司机电工基础一(1)

1、机车乘务员通用知识课题一课题一 电工电子基础电工电子基础第一节第一节 直流电路直流电路第二节第二节 电磁感应电磁感应第三节第三节 交流电路交流电路第五节第五节 电力电子简介电力电子简介第四节第四节 半导体基础知识半导体基础知识第一节第一节 电路的基本概念与直流电路电路的基本概念与直流电路本节主要内容本节主要内容: 1. 电路的基本知识电路的基本知识 2. 欧姆定律欧姆定律 3. 电路状态电路状态 4. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律一一 电路的基本知识电路的基本知识l电路电路: 电路是电流通过的路径。电路是电流通过的路径。l电路的作用电路的作用: 实现电能的传输和转换；实现电能的传输和转换；加工和处

2、理信号。加工和处理信号。l电路的组成：电源电路的组成：电源+负载负载+连接导线连接导线+控控制装置（中间环节）制装置（中间环节）l实际电路实际电路都是根据人们的需要将实际的都是根据人们的需要将实际的电路元件或器件搭接起来，以完成人们电路元件或器件搭接起来，以完成人们的预想要求。由的预想要求。由理想电路元件理想电路元件组成的电的电路就是路就是电路的电路模型电路模型。电路与电路模型电路与电路模型l实际电路：实际电路：l电路模型：电路模型：电源内部的电路称为电源内部的电路称为内电路，电源以外的内电路，电源以外的所有导线、开关及负所有导线、开关及负载电路称为外电路。载电路称为外电路。导线开关电池灯泡+

3、R0R开关E干电池电珠S导线开关电池+R0R开关E干电池电珠SI1.电的本质电的本质任何物质都是由基本的微粒任何物质都是由基本的微粒原子所组成的，原子由原子所组成的，原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电，核外电子带原子核和核外电子组成，原子核带正电，核外电子带负电。核外电子围绕原子核高速运转，他们的带电量负电。核外电子围绕原子核高速运转，他们的带电量正好相等，极性相反，所以物质内部尽管有正电荷和正好相等，极性相反，所以物质内部尽管有正电荷和负电荷，但宏观看来不带电。负电荷，但宏观看来不带电。当因为某种原因使原子失去电子时，则原子带正电；得当因为某种原因使原子失去电子时，则原子带正电；得到电

4、子时，则原子带负电。到电子时，则原子带负电。比如，丝绸和橡胶棒摩擦，橡胶棒带负电，丝绸带正电。比如，丝绸和橡胶棒摩擦，橡胶棒带负电，丝绸带正电。干燥的天气时梳头，头发和梳子都会带电。干燥的天气时梳头，头发和梳子都会带电。 2.电场和电场强度电场和电场强度电场电场：带电体周围空间存在着一种特殊的物质：带电体周围空间存在着一种特殊的物质电电场。电场具有以下场。电场具有以下两个重要特性两个重要特性：一是位于电场中：一是位于电场中的任何带电体、磁针，都要受到电场力的作用；二的任何带电体、磁针，都要受到电场力的作用；二是电场能储存一定的能量。是电场能储存一定的能量。电场强度：电场强度：同一电场中的不同点

5、，电场的强弱是不同一电场中的不同点，电场的强弱是不一样的；在电场中的某一点，带电体所受的电场力一样的；在电场中的某一点，带电体所受的电场力与其所带的电量成正比。其比值与其所带的电量成正比。其比值F/q不变。不变。 带电体在电场中某一点所受的力与他所带电带电体在电场中某一点所受的力与他所带电量的比值量的比值叫叫做该点的做该点的电场强度电场强度，用，用E表示。即表示。即E=F/q 单位：单位：N/cF的单位为牛顿，的单位为牛顿，q的单位为库仑。的单位为库仑。3.电流与电流强度电流与电流强度概念概念:电荷有规则的定向电荷有规则的定向 运动运动大小大小:单位时间通过导体单位时间通过导体横截横截 面的电

6、荷量面的电荷量方向方向:正电荷移动的方向，正电荷移动的方向，电子流动的反方向电子流动的反方向单位单位:安培安培(A) 毫安毫安(mA) 微安微安( A) abSIab I = q / t (直流直流)电流的分类电流的分类l直流电流：又叫稳恒电直流电流：又叫稳恒电流，电流的流，电流的大小大小和和方向方向都不随时间变化都不随时间变化l脉动电流：电流的大小脉动电流：电流的大小随时间变化，但方向不随时间变化，但方向不随时间变化随时间变化l交流电流：电流的大小交流电流：电流的大小和方向都随时间变化和方向都随时间变化4.电位和电压电位和电压l电位：由于电场的作用，电场（即电路）电位：由于电场的作用，电场（

7、即电路）中的电荷在任一位置，都具有一定的能中的电荷在任一位置，都具有一定的能量。电荷在电路中某点所具有的能量与量。电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电量的比，电荷所带电量的比，即单位正电荷在某即单位正电荷在某点所具有的电位能，叫做该点的电位，点所具有的电位能，叫做该点的电位，一般用一般用V表示。表示。l电位的单位：伏特电位的单位：伏特(V) ， 千伏千伏(kV) 毫伏毫伏(mV)电 压电 压l概念：概念：电路中任意两点间的电位差，叫电压。电路中任意两点间的电位差，叫电压。电压一般用电压一般用U表示，如表示，如Uab=Vb-Val方向方向：正电荷在电场的作用下，从高电位向低：正电荷在电场的作

8、用下，从高电位向低电位移动。规定这时正电荷的的移动方向为电电位移动。规定这时正电荷的的移动方向为电压的正方向。压的正方向。l单位单位：同电位：同电位 伏特伏特(V) 千伏千伏(kV) 毫伏毫伏(mV)如图为如图为关 联 方 向关 联 方 向定义的定义的电压和电流电压和电流电 压电 压l关联方向关联方向 当当a、b两点间所选择的电压参考两点间所选择的电压参考方向由方向由a指向指向b时，也选择电流的参考方向经电时，也选择电流的参考方向经电路由由路由由a指向指向b，这种参考方向的定义方式成为这种参考方向的定义方式成为关联方向。关联方向。abIUabIU5.电源与电动势电源与电动势l电源：把其他形式的

9、能量转化为电源：把其他形式的能量转化为电能，如干电池或蓄电池、光电电能，如干电池或蓄电池、光电池、发电机等。池、发电机等。l 为维持导体中的电流能够连续不为维持导体中的电流能够连续不断地流过，就要将断地流过，就要将b端的正电荷移端的正电荷移至至a端。为此就必须要有另一种力端。为此就必须要有另一种力去克服电场力而使去克服电场力而使b端的正电荷移端的正电荷移至至a端。这就是端。这就是电源力电源力(非静非静电力电力)。IEabUab+_ab电 源 力电 源 力电 动 势电 动 势l大小：电源电动势大小：电源电动势Eab的数值等于电源力把单位的数值等于电源力把单位正电荷从电源的低电位端经电源内部移到电

10、源高正电荷从电源的低电位端经电源内部移到电源高电位端所作的功。电位端所作的功。l方向：电动势的实际方向是由电源低电位端指向方向：电动势的实际方向是由电源低电位端指向电源高电位端。电源高电位端。在分析问题时可设参考方向在分析问题时可设参考方向。l单位：电动势与电压的单位相同。为伏特单位：电动势与电压的单位相同。为伏特(V)电 动 势电 动 势l例题例题+R0U=2.8VU =-2.8VI=0.28AI =-0.28Al如图所示如图所示E=3V电动势为为E=3V方向由负极方向由负极指向正极指向正极 端电压为为U=2.8V 由由 指指电流为为I=0.28A 由由 流向流向 6.电阻和电阻定律电阻和电

11、阻定律物质导电能力的强弱，一般可分为物质导电能力的强弱，一般可分为导体、绝缘体和导体、绝缘体和半导体。电阻率很小易于导电的物质称为导体；半导体。电阻率很小易于导电的物质称为导体；反之称为绝缘体。反之称为绝缘体。电阻：电子在导体内移动时，导体阻碍电子移动的电阻：电子在导体内移动时，导体阻碍电子移动的能力称为电阻，用能力称为电阻，用R表示。表示。电阻定律：电阻定律：一定材料制成的导体电阻与导体的长度一定材料制成的导体电阻与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比。成正比，与导体的截面积成反比。R= =L L/ /S S电导的概念，电导的概念，G=1/R G=1/R 单位：西门子单位：西门子电阻的单位

12、：电阻的单位：欧姆欧姆( ) 千欧千欧(k ) 、兆欧兆欧(M ) 7.电功和电功率电功和电功率l电功：电功：电流能使电灯发光，发动机转动，电电流能使电灯发光，发动机转动，电炉发热等等，这些都是电流做功的表现。炉发热等等，这些都是电流做功的表现。电电流所做的功为：流所做的功为：W=UItl电功的单位是焦耳（电功的单位是焦耳（J）。一度电是多少？。一度电是多少？l焦耳焦耳-楞次定律：导体中通过楞次定律：导体中通过电流时产生的热电流时产生的热量与电流的平方、导体的电阻及电流通过导量与电流的平方、导体的电阻及电流通过导体的时间成正比。用公式表示即体的时间成正比。用公式表示即 Q=电流的平方电流的平方

13、Rt 7.电功和电功率电功和电功率l电功率：电功率：电流在单位时间内所作的功叫电功电流在单位时间内所作的功叫电功率。率。P=W/t=UI=?=?l电功率的单位是瓦特（电功率的单位是瓦特（W），千瓦（），千瓦（kW）。）。机车的功率是多少千瓦？机车的功率是多少千瓦？l电功率与机械功率的换算：电功率与机械功率的换算： 1马力马力=736瓦（瓦（W）=0.736千瓦（千瓦（kW） 1千瓦（千瓦（kW）=1.36马力马力二、欧姆定律二、欧姆定律l欧姆定律：欧姆定律： 流过电阻的电流大小与流过电阻的电流大小与电阻两端的电压成正比。电阻两端的电压成正比。RIU或者表示为：或者表示为：IRU l上述表述又称

14、为部分上述表述又称为部分电路欧姆定律电路欧姆定律 UIRl应用欧姆定律求出如下各图的电阻值。应用欧姆定律求出如下各图的电阻值。欧姆定律欧姆定律欧姆定律的应用UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)IUR 326IUR26 3电阻的联接电阻的联接欧姆定律的应用l用电器的联接方式有串联、并联和混联用电器的联接方式有串联、并联和混联3种。种。l串联电路的总电阻等于各电阻之和。串联电路的总电阻等于各电阻之和。IR1+UR2RnRI+U+U1+U2+UnnRRRR21电 阻 的 连 接电 阻 的 连 接欧姆定律的应用l串联电路中电流处处相等串联电路中电流处处相等 I=I1=I2=I3=l总电阻等于各电

15、阻之和总电阻等于各电阻之和 R总总=R1+R2+R3+l总电压等于各电阻上的电压降之和总电压等于各电阻上的电压降之和 U总总=U1+U2+U3+电路的端电压电路的端电压电阻串联电路的特点：电阻串联电路的特点：电阻的联接电阻的联接欧姆定律的应用I1 I2 InR1I+UR2RnRI+Un个电阻并联可等效为一个电阻个电阻并联可等效为一个电阻nRRRR111121电 阻 的 联 接电 阻 的 联 接欧姆定律的应用l并联电路中总电流等于各用电器支路电流之和并联电路中总电流等于各用电器支路电流之和 I 总总= I1+I2+I3+ l总电阻等于各电阻倒数和的倒数总电阻等于各电阻倒数和的倒数 R总总=1/(

16、1/R1+1/R2+1/R3+) )l总电压与各用电器电压相等总电压与各用电器电压相等 U总总=U1=U2=U3=电阻并联电路的特点：电阻并联电路的特点：三三 电路工作状态电路工作状态l全电路欧姆定律：全电路欧姆定律：全电路中，电流全电路中，电流I的大小与电源电动的大小与电源电动势势E成正比，而与电路中的总电阻（外电路电阻与电源成正比，而与电路中的总电阻（外电路电阻与电源内部电阻之和）成反比。即内部电阻之和）成反比。即I=E/(R+r)l本节讨论问题的理论依据是本节讨论问题的理论依据是欧姆定律欧姆定律 rEUabR如图电路：E 为电源的电动势为电源的电动势U 为电源的端电压为电源的端电压r 为

17、电源的内阻为电源的内阻R 为电路负载电阻为电路负载电阻1. 有载工作状态有载工作状态l当开关闭合，电源与负载接通，当开关闭合，电源与负载接通，即电路处于有载工作状态。即电路处于有载工作状态。UabR0ERI电路中的电流为电路中的电流为 I=E/(R0+R)负载电阻两端的电压为负载电阻两端的电压为 U=IR当电源电动势当电源电动势E和和内阻内阻R0一一定定时负载电阻时负载电阻R愈小，则电愈小，则电流流I愈大。愈大。可见电源端电压小于电动势，二者可见电源端电压小于电动势，二者之差为电源内阻的电压降之差为电源内阻的电压降IR0即即 U=E-IR0 有载工作状态有载工作状态l一般常见电源的内阻一般常见

18、电源的内阻都很小当都很小当R0R时，时， 则则 U ER0EUabRI有载工作状态有载工作状态l当式当式U=E-IR0各项乘以各项乘以电流电流I时，得到时，得到 UI= EI-I2R0R0EUabRI式中：式中： PE=EI 为电源产生的功率为电源产生的功率 P= I2R0 为电源内阻上消耗的功率为电源内阻上消耗的功率 P=U I 为电源输出的功率为电源输出的功率l单位：功率的单位是瓦特单位：功率的单位是瓦特(W)或千瓦或千瓦(kW)l1W功率的含义是：在功率的含义是：在1s时间内，转换时间内，转换1J的能量。的能量。l电气设备的名牌电气设备的名牌. 电气设备或元器件的标定值通常标注在其名牌上

19、或记载在说明书中，这些标定值都是给定的额定值，如UN表示额定电压、IN表示额定电流、PN表示额定功率。 在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。 注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。 例如：一只220V，40W的白炽灯，正常工作的电流为 I=40/220=0.182A，24小时消耗电能W = P t = 4024=96Wh。2. 开路（断路）工作状态开路（断路）工作状态l如图电路：当开关断开时，如图电路：当开关断开时，电流电流中断不能流通则处于断路状态。中断不能流通则处于断路状态。R0EU= U0abRI= 0l开路时，外电路

20、的电阻为无穷开路时，外电路的电阻为无穷大，电路中的电流大，电路中的电流 I 为零。为零。l电源的端电压电源的端电压(称为开路电压称为开路电压或空载电压或空载电压 U0 ) 等于电源的等于电源的电动势，电源不输出电能。电动势，电源不输出电能。电路开路时的特征为电路开路时的特征为I = 0U = U0 = EP = 03. 短路工作状态短路工作状态l电源两端由于某种原因通过了电阻电源两端由于某种原因通过了电阻几乎为零的电路而联在一起时，称几乎为零的电路而联在一起时，称电源被短路。电源被短路。短路时，可将电源外短路时，可将电源外电阻视为零，电流有捷径流过而不电阻视为零，电流有捷径流过而不通过负载。通

21、过负载。R0EabRIScdl由于由于R0很小，所以此时电流很大，很小，所以此时电流很大，称之为短路电流称之为短路电流 Is 。使电路产生。使电路产生高热，从而使电源、电器、仪表高热，从而使电源、电器、仪表等设备损坏。等设备损坏。U = 0I = Is = E / R0P = P = I2 R0电路短路时的特征为电路短路时的特征为 分析分析 “电路电路” 问题的问题的 核心点核心点l任何电路，都是在任何电路，都是在电动势、电电动势、电压压或或电流电流的作用下进行工作的，的作用下进行工作的，对于对于电路的分析和计算就是要电路的分析和计算就是要讨论电压、电动势和电流状态讨论电压、电动势和电流状态以

22、及它们之间的关系。以及它们之间的关系。四四 基尔霍夫定律基尔霍夫定律l根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的，的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的，为此本节讨论为此本节讨论基尔霍夫定律基尔霍夫定律，它亦是分析与计，它亦是分析与计算电路的算电路的基本方法基本方法。基尔霍夫定律基尔霍夫定律分为两个部分，即：分为两个部分，即：1.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL) 应用于应用于节点节点2.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL) 应用于应用于回路回路名词、概念名词、概念1. 支路支路：电路中的每一个分支，

23、称为支路。它是由若电路中的每一个分支，称为支路。它是由若干个二端元件干个二端元件串联串联而成。而成。2. 节点节点：电路中三条或三条以上：电路中三条或三条以上的支路相联结的点称为节点。的支路相联结的点称为节点。abcdI2I3一条支路中各部分都流过一个相一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为同的电流，称为支路电流支路电流。如图中的如图中的ab、acb 及及adb共共3条支路。条支路。I1如图中的如图中的I1、 I2及及I3共共3个电流。个电流。图中共有图中共有a、b两个节点。两个节点。名词、概念名词、概念(2)l回路：回路：是由一条或多条支路所组成的闭合电路。是由一条或多条支路所组成的闭合

24、电路。网孔：网孔：网孔是回路，但认定网孔是回路，但认定的网孔一定要比其他网孔包的网孔一定要比其他网孔包含有新的支路。含有新的支路。如图电路如图电路: adbca、abca 和和 abda 共三个回路。共三个回路。abcdI2I3I1如图电路如图电路: 当认定当认定adbca和和abca 是网孔时，是网孔时， abda 就就不能认为是网孔，它所包含不能认为是网孔，它所包含的支路都已被前两个网孔所的支路都已被前两个网孔所包含。包含。名词、概念名词、概念(3)acdI2I1I3当然，当认定当然，当认定adba和和abca 是网孔时，是网孔时， acbda 就就不是网孔，因其支路都已被前两个网孔所包含

25、。不是网孔，因其支路都已被前两个网孔所包含。同样，当认定同样，当认定acbda 和和 adba 是网孔时，是网孔时，abca 就就不再认定是网孔，其支路不再认定是网孔，其支路也已被前两个网孔所包含。也已被前两个网孔所包含。l因此，不能认为所有的因此，不能认为所有的回路都是网孔。回路都是网孔。b定律定律(1)KCLacdI2I1I3KCL 也可表述为，也可表述为，在任一在任一瞬时，流入某一节点的电瞬时，流入某一节点的电流代数和恒为零流代数和恒为零。如图对于节点如图对于节点 a ： 流入电流流入电流 = 流出电流流出电流 I1 + I2 = I3或或 I1 + I2 - I3 =0bcl基尔霍夫定

26、律基尔霍夫定律（克希荷夫第一定律）（克希荷夫第一定律）(kcl) ：在任一瞬时，：在任一瞬时，流向某一节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。流向某一节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。由此，由此，KCL亦可表示为：亦可表示为：定律定律(1)KCL 0iI如图：如图：3个电阻的节点个电阻的节点A、B和和C可看成为广义节点。可看成为广义节点。ABCIABICAIBCIAIBIC对于节点对于节点A、B及及C，可分别可分别列出列出KCL方程：方程：IAIABICAIBIBCIABICICAIBCIA+IB+IC=0即即 I=0定律定律(2)KVL基尔霍夫基尔霍夫电压定律电压定律(KVL)是用

27、来确定回路中是用来确定回路中各段各段电压电压间关系的。它应用于间关系的。它应用于回路。回路。应用上式的方应用上式的方法之一为法之一为数电压法：数电压法：l基尔霍夫定律基尔霍夫定律 （克希荷夫第二定律）（克希荷夫第二定律） (KVL)：在闭合电在闭合电路中，所有电动势的代数和等于接在这个电路内各电阻路中，所有电动势的代数和等于接在这个电路内各电阻上电压降的代数和。上电压降的代数和。l或者说，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。或者说，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。“数电压法数电压法”公式为公式为: 末点电位末点电位=起点电位起点电位+数电压一周数电压一周 (上升上升“+”,下降下降

28、“-”)KVL的应用的应用如电路中如电路中dabd回路，回路，沿逆时针绕行方向沿逆时针绕行方向da段电阻上为段电阻上为电压降电压降 Uda=I2R2 ab段电阻上亦为段电阻上亦为电压降电压降 Uab=I3R3 而而bd段电源部分为段电源部分为电压升电压升，即即 Ubd=E2由由KVL可得：可得： E2 =I2R2 +I3R3 acdI2I1I3bcR1R2R3E2克希荷夫电压定律克希荷夫电压定律还可以叙述为：沿任一回路绕还可以叙述为：沿任一回路绕行一周，回路各段的行一周，回路各段的电压降电压降代数和代数和恒为零恒为零。KVL的应用的应用acdI2I1I3bcR1R2R3E2E1ac段段(+ I

29、1 R1), cb段段(- E1), bd段段(+ E2), da段段(- I2 R2)表达式为表达式为:Va= Va+I1R1-E1+ +E2-I2R2即即 ( E Ii Ri) 从回路中任一点从回路中任一点 a 数起，沿回路绕行一周再数回数起，沿回路绕行一周再数回到到a点，电位值不变点，电位值不变(如如adbca回路回路):公式为公式为:末点电位末点电位=起点电位起点电位+数电压一周数电压一周 (上升上升+,下降下降-)如图电路：如图电路：UAB=VA-VB数电压法数电压法还可以应用于任意的部分电路。还可以应用于任意的部分电路。KVL的应用的应用公式为公式为: 末点电位末点电位=起点电位起点电位+从起点数电压到末点。从起点数电压到末点。ABCUAUBUABVB= VA UA+UB即：即：UAB=VA-VB= UA-UB或或 VA= VB UB+UA注意事项：注意事项：l应用应用基尔霍夫定律基尔霍夫定律时，要认清研究对象，对电时，要认清研究对象，对电路中的各个路中的各个电流电流和各段和各段电压电压及各电源的及各电源的电动势电动势选好选好参考方向参考方向。l对于对于KCL的应用，要选好节点，对与该节点有的应用，要选好节点，对与该节点有关的电