信号与信息01电路--2013

2020/6/5,1,第8章电气与信息,2013年5月,教师：许怡生,注册工程师职业资格考试辅导,2020/6/5,2,内容：,电场与磁场电路分析方法电机及拖动基础模拟电子技术数字电子技术信号与信息/*计算机知识,2020/6/5,3,8.1电磁学概念库仑定律电场强度高斯定理安培环路定理磁路的欧姆定律,电磁运动是物质的基本运动形式之一，理解和掌握电磁运动规律在理论和实践上有重要的意义！当然也是我们电路电子学科的基础。,2020/6/5,4,、库仑定律_静止点电荷相互作用的关系方向：沿着两个点电荷的连线方向（同性相斥，异性相吸）大小：正比于电荷所带电量大小的乘积反比于两点距离的平方,2020/6/5,5,、电场强度-电场中某点的电场强度等于单位试验电荷在该点所受的电场力。定义：,场源是电量为q的点电荷，在观测点p的电场强度为：,电场强度叠加原理:,点电荷系电场中，任意点的电场强度等于各点电荷单独存在时在该点产生的电场强度的矢量和,例8-1,2020/6/5,6,例1,A,2020/6/5,7,、高斯定理-电场强度的分布与场源电荷的关系,真空中通过任意闭合曲面的电通量等于该曲面所包围的自由电荷的代数和除以真空介电常数。,C,2020/6/5,8,、电场力做功,静电场中，两点的电势差U在数值上等于把单位正电荷从点移动到点时，静电场力所做的功。,、电势差：,、电场力做功：,用电势差表示：,，两点的电势差U叫做电压。,2020/6/5,9,磁路：主磁通所经过的路径。,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,、磁通、磁感应强度和磁场强度,、磁通,静止的电荷产生静电场，运动的电荷不仅产生电场还会产生磁场。,2020/6/5,10,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）,2020/6/5,11,，则称为磁性材料,，则称为非磁性材料,*磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,2020/6/5,12,高斯定理的积分形式,对任意闭合曲面，穿入的磁感应线条数与穿出的磁感应线条数相同，因此，通过任何闭合曲面的磁通量为零。,和静电场中的高斯定理比较：,磁场无源场电场有源场,.磁场的高斯定理,通过有限曲面的磁通量为：,2020/6/5,13,、安培力磁场中载流导体受到磁场力的作用。,例：长为的通电导线在匀强磁场中受力为,例8-3,2020/6/5,14,、安培环路定律,任何闭合回路磁场强度的线积分,电流方向和磁场强度的方向符合右手定则取正号；否则取负号。,通过这个闭合路径内电流的代数和。,=,2020/6/5,15,例：无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：,磁路长度L,线圈匝数N,分析:,2020/6/5,16,对于均匀磁路,磁路的欧姆律：,2020/6/5,17,磁路欧姆定律,磁阻,磁感应强度,安培环路定律,磁路,I,N,电路欧姆定律,电阻,电流密度,克氏电压定律,克氏电流定律,磁路与电路的比较,电路,R,+,_,E,I,2020/6/5,18,8.2电路的基本概念和基本定律,8.2.1、电路作用8.2.2、电路基本元件：有源（电源）元件无源（负载）元件8.2.3基本定律欧姆定律基尔霍夫定律,2020/6/5,19,8.2.2、电路基本元件、电源元件1、电压源模型2、电流源模型3、两种电源的等效变换,2020/6/5,20,1电压源模型,20,由上图电路可得:U=IR0,若R0=0,理想电压源:U,UO=,电压源的外特性,R0,U,+,电压源是由电压和内阻R0串联的电源的电路模型。,若R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源。,电流源,2020/6/5,23,理想电流源（恒流源),例4：,23,(2)输出电流是一定值，恒等于电流IS；,(3)恒流源两端的电压U由外电路决定。,特点:,(1)内阻R0=；,设IS=10A，接上RL后，恒流源对外输出电流。,当RL=1时，I=10A，U=10V当RL=10时，I=10A，U=100V,外特性曲线,I,U,IS,O,电流恒定，电压随负载变化。,2020/6/5,24,3电源两种模型的等效变换,24,由图a：U=IR0,由图b：U=ISR0IR0,I,RL,R0,+,U,+,电压源,2020/6/5,25,25,(2)等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。,(3)理想电压源与理想电流源之间无等效关系。,(1)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：,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。,(4)任何一个电动势和某个电阻R串联的电路，都可化为一个电流为IS和这个电阻并联的电路。,2020/6/5,26,例5:,26,求下列各电路的等效电源,解:,2020/6/5,27,27,1电阻元件,描述消耗电能的性质,根据欧姆定律:,即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系,线性电阻,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：,表明电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。,电阻的能量,、负载元件,2020/6/5,28,在电压和电流的关联方向下u=iR,在电压和电流非关联方向下u=-iR,伏安特性以电压和电流为坐标，画出电压和电流的关系曲线。,2020/6/5,29,电容元件,定义,特性方程,电容元件储存的能量,电容元件在任何时刻t所储存的电场能量,2020/6/5,30,电感元件的特性方程,电感元件储存的磁场能量,3、电感元件,2020/6/5,31,.电路的基本定律1、欧姆定律2、基尔霍夫定律、电流定律、电压定律,2020/6/5,32,1基尔霍夫电流定律(KCL定律),在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,=0,对结点a：,I1+I2I3=0,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。,2基尔霍夫电压定律（KVL定律),即：U=0,I1R1+I3R31=0,I2R2+I3R32=0,2020/6/5,33,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。,推广,I=?,例:,I=0,IA+IB+IC=0,广义结点,2020/6/5,34,2005年.图示电路U=12V、UE=10V,R=0.4k.则电流I等于多少?,(A)0.055A(B)0.03A(C)0.025A(D)0.005A,习题6,2020/6/5,35,习题7：图示电路，S断开后，A点电位VAo；S闭合后，A点电位Uas分别是（a）-4v,3.6v（b）6v,0v（c）4v,-2.4v（d）-4v,2.4v,2020/6/5,36,1、支路电流法2、电源变换法3、叠加原理4、戴维南定理,8.3电路的基本分析方法,8.3.1直流电路分析,2020/6/5,37,支路电流法是最基本的解题方法。它直接应用基尔霍夫电流定律和电压定律分别对结点和回路列出所需要的方程组，而后解出各未知支路电流。,1支路电流法,解题步骤:1.选定支路并标出各支路电流的参考方向，并对选定的回路标出回路循行方向。2.应用KCL列出(n1)个独立的结点电流方程。3.应用KVL列出b(n1)个独立的回路电压方程。4.联立求解b个方程，求出各支路电流。,2020/6/5,38,习题8：,2020/6/5,39,电压源模型的外特性和电流源模型的外特性相同。我们可以利用两种电源的模型互相等效求解电路。注意的是：电源变换关系只对外电路等效，对电源内部则不等效。,2电源变换法应用,习题9用电源变换法求图示电路的电流I=?,2020/6/5,40,习题3用电源变换法求图示电路的电流I=?,2020/6/5,41,3叠加原理,叠加原理：对于线性电路，任何一条支路的电流，都可以看成是由电路中各个电源（电压源或电流源）分别作用时，在此支路中所产生的电流的代数和。,+,=,S1,2020/6/5,42,叠加原理只适用于线性电路。,不作用电源的处理：US=0，即将电压源短路；Is=0，即将电流源开路。,功率P不能用叠加原理计算。,注意事项：,解题时要标明各支路电流、电压的参考方向。若分电路中电压电流与原电路中电流、电压的参考方向相同为正，否则为负。,2020/6/5,43,习题10：,”,”,”（”）,2020/6/5,44,习题11:电路如图所示，(用叠加定理求)电阻RL上消耗的功率为【】（a）1/24W（b）3/8W（c）1/8W（d）12W,a,2020/6/5,45,任何一个有源二端线性网络都可以用一个电压为US的理想电压源和内阻R0串联的电源来等效代替。,等效电源的内阻R0等于有源二端网络中所有电源均除去后所得到的无源二端网络a、b两端之间的等效电阻Rab。,等效电源的电压是有源二端网络的开路电压U0。,等效电源,4、戴维南定理,2020/6/5,46,习题12：用戴维宁定理定理将图示电路等效为电压源。,2020/6/5,47,习题13：图示电路中,电压为【】A.30VB.9VC.10VD.6V,C,2020/6/5,48,有储能元件（L、C）的电路在电路状态发生变化时（如：电路接入电源、从电源断开、电路参数改变等）存在过渡过程；没有储能作用的电阻（R）电路，不存在过渡过程。,电路中的u、i在过渡过程期间，从“旧稳态”进入“新稳态”，此时u、i都处于暂时的不稳定状态，所以过渡过程又称为电路的暂态过程。,产生过渡过程的电路及原因?,8.3.2、电路的暂态过程分析,2020/6/5,49,（仅适用一阶电路直流激励）,三要素法,2020/6/5,50,、uc(0+)与iL(0+)按换路定则求出，如果：换路前电路处于稳态,C视作开路,iL(0+)=iL(0-),(2)其它电路变量的初始值,1初始值f(0+)的计算,应画出t=0+的等效电路，然后按电阻电路计算,L视作短路,uc(0+)=uc(0-),2020/6/5,51,在t的等效电路中，因为直流作用,电感视作短路,2稳态值f()的计算,当t，作出t的等效电路，然后按电阻电路计算,电容视作开路,所以,2020/6/5,52,习题：,电路如图，t=0时合上开关S，合S前电路已处于稳态。试求电容电压。,(1)确定初始值,由t=0-电路可求得,由换路定则,2020/6/5,53,(2)确定稳态值,由换路后电路求稳态值,(3)由换路后电路求时间常数,2020/6/5,54,uC的变化曲线如图,2020/6/5,55,习题（2007年）,2020/6/5,56,8.3.3、正弦交流电路分析1、正弦交流电的三要素2、正弦交流电的表示法,2020/6/5,57,波形图,瞬时值,相量图,复数符号法,正弦量的三个要素及四种表示法,2020/6/5,58,正弦量的相量表示,式中:,(2)指数式,2020/6/5,59,正误判断,1.已知：,？,有效值,？,3.已知：,复数,瞬时值,j45,？,最大值,？,？,负号,2020/6/5,60,例16:已知,有效值I=16.8A,求：,8.3.4单相交流电路,2020/6/5,61,1单一参数正弦交流电路的基本关系,2020/6/5,62,2、R-L-C串联交流电路,令,2020/6/5,63,关于复数阻抗Z的讨论,结论：的模为电路总电压和总电流有效值之比，而的幅角则为总电压和总电流的相位差。,2020/6/5,64,有功功率P,有功功率等于电路中各电阻有功功率之和，或各支路有功功率之和。,无功功率Q等于电路中各电感、电容无功功率之和，或各支路无功功率之和。,或,或,2020/6/5,65,阻抗三角形、电压三角形、功率三角形,将电压三角形的有效值同除I得到阻抗三角形,将电压三角形的有效值同乘I得到功率三角形,2020/6/5,66,a.下列各图中给定的电路电压、阻抗是否正确？,习题17,2020/6/5,67,c.图示电路中,已知,电流表A1的读数为3A,试问(1)A2和A3的读数为多少?,(2)并联等效阻抗Z为多少?,习题18,2020/6/5,68,正弦交流电路的分析和计算,若正弦量用相量表示，电路参数用复数阻抗（)表示，则直流电路中介绍的基本定律、定理及各种分析方法在正弦交流电路中都能使用。,相量形式的基尔霍夫定律,相量（复数）形式的欧姆定律,2020/6/5,69,一般正弦交流电路的解题步骤,1.根据原电路图画出相量模型图(电路结构不变),2.根据相量模型列出相量方程式或画相量图,3.用相量法或相量图求解,4.将结果变换成要求的形式,2020/6/5,70,习题19：.图示电路,正弦电流i2的有效值I2=lA.电流i3的有效值I3=2A,因此电流I1的有效值等于多少?,(A).,(B).1+2=3A(C).2-l=lA(D).不能确定,2020/6/5,71,习题20：图示电路,u=141sin(314t-30)V,i=14.lsin(314t-60)A,这个电路的有功功率P等于多少?,(A).500w(B).866W(C).l000W(D).1988W,2020/6/5,72,习题21、两阻抗Z1和Z2串联，施加一正弦电压u，今测得两阻抗的电压u1，u2波形如图所示。求：(1)电源电压u=?,2020/6/5,73,8.3.5、三相交流电路分析,-为相电压-为线电压,在日常生活与工农业生产中，多数用户的电压等级为,1、三相电源：,2020/6/5,74,相量图,波形图,相量表示,三相电压瞬时表示式,2020/6/5,75,负载形接法,对称负载下：,负载Y形接法,A,C,B,Z,Z,Z,2、三相负载：,2020/6/5,76,负载星形接法时的一般计算方法,2020/6/5,77,讨论：若一楼（A相）断开，二楼（B相）三楼（C相）接通。但两层楼灯的数量不等（设二楼灯的数量为三层的1/4）结果如何？,结果：二楼灯泡上的电压超过额定电压，灯泡被烧。,分析,如果采用三项四线制（有中线），结果如何。,2020/6/5,78,习题22：,2020/6/5,79,习题2,2020/6/5,80,习题2、图示对称三相电路中，已知电源线电压为380v，三相负载功率P是【】A.1341wB.775wC.2323wD.4023w,2020/6/5,81,*安全用电常识,1.电气事故的原因,1)违章操作,2)施工不规范,3)产品质量不合格,4)偶然条件,2020/6/5,82,2.触电方式,A.接触正常带电体,(1)电源中性点接地的单相触电,通过人体电流:,式中:UP:电源相电压(220V)Ro:接地电阻4Rb:人体电阻1000,这时人体处于相电压下，危险较大。,2020/6/5,83,(2)电源中性点不接地系统的单相触电,R,对地绝缘电阻,Ib,人体接触某一相时，通过人体的电流取决于人体电阻Rb与输电线对地绝缘电阻R的大小。若输电线绝缘良好，绝缘电阻R较大，对人体的危害性就减小。,但导线与地面间的绝缘可能不良(R较小)，甚至有一相接地，这时人体中就有电流通过。,2020/6/5,84,(3)双相触电,双相触电,触电后果更为严重,通过人体的电流：,B.接触正常不带电的金属体,当电气设备内部绝缘损坏而与外壳接触，将使其外壳带电。当人触及带电设备的外壳时，相当于单相触电。大多数触电事故属于这一种。,这时人体处于线电压下,Ib,2020/6/5,85,4、接地和接零,为了人身安全和电力系统工作的需要，要求电气设备采取接地措施。按接地目的的不同，主要分为工作接地、保护接地和保护接零。,A.工作接地,即将电源中性点接地。,目的：,(1)降低触电电压,(2)迅速切断故障在中性点接地的系统中，一相接地后的电流较大，保护装置