电工技术第一章

1、电工技术电工技术 沈阳城市建设学院沈阳城市建设学院 信息与控制工程系教研室信息与控制工程系教研室 主讲主讲: : 李晶晶李晶晶课程定位：课程定位：1. 性质：研究电路基本规律的一门专业技性质：研究电路基本规律的一门专业技术基础课，是工学各专业的必修课。术基础课，是工学各专业的必修课。2. 内容：内容：电路的基本知识、分析电路的规律与方法、电路的基本知识、分析电路的规律与方法、初步的实验技能。初步的实验技能。3. 要求：先修高等数学、大学物理的电磁学要求：先修高等数学、大学物理的电磁学课程性质：课程性质： 专业基础课（考查）专业基础课（考查）课时安排：课时安排： 40学时（学时（32理论理论+8

2、实验）实验） 2.5学分学分重点讲解：重点讲解： 第第1章章第第4章章考核标准：考核标准： 平时成绩平时成绩40分分 （出勤（出勤20分、课堂表现分、课堂表现10分、实验分、实验+作业作业10分）分） 期末成绩期末成绩60分分注意：缺课达到注意：缺课达到1/3者，取消考试资格！者，取消考试资格！ 第第1章章 电路电路 1.1 电路的基本概念电路的基本概念1.2 电路基本元件电路基本元件1.3 电路的工作状态电路的工作状态1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.5 两种电源模型及其等效变换两种电源模型及其等效变换 1.6 电位概念及其计算电位概念及其计算本章要求本章要求: :1. 理解电压与电流参考

3、方向的意义理解电压与电流参考方向的意义;2. 理解电路的基本定律并能正确应用理解电路的基本定律并能正确应用;3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态了解电路的有载工作、开路与短路状态;4. 理解电路中电位的概念及计算等。理解电路中电位的概念及计算等。第第1章章 电路电路 1.1 电路的基本概念电路的基本概念(1) 实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换1. 电路的作用电路的作用 电路是电流流通的路径，是由某些电气设备和电电路是电流流通的路径，是由某些电气设备和电气元件作为实现能量的输送和转换，或实现信号的传气元件作为实现能量的输送和转换，或实现信号的传递和处理而按一定方式组合起来

4、的整体。递和处理而按一定方式组合起来的整体。 (2) 实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理2. 2. 电路的组成部分电路的组成部分中间环节：中间环节：传递、分传递、分配和控制电能的作用配和控制电能的作用电源电源: : 提供提供电能的装置电能的装置负载负载: : 取用取用电能的装置电能的装置直流电源直流电源直流电源直流电源: : 提供能源提供能源负载负载信号源信号源: : 提供信息提供信息2. 电路的组成部分电路的组成部分信号处理：信号处理：放大、调谐、检波等放大、调谐、检波等 电路模型电路模型 在设计电路中，通常用在设计电路中，通常用电路图电路图来表示电来表示电路。各种电器元件采用统一规定

5、的图形符号路。各种电器元件采用统一规定的图形符号来表示，来表示，用理想元件构成的电路称为实际电用理想元件构成的电路称为实际电路的路的“电路模型电路模型”。在进行理论分析时所指的电路，都是电路模型。在进行理论分析时所指的电路，都是电路模型。手电筒的电路模型手电筒的电路模型干电池干电池导线导线灯泡灯泡 电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电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。路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。是在已知电路结构和参数的条件下，是在已知电路结构和参数的条件下，讨论讨论与与的关系。的关系。手电筒电路手电筒电路 实际方向实际方向

6、电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、电量、磁通、电功率、电能等。在线性电路分析电量、磁通、电功率、电能等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。下面主要介绍电流和电压的实际方向和参考方向。下面主要介绍电流和电压的实际方向和参考方向。1. 电路基本物理量的实际方向电路基本物理量的实际方向习惯上规定习惯上规定电流的实际方向：电流的实际方向： 正电荷运动的方向或负电荷正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向运动的反方向单位：单位： A（安（安培培）、）、kA、mA、 A1kA=103A1mA=10-3A1

7、 A=10-6A直流电流直流电流DC：电流的大小和方向都不随时间变化，电流的大小和方向都不随时间变化， 用用I表示。表示。交流电流交流电流AC：电流的大小和方向都随时间变化，电流的大小和方向都随时间变化， 用用i表示。表示。 电流的值：电流的值：tqtqtitddlim)(0def单位：单位：V（伏（伏 特特）、）、kV、mV、 VdefddWuq电压的实际方向：电压的实际方向：指电场力把单位正电荷从电路中指电场力把单位正电荷从电路中的一点移到另一点所做的功。的一点移到另一点所做的功。即：电位真正降低的方向。即：电位真正降低的方向。直流电压用直流电压用U表示，交流电压用表示，交流电压用u表示。

8、表示。 参考方向参考方向在电路分析中，电流和电压实际方向有时难在电路分析中，电流和电压实际方向有时难以确定，可以任意选定一个方向作为电流或电以确定，可以任意选定一个方向作为电流或电压的参考方向（也称为正方向）。压的参考方向（也称为正方向）。i 电流参考方向电流参考方向AB电流的参考方向与实际方向的关系：电流的参考方向与实际方向的关系：电流实际方向电流实际方向i 0i 电流参考方向电流参考方向AB电流实际方向电流实际方向i 0电压的参考方向与实际方向的关系：电压的参考方向与实际方向的关系：AB电压实际方向电压实际方向+ 电压参考方向电压参考方向+U 0如果电压值为正，则表示电压实际方向与参考方如

9、果电压值为正，则表示电压实际方向与参考方向相同；向相同；如果电压值为负，则表示电压实际方向与参考方如果电压值为负，则表示电压实际方向与参考方向相反。向相反。AB电压参考方向的三种表示方式：电压参考方向的三种表示方式：(1)(1)用用箭头箭头表示：表示：(2)(2)用用正、负极性正、负极性表示：表示：(3)(3)用用双下标双下标表示：表示：UU+ABUAB反之，称为反之，称为非关联参考方向。非关联参考方向。关联参考方向关联参考方向非关联参考方向非关联参考方向I+-+-Iuu关联参考方向：关联参考方向：如果指定流过元件的电流的参考方向是从电压正如果指定流过元件的电流的参考方向是从电压正极性的一端指

10、向负极性的一端，即两者的参考方极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致。则把电流和电压的这种参考方向称为关向一致。则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向。联参考方向。注意：注意：（1）参考方向是规定的电流、电压为正的方向，在分析）参考方向是规定的电流、电压为正的方向，在分析问题时需要先规定参考方向，然后根据规定的参考方向问题时需要先规定参考方向，然后根据规定的参考方向列写方程；列写方程；（2）参考方向一经规定，在整个分析计算过程中不能变动；）参考方向一经规定，在整个分析计算过程中不能变动；（3）不标明参考方向而说某电流或电压的值为正或者负是）不标明参考方向而说某电流或电压的值为正

11、或者负是没有意义的。没有意义的。（4）参考方向可以任意规定，不影响计算结果。因为参考）参考方向可以任意规定，不影响计算结果。因为参考方向相反时，解出的电流、电压也要改变正负号，最后得方向相反时，解出的电流、电压也要改变正负号，最后得到的实际结果仍然相同。到的实际结果仍然相同。（5）参考方向的正负只是表示参考方向与实际方向是相同）参考方向的正负只是表示参考方向与实际方向是相同或相反，与电流或电压的大小无关。或相反，与电流或电压的大小无关。（6）在分析计算电路时，无源元件（如电阻）常取关联参）在分析计算电路时，无源元件（如电阻）常取关联参考方向；有源元件（如电源）常取非关联参考方向。考方向；有源元

12、件（如电源）常取非关联参考方向。1.2 电路基本元件电路基本元件理想电路元件包括：理想电路元件包括：理想无源元件理想无源元件 理想电源元件理想电源元件 理想无源元件包括：理想无源元件包括：理想电阻元件理想电阻元件 理想电容元件理想电容元件 理想电感元件理想电感元件电阻电阻耗能元件耗能元件电容、电感电容、电感储能元件储能元件理想电源元件包括：理想电源元件包括：理想电压源、理想电流源理想电压源、理想电流源1.2.1 电阻元件电阻元件l 电路符号电路符号R电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可对电流呈现阻力的元件。其特性可用用u - i平面上的一条曲线来描述：平面上的一条曲线来描述：0),(

13、iufiu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。伏安伏安特性特性O1. 定义定义2. 线性时不变电阻元件线性时不变电阻元件电路端电压与电流的关系称为伏安特性。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。段电路电压与电流的比值为常数。线性电阻的概念：线性电阻的概念：常数常数即：即： IUR 线性电阻的伏安特性是线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。一条过原点的直线。l u u- -i i 关系关系R 称为电阻，单位：称为电阻，单位： (欧欧 姆姆 )满足欧

14、姆定律满足欧姆定律GuRuiiuR l 单位单位G 称为电导，单位称为电导，单位：S (西西门子门子) u、i 取关联取关联参考方向参考方向Riu 伏安特伏安特性曲线性曲线为一条为一条过原点过原点的直线的直线uiORui+ 如电阻上的电压与电流参考方向非关如电阻上的电压与电流参考方向非关联，公式中应冠以负号。联，公式中应冠以负号。 说明线性电阻是无记忆、双向性的元说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。件。欧姆定律欧姆定律 只适用于线性电阻只适用于线性电阻( R 为常数为常数）。）。则欧姆定律写为则欧姆定律写为u R i i G u公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！注意注意R

15、ui+3.功率和能量功率和能量电阻元件在任何时刻总是吸收功率的。电阻元件在任何时刻总是吸收功率的。p u i (R i) i i2 R - u2/ Rp u i i2R u2 / Rl 功率功率表明表明Rui-+Rui+-在在 t1 到到 t2时间内，电阻上吸收（消耗）时间内，电阻上吸收（消耗）的能量：的能量：l 能量能量212ttdtRiW1.2.2 电容元件电容元件描述电容两端加电源后，其两个极板描述电容两端加电源后，其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷，在介质上分别聚集起等量异号的电荷，在介质中建立起电场中建立起电场, , 并储存电场能量的性质。并储存电场能量的性质。电容：电容：uqC

16、)(FtuCidd 当电压当电压u u变化时，在电路中产生电流变化时，在电路中产生电流: :电容元件储能电容元件储能将上式两边同乘上将上式两边同乘上 u u，并积分，则得：，并积分，则得：20021ddCuuCutuitul 电路符号电路符号Cuil 单位单位F (F (法拉法拉), ), 常用常用 F F，pFpF等表示。等表示。1F=106 F1 F =106pFu、i 取关联参取关联参考方向考方向电容元件电容元件VCR的的微分形式微分形式tuCiddl电容的电压电容的电压电流关系电流关系 当当 u 为常数为常数(直流直流)时，时，i =0。电容相当于开路，。电容相当于开路，电容有隔断直流

17、作用；电容有隔断直流作用； 当电容元件上的电压增加时，电场能量也增加；当电容元件上的电压增加时，电场能量也增加；电容元件从电源取用能量（充电）；电容元件从电源取用能量（充电）；表明表明 某一时刻电容电流某一时刻电容电流 i 的大小取决于电容电压的大小取决于电容电压 u 的的变化率，而与该时刻电压变化率，而与该时刻电压 u 的大小无关。电容的大小无关。电容是动态元件；是动态元件；221WCu当电容元件上的电压降低时，电场能量也当电容元件上的电压降低时，电场能量也减少；电容元件从电源释放能量（放电）；减少；电容元件从电源释放能量（放电）；电容元件不消耗能量，是储能元件。电容元件不消耗能量，是储能元

18、件。描述线圈通有电流时产生磁场、描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。储存磁场能量的性质。1. 物理意义物理意义iNiL电感电感: :（H H）1.2.3 电感元件电感元件电流通过电流通过N匝匝线圈产生线圈产生( (磁链磁链) )N 电流通过电流通过一匝一匝线圈产生线圈产生(磁通磁通)tiLteLdddd 3. 电感元件储能电感元件储能221LiW tiLeuLdd 根据基尔霍夫定律可得：根据基尔霍夫定律可得：将上式两边同乘上将上式两边同乘上 i ，并积分，则得：，并积分，则得：20021ddLiiLituiti 即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，即电感将电能转换为磁场能储存在线

19、圈中，当电流增大时当电流增大时, 磁场能增大磁场能增大, 电感元件从电源取用电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。电源放还能量。l 单位单位H (亨利亨利)，常用，常用 H，mH表示。表示。1H=103 mH1 mH =103 Hl线性电感的电压、电流关系线性电感的电压、电流关系u、i 取关联取关联参考方向参考方向电感元件电感元件VCR的的微分关系微分关系+-u (t)iLttiLttu d)(d dd)( 电感电压电感电压u 的大小取决于的大小取决于i 的变化率的变化率, 与与 i 的大的大小无关，电感是动态元件；

20、小无关，电感是动态元件； 当当i为常数为常数(直流直流)时，时，u =0。电感相当于短路；。电感相当于短路； 实际电路中电感的电压实际电路中电感的电压 u为有限值，则电感为有限值，则电感电流电流 i 不能跃变，必定是时间的连续函数；不能跃变，必定是时间的连续函数； 电感元件是无源元件、是储能元件，它本身电感元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。不消耗能量。表明表明1.2.4 电源元件电源元件定义：定义：给电路提供电能的元件。给电路提供电能的元件。分类：分类：独立源独立源能够独立给电路提供能量；能够独立给电路提供能量；受控源受控源给电路提供的电压或电流受其他支路给电路提供的电压或电流受其

21、他支路的电压或电流控制。的电压或电流控制。按提供能量的性质不同分为：电压源、电流源按提供能量的性质不同分为：电压源、电流源i+_ut 基本性质：基本性质：（1 1）提供恒定的电压值或固定时间函数值；）提供恒定的电压值或固定时间函数值；（2 2）电压源两端的电压由它本身决定，与流过它的电流无关；）电压源两端的电压由它本身决定，与流过它的电流无关；（3 3）电压源的电流由它本身和所连接的外电路共同决定。）电压源的电流由它本身和所连接的外电路共同决定。 Ol 电路符号电路符号l 伏安特性伏安特性ususl 电路符号电路符号u+_utOl 伏安特性伏安特性 基本性质：基本性质：（1 1）提供恒定的电流

22、值或固定时间函数值；）提供恒定的电流值或固定时间函数值；（2 2）电流源输出的电流由它本身决定，与它两端电压和外电）电流源输出的电流由它本身决定，与它两端电压和外电路无关；路无关；（3 3）电流源的电压由它本身和所连接的外电路共同决定。）电流源的电压由它本身和所连接的外电路共同决定。 isis1.3 电路的工作状态电路的工作状态 实际电路由三种工作状态：实际电路由三种工作状态：本节以简单直流电路为例介绍三种基本本节以简单直流电路为例介绍三种基本工作状态。工作状态。有载工作、开路、短路有载工作、开路、短路开关闭合开关闭合, , 接通电源与负载接通电源与负载RREI 0负载端电压负载端电压U =

23、IR 1. 电压电流关系电压电流关系(1) 电流的大小由负载决定电流的大小由负载决定(2) 在电源有内阻时，在电源有内阻时，I U 。或或 U = E IR01.3.1 有载工作状态有载工作状态UI = EI I2RoP = PE P负载负载取用取用功率功率电源电源产生产生功率功率内阻内阻消耗消耗功率功率电源输出的功率由负载决定。电源输出的功率由负载决定。负载大小的概念负载大小的概念: 负载增加指负载取用的负载增加指负载取用的电流和功率增加电流和功率增加(电压一定电压一定)。 2. 功率与功率平衡功率与功率平衡3. 电源与负载的判别电源与负载的判别 U、I 参考方向不同，参考方向不同，P =

24、UI 0，电源电源； P = UI 0，负载负载。U、I 参考方向相同，参考方向相同，P = UI 0，负载负载； P = UI 0，电源电源。 (1) 根据根据 U、I 的实际方向判别的实际方向判别(2) (2) 根据根据 U U、I I 的参考方向判别的参考方向判别电源：电源： U、I 实际方向相反，即电流从实际方向相反，即电流从“+”端流出，端流出， （发出功率）（发出功率） 负载：负载： U、I 实际方向相同，即电流从实际方向相同，即电流从“-”端流出。端流出。 （吸收功率）（吸收功率）特征特征: 开关断开开关断开I = 0电源端电压电源端电压负载功率负载功率U = U0 = EP =

25、 0电源外部端子被短接电源外部端子被短接 特征特征:0SREII U = 0 PE = P = IR0P = 01.5.3 电源短路电源短路1.5.2 电源开路电源开路 为防止事故发生，需为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或在电路中接入熔断器或自动断路器，用以保护自动断路器，用以保护电路。电路。1. 4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括：基尔霍夫定律包括：基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVL） 1. 4. 1 相关概念介绍相关概念介绍1. 几个名词几个名词123支路：支路：电路中的每一个分支。电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流

26、，称为支路电流。一条支路流过一个电流，称为支路电流。三条或三条以上支路的联接点。三条或三条以上支路的联接点。闭合的路径。闭合的路径。内部不含支路的回路。内部不含支路的回路。I1I2I31. 几个名词几个名词例例1：支路：支路：ab、bc、ca、 （共（共6条）条）回路：回路：abda、abca、 adbca （共（共7个）个）结点：结点：a、 b、c、d （共（共4个）个）网孔：网孔：abd、 abc、bcd （共（共3个）个）1.4.2 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL定律定律) 1. 定律定律 在任一瞬间，流入任一结点的电流之和等于流在任一瞬间，流入任一结点的电流之和等于流出该结点

27、的电流之和。出该结点的电流之和。 实质实质: : 或或: = 0对结点对结点 a： I1 + I2 = I3或或 I1 + I2 I3 = 0电流定律可以推广应用于包围部分电路的任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。一假设的闭合面。I =?例例:I = 0IA + IB + IC = 0广义结点广义结点在任一瞬间，沿任一闭合回路绕行一周，回路中各部分在任一瞬间，沿任一闭合回路绕行一周，回路中各部分电压的代数和恒等于零。电压的代数和恒等于零。1.4.2 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVL定律定律)1. 定律定律即：即： U = 0 在任一瞬间在任一瞬间, 沿着闭合回路的

28、某一点，按照一定的方向绕沿着闭合回路的某一点，按照一定的方向绕行一周，各元件上的电位升之和等于电位降之和。行一周，各元件上的电位升之和等于电位降之和。对回路对回路1：对回路对回路2： E1 = I1 R1 +I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 121. 列方程前列方程前标注标注回路绕行方向；回路绕行方向； 电位升电位升 = 电位降电位降 E2 =UBE + I2R2 U = 0 I2R2 E2 + UBE = 02. 应用应用 U = 0项前符号的确定：项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则电位升就

29、取负号。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开口电压可按回路处理 注意：注意：对回路对回路1：11. 5 两种电源模型及其等效变换两种电源模型及其等效变换电压源模型：用理想的电压源与电阻的串联表示。电压源模型：用理想的电压源与电阻的串联表示。电流源模型：用理想的电流源与电阻的并联表示。电流源模型：用理想的电流源与电阻的并联表示。 电压源模型电压源模型1. 定义：任何电源都含有一定的内阻，用一个理想的电压定义：任何电源都含有一定的内阻，用一个理想的电压源和一个电阻的串联形式来表示实际的电压源模型，简称源和一个电阻的串联形式来表示实际的电压源模型，简称电压源。电压源。

30、2. 电压源模型电压源模型i+_u+_SuRRiuuS考虑内阻考虑内阻伏安特性：伏安特性：Oiu RUs当电压源是直流电压当电压源是直流电压Us时，可做伏安特性曲线。时，可做伏安特性曲线。当电压源开路时，当电压源开路时，i=0，u=Us；当电压源短路时，当电压源短路时，u=0，i=Us/R；内阻越小，则直线越平。内阻越小，则直线越平。 1. 5. 2 电流源模型电流源模型1. 定义：用一个理想的电流源和一个电阻的并联定义：用一个理想的电流源和一个电阻的并联形式来表示实际的电流源模型，简称电流源。形式来表示实际的电流源模型，简称电流源。2. 电流源模型电流源模型ui+_GuiiS当电流源是直流电压当电流源是直流电压Is时，可做伏安特性曲线。时，可做伏安特性曲线。isG伏安特性：伏安特性：uOiIsGIs当电流源开路时，当电流源开路时，i=0，u=Is/G；当电流源短路时，当电流源短路时，u=0，i=Is；内阻越大，则直线越陡。内阻越大，则直线越陡。 实际电压源、实际电流源两种模型可以进行等效变换，