1中的电流IU1和理想电流源IS两端的电压UIS 3 分析功率平衡 解 1 由电源的性质及电源的等效变换可得 2 由图 a 可得 理想电压源中的电流 理想电流源两端的电压 各个电阻所消耗的功率分别是 两者平衡 60 20 W 36 16 8 20 W 80W 80W 3 由计算可知 本例中理想电压源与理想电流源都是电源 发出的功率分别是 例 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U 0列方程 对回路cadc 沿逆时针方向循行 I2R2 I1R1 E 0 练习与思考题 Uab I6 已知E 12V 2 2 6 6 1 a b短路 则Uab 0 电阻对称 I6 0 2 若R4变成3 呢 结点b I3 I6 I4 则I6 I4 I3 I6 I4 I3 8 3 2 2 3A 复习 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 即 入 出 若规定流入结点的电流为正 流出结点的电流为负 基尔霍夫电流定律可以有另一种表述形式 0 二 基尔霍夫电流定律 一 欧姆定律 U I参考方向相同时 U IR 三 基尔霍夫电压定律 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 即 U升 U降 若规定电压降为正 电压升为负 基尔霍夫电压律可叙述为 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 即 U 0 1 4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 1 电位的概念 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 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 2 举例 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 解 设各支路电流已求出 Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V 设a为参考点 即Va 0V 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 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 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