电工基础电子教学案

..第一章电路的基本概念和基本定理第一节电路和电路模型目标：掌握电路的作用和构成及电路模型的概念。1-1手电筒电路电路和电路模型基本概念1.电路特点：电路设备通过各种连接所组成的系统,并提供了电流通过途径。2.电路的作用：图1-1电路模型<1>实现能量转换和电能传输及分配。<2>信号处理和传递。3．电路模型：理想电路元件：突出实际电路元件的主要电磁性能,忽略次要因素的元件；把实际电路的本质特征抽象出来所形成的理想化的电路。即为实际电路的电路模型；例图1-1：最简单的电路——手电筒电路4．电路的构成：电路是由某些电气设备和元器件按一定方式连接组成。〔1电源：把其他形式的能转换成电能的装置及向电路提供能量的设备,如干电池、蓄电池、发电机等。〔2负载：把电能转换成为其它能的装置也就是用电器即各种用电设备,如电灯、电动机、电热器等。〔3导线：把电源和负载连接成闭合回路,常用的是铜导线和铝导线。〔4控制和保护装置：用来控制电路的通断、保护电路的安全,使电路能够正常工作,如开关,熔断器、继电器等。第二节、电路的基本物理量目标：掌握电路基本物理量的概念、定义及有关表达式；了解参考方向内涵及各物理量的度量及计算方法。重点：各物理量定义的深刻了解和记忆。一：电流、电压及其参考方向1．电流<1>定义：带电粒子的定向运动形成电流,单位时间内通过导体横截面的电量定义为电流强度。<2>电流单位：安培<A>,1A＝10³mA＝10^6μA,1kA＝10³A<3>电流方向：规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。电流的大小和方向不随时间的变化而变化为直流电,用I表示,方向和大小随时间的变化而变化为交流电,用i表示。任意假设的电流流向称为电流的参考方向。〔4标定：在连接导线上用箭头表示,或用双下标表示。约定：当电流的参考方向与实际方向一致时i>0,当电流的参考方向与实际方向相反时i<0,<5>电流的测量：利用安培表,安培表应串联在电路中,直流安培表有正负端子。2.电压<1>定义：电场力把单位正电荷从电场中A点移到B点所做的功,称其为A点到B点间的电压。用uAB表示。或任意两点间的电位差称为电压。<2>电压单位：伏特〔V,1V＝10³mV＝10^6μV,1kV＝10³V<3>电压方向：规定把电位降低的方向作为电压的实际方向。电压的方向不随时间的变化而变化为直流电压Uab,方向和大小都随时间的变化而变化为交流电压uab。任意假设的电压方向称为电压的参考方向。〔4标定：可以采用以下几种方式来表示参考方向,可以用"+"高电位端、"－"低电位端来表示；可以用双下标表示；可以用一个箭头表示,当参考方向与实际方向一致时U>0,当参考方向与实际方向相反时U<0。〔5电压的测量：利用伏特表,伏特表应并联在电路中,直流伏特表有正负端子。3.参考方向〔1定义：任意假设电压、电流的方向称为参考方向。参考方向可任意标定,方向标定后,电流、电压、电动势之值可正可负；计算结果存在两种情况：①"＋"说明参考方向与真实方向相同；②"－"说明参考方向与真实方向相反。注意：①选定参考方向后,不再更改②计算结果的正、负只与图中参考方向结合起来才有物理意义。〔2关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向一致。在进行功率计算时,P＝UI;非关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向不一致。在进行功率计算时,P＝-UI。如果假设U、I参考方向一致,则当计算的P>0时,则说明U、I的实际方向一致,此部分电路消耗电功率,为负载。当计算的P<0时,则说明U、I的实际方向相反,此部分电路发出电功率,为电源。所以,从P的+或-可以区分器件的性质,或是电源,或是负载。二：电位电位定义：正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电量的比称为该点的电位。电路中的电位是相对的,与参考点的选择有关,某点的电位等于该点与参考点间的电压。电路中a、b两点间的电压等于a、b两点间的电位差。即Uab=Va-Vb。所以电压是绝对的,其大小与参考点的选择无关；但电位是相对的,其大小与参考点的选择有关。三：电动势定义：电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功,用e表示。电动势与电压有相同的单位。按照定义,电动势e及其端纽间的电压u的参考方向选择的相同,则e=-u;如选择的相反,则e=u.四：功率与电能1.功率<1>定义:单位时间内消耗电能即电场力在单位时间内所做的功。dW=u<t>dq,dq=i<t>dt∴p<t>=u<t>i<t><W><2>功率单位：瓦特<W><3>功率方向：提供、消耗〔4功率的测量：利用功率表。2.能量<1>定义：在t1时间内,电路所消耗的电能。<2>能量单位：焦耳<J>,电能的常用单位为度,１度＝１千瓦×１小时<3>能量方向：吸收、释放功率例1-1：有一个电饭锅,额定功率为1000W,每天使用2小时；一台25寸电视机,功率为60W,每天使用4小时；一台电冰箱,输入功率为120W,电冰箱的压缩机每天工作8小时。计算每月〔30天耗电多少度？解：〔1kW×2h＋0.06kW×4h＋0.12kW×8h×30天＝〔2度＋0.24度＋0.96度×30＝52度答:每月耗电52度作业：p39:1-2-2第三节电阻元件和欧姆定律学习目标：掌握电阻定律和欧姆定律重点：1．电阻的特性；2．欧姆定律。一、电阻元件〔1定义：阻碍导体中自由电子运动的物理量,表征消耗电能转换成其它形式能量的物理特征。〔2电阻单位：欧姆〔Ω,1MΩ＝10^3KW=10^6Ω。〔3电阻的分类：根据其特性曲线分为线形电阻和非线形电阻。①线性电阻的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线。R=常数；

②非线性电阻的伏安特性曲线是一条曲线。如上图〔4电阻定律：对于均匀截面的金属导体,它的电阻与导体的长度成正比,与截面积成反比,还与材料的导电能力有关。或其中为电阻率,为电导率。〔5电导：表示元件的导电能力,是电阻的倒数,用G表示,单位为西门子〔S。〔6电阻与温度的关系：①PTC电阻材料：正温度系数较大,具有非常明显的冷导体特性,可用来制作小功率恒温发热器。②NTC电阻材料：负温度系数较大,具有非常明显的热导体特性,可用来制作热敏电阻。二、欧姆定律：反映电阻、元件上电压和电流约束关系1．描述：对于线形电阻元件,在任何时刻它两端的电压与电流成正比例关系,即或电阻一定时,电压愈高电流愈大；电压一定,电阻愈大电流就愈小。2．功率的计算公式：根据欧姆定律可以推导出功率与电阻的关系式为：3．表达：在电路分析时,如果电流与电压的参考方向不一致,既为非关联参考方向,如图下图〔b和〔c欧姆定律的表达式为：或。例1-2：运用欧姆定理解上图中的电阻为6Ω,电流为2A,求电阻两端的电压U。解：图〔a关联U＝IR＝2A×6Ω＝12V图〔b非关联U＝－IR＝－2A×6Ω＝－12V,图〔c非关联U＝－IR＝－2A×6Ω＝－12V计算结果图〔a电压是正值,说明图〔a中的电压实际方向与所标的参考方向一致；图〔b、〔c电压为负值,说明图〔b、〔c中的电压实际方向与所标的参考方向相反。本章总结：1.三个物理量电流、电压的参考方向是任意假定的；数值是正,表示实际方向与参考方向一致；数值是负,表示实际方向与参考方向相反。功率P＝UI,如果电流和电压为非关联参考方向时P＝－UI。功率是正值,表示吸收功率,为负载；功率是负值,发出功率,为电源。2.三种状态开路状态：负载与电源不接通,电流等零,负载不工作；有载状态：负载与电源接通,有电流、电压、吸收功率。短路状态：故障状态,应该禁止。3.三个定律欧姆定律I＝U/R,应用时要考虑关联问题。KCL定律ΣI＝0,应用时要先标出电流的参考方向。KVL定律ΣU＝0,应用时要先标出电流、电压及回路的绕行方向。第五节：电路的工作状态学习目标：了解电路的工作状态：有载〔满载、轻载、过载、开路、短路重点和难点：各状态特点和电路各物理量所表现的特性。一．开路电源与负载断开,称为开路状态,又称空载状态。特点：开路状态电流为零,负载不工作U＝IR＝0,而开路处的端电压U0＝E。二．短路：电源两端没有经过负载而直接连在一起时,称为短路状态。特点：U=0,IS=US/RS,PRS=I2RS,P=0。短路电流IS＝US/RS很大,如果没有短路保护,会发生火灾。短路是电路最严重、最危险的事故,是禁止的状态。产生短路的原因主要是接线不当,线路绝缘老化损坏等。应在电路中接入过载和短路保护。三．额定工作状态：电源与负载接通,构成回路,称为有载状态。当电路工作在额定情况下时的电路有载工作状态称为额定工作状态。特点U＝IR＝E－IR0,有载状态时的功率平衡关系为：电源电动势输出的功率PS＝USIS,电源内阻损耗的功率PRS＝I²RS负载吸收的功率

P＝I2R＝PS－PRS,功率平衡关系PS＝P＋PRS。用电设备都有限定的工作条件和能力,产品在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值称为额定值。电源设备的额定值一般包括额定电压UN、额定电流IN和额定容量SN。使用值等于额定值为额定状态；实际电流或功率大于额定值为过载；小于额定值为欠载。第九节最大功率传输定理学习目标：掌握最大功率传输条件重点：最大功率传输的分析方法及在不同情况下传输条件的运用。难点：解题分析一、电能输送与负载获得最大功率•功率分配：最简单的电路模型为例电源输出功率为

I则,与I成线性关系；消耗的功率：,与I的关系为一开口向上的抛物线；负载消耗的功率：,与I的关系为一开口向下的抛物线。•负载获得最大功率的条件：当时,最大,应用：如扩音机电路,希望扬声器能获得最大功率,则应选择扬声器的电阻等于扩音机的内阻。┈电阻匹配。例4-3：有一台40W扩音机,其输出电阻为8Ω,现有8Ω、16W低音扬声器两只,16Ω、20W高音扬声器一只,问应如何接？扬声器为什么不能像电灯那样全部并联？解：将两只8Ω扬声器串联再与16Ω扬声器并联,则R并=8Ω,R总=16Ω。线路电流为,则两个8Ω的扬声器消耗的功率为：16Ω的扬声器消耗的功率为若全部并联,则R并=8//8//16=4//16=3.2Ω,则US不变,电流变为：,电阻不匹配,各扬声器上功率不按需要分配,会导致有些扬声器功率不足,有些扬声器超过额定功率,会烧毁。第二章直流电路第一节：电阻的串、并、混联及等效变换学习目标：1．掌握电阻串、并联特点及串、并联时电压、电流、功率情况。2．掌握对混联电路的化简。重点：电阻串、并联时电流、电压、功率情况。难点：混联电路化简为一个等效电阻一、电阻的串联图2-1电阻的串联图2-1电阻串联电路的特点：1．各元件流过同一电流2．外加电压等于各个电阻上的电压降之和。分压公式：；。功率分配：各个电阻上消耗的功率之各等于等效电阻吸收的功率,即：

3．等效电阻：几个电阻串联的电路,可以用一个等效电阻R替代,即：4．功率：各个电阻上消耗的功率之和等于等效电阻吸收的功率。二、电阻的并联图2-2电阻的并联图2-2电阻并联电路的特点：<a>各电阻上电压相同；<b>各分支电流之和等于等效后的电流,即；<c>几个电阻并联后的电路,可以用一个等效电阻R替代,即；※特殊：两个电阻并联时,,,<d>分流公式：,<e>功率分配：负载增加,是指并联的电阻越来越多,R并越小,电源供给的电流和功率增加了。例2-1：有三盏电灯并联接在110V电源上,UN分别为110V,100W、110V,60W、110V,40W,求P总和I总,以及通过各灯泡的电流、等效电阻,各灯泡电阻。解：P总==200W；I总=,,或,,三、电阻混联：串联和并联均存在。1、处理方法：利用串、并联的特点化简为一个等效电阻2、改画步骤：<a>先画出两个引入端钮；〔b再标出中间的连接点,应注意凡是等电位点用同一符号标出图2-3例2-2：,,,,当开关S1、S2同时开时或同时合上时,求和。解：当开关S1、S2同时开时,相当于三个电阻在串联,则则。当开关S1、S2同时闭合时,如上图等效电路图所示。,例2-3：实验室的电源为110V,需要对某一负载进行测试,测试电压分别为50V与70V,现选用120Ω、1.5A的滑线变阻器作为分压器,问每次滑动触点应在何位置？此变阻器是否适用？解：当时,,,<1.5A此变阻器适用。当时,,<1.5A此变阻器适用。但当U2>70V时,I2可能就要大于1.5A,就不再适用了。作业：p23:2-1-3、2-1-3电阻星形与三角形连接及等效变换学习目标：掌握电阻星形和三角形连接特点和变换条件重点：1.电阻星形和三角形连接特点2．等效变换关系难点：等效变换关系。一：电阻星形和三角形连接的等效变换：1、电阻星形和三角形连接的特点：星形联接或T形联接,用符号Y表示。特点：三个电阻的一端联接在一个结点上,成放射状。三角形联接或π形联接,用符号Δ表示。2、电阻星形和三角形变换图：星形变换成三角形如图2-4<a>所示,三角形连接变换成星形如图2-4<b>所示。图2-4<a>图2-4<b>3、等效变换的条件：要求变换前后,对于外部电路而言,流入〔出对应端子的电流以及各端子之间的电压必须完全相同。4、等效变换关系：已知星形连接的电阻RA、RB、RC,求等效三角形电阻RAB、RBC、RCA。,公式特征：看下角标,两相关电阻的和再加上两相关电阻的积除以另一电阻的商。已知三角形连接的电阻RAB、RBC、RCA,求等效星形电阻RA、RB、RC。,,公式特征：看下角标,分子为两相关电阻的积,分母为三个电阻的和。特殊：当三角形〔星形连接的三个电阻阻值都相等时,变换后的三个阻值也应相等。,。例2-4：如图2-2-2<a>所示直流单臂电桥电路,,,,,,,,求。解：先进行,如图2-2-2<b>所示。,=15+〔6+294//〔10+290=15+150=165Ω,,令,,或第三节基尔霍夫定理学习目标：1．掌握基尔霍夫的两个定律。重点和难点：基尔霍夫的电压定律和电流定律。与拓扑约束有关的几个名词支路:电路中没有分支的一段电路。节点:三条或三条以上支路的汇集点,也叫节点。在同一支路内,流过所有元件的电流相等。回路:电路中任一闭合路径都称回路。图1-10网孔:回路平面内不含有其它支路的回路叫做网孔。如图1-10：支路有3条,结点有a、b共2个,回路有3个,网孔有2个。如图1-11：支路有6条,结点有a、b、c、d4个,回路有8个,网孔有3个。图1-11图1-12二、基尔霍夫电流定律：又叫节点电流定律,简称KCL1．描述：电路中任意一个节点上,在任一时刻,流入节点的电流之和,等于流出节点的电流之和。或：在任一电路的任一节点上,电流的代数和永远等于零。基尔霍夫电流定律依据的是电流的连续性原理。如图1-122．公式表达：Σ流入=Σ流出,ΣI=0。当用第二个公式时,规定流入结点电流为正,流出结点电流为负。例图1-12：对于节点A,一共有五个电流经过：可以表示为I1+I3=I2+I4+I5或I1+<-I2>+I3+<-I4>+<-I5>=03．广义结点：基尔霍夫电流定律可以推广应用于任意假定的封闭面。对虚线所包围的闭合面可视为一个结点,该结点称为广义结点。即流进封闭面的电流等于流出封闭面的电流。如图1-13图1-13图1-14如图1-14：或又如图1-14：I1+I2-I3=0或I1+I2=I3图1-15例1-8：已知图1-15中的IC＝1.5mA,IE＝1.54mA,求IB＝?解：根据KCL可得IB＋IC＝IEIB＝IE－IC＝1.54mA－1.5mA＝0.04mA＝40μA例1-9：如图1-16所示的电桥电路,已知I1=25A,I3=16mA,I4=12mA,求其余各电阻中的电流。1.先任意标定未知电流I2、I5、和I6的参考方向。2.根据基尔霍夫电流定律对节点a,b,c分别列出结点电流方程式：图1-16a点：I1=I2+I3

I2=I1-I3=25-16=9mAb点：I2=I5+I6

I5=I2-I6=[9-<-4>]=13mAc点：

I4=I3+I6

I6=I4-I3=12-16=-4mA结果得出I6的值是负的,表示I6的实际方向与标定的参考方向相反。三、基尔霍夫电压定律：又叫回路电压定律,简称KVL1．描述：在任一瞬间沿任一回路绕行一周,回路中各个元件上电压的代数和等于零。或各段电阻上电压降的代数和等于各电源电动势的代数和。2．公式表达：ΣU＝0或ΣRI=ΣUS图1-173．注意：常用公式ΣRI=ΣUS列回路的电压方程：〔1先设定一个回路的绕行方向和电流的参考方向看图1-17〔2沿回路的绕行方向顺次求电阻上的电压降,当绕行方向与电阻上的电流参考方向一致时,该电压方向取正号,相反取负号。〔3当回路的绕行方向从电源的负极指向正极时,等号右边的电源电压取正,否则取负。例1-9：试列写图1-17各回路的电压方程。对回路1：对回路2：对回路3：图1-184．基尔霍夫电压定律的推广：基尔霍夫电压定律不仅可以用在网络中任一闭合回路,还可以推广到任一不闭合回路中。如对于图1-18网孔1即是一个不闭合的回路,把不闭合两端点间的电压列入回路电压方程,则其电压方程可以写为：,则,由此总结出任意两点之间的电压,其中R上的电压和US上的电压的规定与前面的规定是一样的。对于网孔2这个不闭合的回路来求,则注意：电路中任意两点间的电压是与计算路径无关的,是单值的,所以,基尔霍夫电压定律实质是两点间电压与计算路径无关这一性质的具体表现。例1-10：如图1-19已知U1=1V,I1=2A,U2=-3V,I2=1A,U3=8V,I3=-1A,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V求uab和uad及各段电路的功率并指明吸收发出功率。图1-19解：Uab=Uac+Ucb=-U1+U2=-<1>+<-3>=-4VUab=Ub=-3VP1=-U1I1=-2W<0〔发出P2=U2I1=-６W<0〔产生P3=U3I1=16W>0〔吸收P4=U4I2=-4W<0〔产生P5=U5I3=-7W<0〔产生P6=U6I3=3W>0〔吸收作业：p16:1-3、1-4、1-6、1-8。第六节：电压源和电流源学习目标：1．掌握电压源和电流源的概念。2．掌握电压源和电流源的等效转换。重点：电压源和电流源的等效转换。难点：电压源和电流源的等效转换。把其它形式的能转换成电能的装置称为有源元件,可以采用两种模型表示,即电压源模型和电流源模型。一、电压源1．理想电压源〔恒压源〔1符号：〔2特点：无论负载电阻如何变化,输出电压即电源端电压总保持为给定的US或us<t>不变,电源中的电流由外电路决定,输出功率可以无穷大,其内阻为0。例1-3：如图1-5:US=10V解：如图1-5电压源则当R1接入时：I=5A当R1、R2同时接入时：I=10A<3>特性曲线2．实际电压源〔1符号：〔2特点：由理想电压源串联一个电阻组成,RS称为电源的内阻或输出电阻,负载的电压U=US–IRS,当RS=0时,电压源模型就变成恒压源模型。〔3特性曲线二、电流源1．理想电流源〔恒流源<1>符号:<2>特点：无论负载电阻如何变化,总保持给定的Is或is<t>,电流源的端电压由外电路决定,输出功率可以无穷大,其内阻无穷大。例1-4：如图1-6:IS=1A则:当R=1Ω时,U=1V,R=10Ω时,U=10V〔3特性曲线图1-6电流源2．实际电流源〔1符号：〔2特点：由理想电流源并联一个电阻组成,负载的电流为I=IS–Uab/RS,当内阻RS=∞时,电流源模型就变成恒流源模型。〔3特性曲线：3．恒压源和恒流源的比较三、电压源与电流源的转换1．特性：电压源可以等效转换为一个理想的电流源IS和一个电阻RS的并联,电流源可以等效转换为一个理想电压源US和一个电阻RS的串联。即转换公式：US=RS*IS2．注意：〔1转换前后US与Is的方向,Is应该从电压源的正极流出。〔2进行电路计算时,恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换,RS不一定是电源内阻。〔3恒压源和恒流源不能等效互换。〔4恒压源和恒流源并联,恒流源不起作用,对外电路提供的电压不变。恒压源和恒流源串联,恒压源不起作用,对外电路提供的电流不变。〔5与恒压源并联的电阻不影响恒压源的电压,电阻可除去,不影响其它电路的计算结果；与恒流源串联的电阻不影响恒流源的电流,电阻可除去,不影响其它电路的计算结果；但在计算功率时电阻的功率必须考虑。〔6等效转换只适用于外电路,对内电路不等效。例1-5：如图1-7图1-7电流源的转换例1-6：如图1-8图1-8电压源的转换

I=1A例1-7：如图1-9图1-9电压源的转换第六节支路电流法学习目标：1．掌握支路电流法的概念2．掌握运用支路电流法解题方法重点：支路电流法解题方法难点：1．列独立的KCL方程独立的KVL方程2．支路电流法解题方法一、定义：利用KCL、KVL列方程组求解各支路电流的方法。二、解题步骤：•标出所求各支路电流的参考方向〔可以任意选定和网孔绕行方向；•确定方程数,若有b条支路,则有b个方程；•列独立的KCL方程〔结点电流方程,若有n个结点,则可列<n-1>个独立的结点电流方程；•不足的方程由独立的KVL方程补足〔回路电压方程,若有m个网孔,就可列m个独立的回路电压方程,且m+<n-1>=b；•联立方程组,求解未知量。※概念：独立回路：如果每一回路至少含有一条为其他已取的回路所没有包含的回路称为独立回路；网孔：中间不含任何其他支路的回路。独立回路不一定是网孔。例3-1：如图所示电路,列出用支路电流法求解各支路电流的方程组。解：支路数为6条方程数为6个,结点数为4个独立的结点电流方程数为3个,网孔数为3个独立的KVL方程数为3个。则方程组可联立为：例3-1图例3-2：如图所示电路,两个实际电压源并联后给负载供电,已知,,,,,求各支路电流、各元件的功率以及结点间电压。解：〔1此电路有2个结点,3条支路,2个网孔,因此可以列3个方程,其中1个为独立的节点电流方程,2个为独立的回路电压方程。或者用行列式法：同理＝195,,。〔2结点间电压为〔3功率为：〔供能〔耗能〔耗能,〔耗能〔耗能作业：p473-1、3-2〔要求用两种方法做第七节叠加定理学习目标：1．掌握叠加定理的适用范围2．掌握运用叠加定理解题方法重点：1．叠加的概念2．叠加定理的适用范围3．运用叠加定理求各支路电流或电压难点：运用叠加定理求各支路电流或电压一、叠加定理的含义：•定义：在具有几个电源的线性电路中,各支路的电流或电压等于各电源单独作用时产生的电流或电压的代数和。•适用范围：线性电路。•电源单独作用：不作用的电源除源处理,即理想电压源短路处理,理想电流源开路处理。•仅能叠加电流、电压,是不能叠加功率的。•代数和：若分电流与总电流方向一致时,分电流取"+",反之取"－"。二、证明：如下图所示电路或以两电源作用的单回路为例。用节点电压法得：=,当US1作用时：当US2作用时,能看出,。例4-1：如下图所示,求各支路电流与U32,已知US=10V,IS=2A,R1=5Ω,R2=3Ω,R3=3Ω,R4=2Ω。解：原图可分解为：图：当US作用时,,,,,,；；第八节戴维南定理与诺顿定理学习目标：1．掌握有源二端网络和无源二端网络的概念2．掌握用戴维宁定理和诺顿定理来求解出某条支路的电流。重点：1．有源二端网络和无源二端网络的概念2．求开路电压和等效电阻3．用戴维宁和诺顿定理来求解除某条支路的电流。难点：求开路电压和等效电阻一、无源线性二端网络的等效电阻：分类：有源二端网络和无源二端网络等效：无源二端网络都可等效为一个电阻；有源二端网络可等效为一个实际电压源,即与串联组合。如图4-1所示：图4-1二、戴维宁定理：<等效发电机原理>•内容：任何一个线性有源电阻性二端网络,可以用与串联的电路模型来替代,且<开路端电压>；=除源后的等效电阻。•等效图为：如上图所示。•对外电路等效,对内电路不等效•应用较广的为求某条支路上的电压电流。•证明：•当S开时,<2>当S合时,<3>若用等效：,则<2>、<3>相同,对于线性有源二端网络,戴维宁定理正确。三、计算步骤：•将电路分为两部分,一部分是待求支路,另一部分则是有源二端网络；•将开路,求；•将中除源,<理想电压源短路处理,理想电流源开路处理>,求等效电阻；•将、待求支路连上,求未知量。例4-2：如下图所示电路,求、。解：电路分成有源二端网络〔如虚框所示和无源二端网络两部分。对于<b>图所示的有源二端网络,则有：,,,四、诺顿定理：用一个电阻与理想电流源并联组合代替。：有源二端网络短路后得到的电流。如图4-2图4-2作业：p63：4-8、4-10、4-14第五章正弦稳态电路第一节正弦量的基本概念学习目标：1.掌握正弦量的三要素。2．掌握正弦量的相位关系。３.掌握有效值的定义。４．掌握正弦量的有效值与最大值的关系。重点：正弦量的三要素、相位关系、有效值与最大值的关系难点：相位一．正弦交流电的特点大小和方向随时间按正弦规律变化的电流称为正弦交变电流,简称交流〔ac或AC。我们日常生活、生产中,大量使用的电能都是正弦交流电。正弦交流电具有以下特点：1．交流电压易于改变。在电力系统中,应用变压器可以方便地改变电压,高压输电可以减少线路上的损耗；降低电压以满足不同用电设备的电压等级。2．交流发电机比直流发电机结构简单。二．正弦量的三要素区别不同的正弦量需要从它们变化的快慢、变化的先后和变化的幅度三方面考虑。1．变化的快慢----用周期、频率或角频率描述。<1>周期：T,秒。<2>频率：,Hz。。<3>角频率：*周期越短、频率〔角频率越高,交流电变化越快。*工频,,2．变化的先后----用初相角描述<1>相位角：<2>初相角：t=0时正弦量的相位角称作初相角。*的大小和正负与计时起点有关。*规定*当正弦量的初始值为正时,角为正；初始值为负时,角为负。*如果正弦量零点在纵轴的左侧时,角为正；在纵轴右侧时,角为负。3．变化的幅度----用最大值来描述〔1瞬时值：用小写字母表示,如e、u、i。〔2最大值：也称振幅或峰值,通常用大写字母加下标m表示,如。一个正弦量与时间的函数关系可用它的频率、初相位和振幅三个量表示,这三个量就叫正弦量的三要素。对一个正弦交流电量来说,可以由这三个要素来唯一确定：三、相位差与相位关系1．相位差——两个正弦交流电在任何瞬时相位角之差称相位差。*两个同频正弦量的相位差等于它们的初相之差。规定。2．相位关系图5-1相位关系①超前、滞后关系；②同相关系〔；③反相关系；④正交关系四、正弦量的有效值一、有效值的引入正弦量的瞬时值是随时间变化的,这对正弦量大小的计量带来一定的困难。同时,电路的一个重要作用是电能的转换,而正弦量的瞬时值又不能确切反映能量转换的效果。因此,在电工技术中用有效值来反映正弦量的大小。字母I、U、E分别表示正弦电流、电压和电动势的有效值。二、有效值的定义周期性变化的交流电的有效值是根据它的热效应来确定的。设周期电流和直流电流I分别流入两个阻值相同的电阻R。如在一个周期内,它们各自产生的热量彼此相等,则直流电流的数值称为该交流电的有效值。根据有效值的定义可得：有效值又称为方均根值。三、正弦量的有效值设正弦交流电流,则它的有效值即正弦交流电的有效值等于它的最大值的〔或0.707倍。同理因为正弦量的有效值和最大值有固定的倍数关系,所以也可以用有效值代替最大值作为正弦量的一个要素。这样正弦量的数学表达式可写为。在工程上,一般所说的正弦电压、电流的大小都是指有效值。例如交流测量仪表所指示的读数、交流电气设备铭牌上的额定值都是指有效值。我国所使用的单相正弦电源的电压U=220V,就是正弦电压的有效值,它的最大值Um＝U＝1.414×220＝311V。应当指出,并非在一切场合都用有效值来表征正弦量的大小。例如,在确定各种交流电气设备的耐压值时,就应按电压的最大值来考虑。例５-１：已知求它的有效值I。解：图５－２例５-２：已知一周期性变化的电压波形如图５-２所示,求它的有效值。解：此电压是非正弦的周期性交流电压,T=16s,写出此电压的解析式。根据有效值的定义式可得：此题说明非正弦周期量的最大值与有效值之间不是简单的0.707关系。例５-３：填空1正弦交流电的三个基本要素是,,．2我国工业及生活中使用的交流电频率为、周期为。3已知正弦交流电压,它的最大值为V,频率为Hz,周期T=S,角频率ω=rad/s,初相位为。4已知两个正弦交流电流：则的相位差为,超前。作业：ｐ６８5-1-3、5-1-4第二节正弦量的相量表示法学习目标：1.掌握复数的基本知识。2．掌握正弦量的相量表示法。重点：正弦量的相量表示法。难点：相量图一个正弦量可以用三角函数式表示,也可以用正弦曲线表示。但是用这两种方法进行正弦量的计算是很繁琐的,有必要研究如何简化。由于在正弦交流电路中,所有的电压、电流都是同频率的正弦量,所以要确定这些正弦量,只要确定它们的有效值和初相就可以了。相量法就是用复数来表示正弦量。使正弦交流电路的稳态分析与计算转化为复数运算的一种方法。一、复数1．复数：形如的式子称为复数,为复数的实部,为复数的虚部,、均为实数,为虚数单位。图5-3复数的图示法2．复数的图示法式中为复数A的模,为复数A的辐角。3．复数的表示形式及其相互转换其中代数式常用于复数的加减运算,极坐标式常用于复数的乘除运算。4．复数的运算法则①相等条件：实部和虚部分别相等〔或模和辐角分别相等。②加减运算：实部和实部相加〔减,虚部和虚部相加〔减。③乘法运算：模和模相乘,辐角和辐角相加。④除法运算：模和模相除,辐角和辐角相减。5．共轭复数----实部相等、虚部互为相反数〔或模相等、辐角互为相反数二、用复数表示正弦量1．正弦量与复数的关系=sin<ψ>=[]=[]正弦电压等于复数函数的虚部,该复数函数包含了正弦量的三要素。2．相量——分有效值相量和最大值相量①有效值相量：=/ψ②最大值相量：=/ψ3．相量图在复平面上用一条有向线段表示相量。相量的长度是正弦量的有效值I,相量与正实轴的夹角是正弦量的初相。这种表示相量的图称为相量图。例5-4：。写出表示1和2的相量,画相量图。解：1=100/60°V2=50/-60°V相量图见图5-4。例5-5:已知1=100sinA,2=100sin<-120°>A,试用相量法求1+2,画相量图。解：1=100/0°A2=100/-120°A1+2=100/0°+100/-120°=100/-60°A1+2=100sin<-60°>A相量图见图5-5。图5-4图5-5作业：p72:5-2-2、5-2-3、5-2-4第三节电阻元件伏安关系的相量形式学习目标：1．掌握电阻元件的相量形式2．掌握电阻两端电压和电流之间的相量关系重点：电阻两端电压和电流之间的相量关系难点：相量关系和相量图一、电阻元件的电压与电流如图5-6,设,则有：,可得：当和都用相量表示时,有结论：①纯电阻的电压与电流的瞬时值、有效值、最大值和相量均符合欧姆定律,即图5-6②纯电阻的电压与电流同相。第四节电感元件及其伏安关系的相量形式学习目标：1.理解感抗的概念。2．掌握电感电压与电流之间的相量关系关系。重点：L元件电压电流相量式。一、电感元件的电压与电流如图5-7,设,则有：图5-7可得：则由可知：二：结论：①电感两端的电压与电流的有效值和最大值符合欧姆定律形式,即*式中为感抗,与电阻R性质类似,单位也为Ω。但感抗与频率成正比,当〔直流时,,说明电感元件在直流电路中相当于短路；而当时,,说明电感元件在高频线路中相当于开路；也就是说,电感线圈具有"通低频、阻高频"的特性。②电感两端的电压超前电流90°〔关联时。③电感电压与电流相量符合：第五节电容元件及其伏安关系的相量形式学习目标：1.理解容抗的概念。2．掌握电容电压与电流之间的相量关系关系。重点：C元件电压电流相量式。一、电容元件的电压与电流如图5-8,设,则图5-8可得：由可知或二、结论：①电容两端的电压与电流的有效值和最大值符合欧姆定律形式,即*式中称为容抗,单位是Ω,与感抗相似,但容抗与角频率成反比。当时,,说明电容元件在直流电路中相当于开路；而当时,说明电容元件在高频线路中相当于短路；也就是说,电容具有"隔直通交"作用。②电容两端的电压在相位上滞后电流90°〔关联时。③电容电压与电流相量符合：。例5-6：流过50Ω电阻的电流相量,求电阻两端的电压相量及瞬时值表达式。解：例5-7：加在电感元件两端的电压,电感量,电压电流取关联参考方向,求电流。解：例5-8：加在25μF的电容元件上的电压有效值为10V,设电压电流取关联参考方向,电压初相,求。；解：第六节基尔霍夫定律的相量形式学习目标：1.掌握相量形式的KCL和KVL。2．熟练应用相量形式的KCL和KVL解题方法。重点：相量形式的KCL和KVL。基尔霍夫定律适用于任意瞬间的任意电路。任一瞬间,流入电路任一节点的各电流瞬时值的代数和恒等于零,即正弦交流电路中,各电流都是与电源同频率的正弦量,把这些同频率的正弦量用相量表示即为这就是基尔霍夫电流定律的相量形式。它表明在正弦交流电路中,流入任一节点的各电流相量的代数和恒等于零。同理可得基尔霍夫电压定律的相量形式为它表明在正弦交流电路中,沿着电路中任一回路所有支路的电压相量和恒等于零。图5-9例5-9：如图5-9,已知流入节点A的电流求流出节点A的电流。解：由已知条件可得：由相量形式的KCL可知：例5-10：如图5-10所示电路,已知,求电压表的读数U。图5-10解：由已知条件可得：由相量形式的KVL可知：所以电压表的读数U=0。第七节R、L、C串联电路及复阻抗形式学习目标：1．掌握R、L、C串联电路的电流关系及电压三角形。2．掌握电路的性质。3．掌握阻抗及其三角形重点难点：电压三角形、阻抗电压电流关系如图5-11所示R、L、C串联电路。根据KVL可得：由R、L、C三元件的伏安关系图5-11可得即图5-12式中称为复阻抗。以电流相量为参考相量,作相量图如图5-12所示。从相量图可见,三者组成一个直角三角形,称为电压三角形,三者之间满足一：复阻抗1．复阻抗的计算〔1直接计算式中图5-13之间符合阻抗三角形关系,见图5-13。〔2间接计算阻抗三角形即阻抗模是电压有效值与电流有效值的比,它的幅角等于电压与电流的相位差。2．阻抗角与电路性质①当时,电压超前电流,电路呈感性；②当时,电流超前电压,电路呈容性；③当时,电压与电流同相,电路呈电阻性；二、特例1．R-L串联2．R-C串联例5-11：R、L、C串联电路中,已知电源频率。试求电路复阻抗Z。若电源频率,重求复阻抗Z。解：①当时②当时图5-14例5-12：电路如图5-14<a>所示,,电源频率,求：①电流及总复阻抗Z；②总电压、电感及电容电压的有效值；③画相量图。解：①求总电流及复阻抗；②求各电压；③画相量图,见图5-14<b>。例5-13：移相电路如图5-15所示,,欲使输入电压滞后输出电压,求电感量L及输出电压。图5-15解：设电流相量为,电路为RL串联电路,电压超前电流。因此作相量图如图5-15〔b所示。根据题意则电路的复阻抗阻抗角因此由构成的直角三角形可知第八节R、L、C并联电路及复导纳学习目标：1.掌握R、L、C并联电路的电压电流关系及电流三角形。2掌握导纳及其三角形。重点难点：电流三角形、导纳一、电压电流关系图5-16如图5-16所示R、L、C并联电路。根据KCL可得：由R、L、C三元件的伏安关系可得即式中称为复导纳。以电压相量为参考相量,作相量图如图5-17所示。从相量图可见,三者组成一个直角三角形,称为电流三角形,三者之间满足：图5-17二、复导纳1．复导纳的计算〔1直接计算式中图5-18之间符合导纳三角形关系,见图5-18。〔2间接计算2．导纳角与电路性质①当时,电流超前电压,电路呈容性；②当时,电压超前电流,电路呈感性；③当时,电压与电流同相,电路呈电阻性；三、特例1．R-L并联2．R-C并联例5-14：电路如图5-19。已知U=10V,求各支路电流,画出相量图。解：令端电压为参考相量,则由可得各支路电流分别为并联电路的复导纳为则总电流为图5-19第九节无源二端网络的等效复阻抗和复导纳学习目标：1.掌握复阻抗串、并联电路的计算,注意与直流电路的区别。2．掌握复阻抗与复导纳的等效变换。重点难点：复阻抗串、并联。一、复阻抗的串并联1．阻抗的串联图5-20如图5-20,由KVL和相量形式的欧姆定律可知：即几个阻抗串联后的等效阻抗为几个阻抗之和。分压公式：2．阻抗的并联如图5-211,由KCL和相量形式的欧姆定律可知：等效阻抗分流公式：3．阻抗的混联例5-15：电路相量模型如图5-22所示。已知。求：①电路的等效阻抗Z；②电流源两端电压相量和两支路电流；③画出相量图。解：①等效阻抗∥②图5-22③相量图如图5-22<b>所示。二、无源二端网络的等效电路及复阻抗与复导纳的等效变换交流电路中的实际负载的内部结构比较复杂,电工技术中常常用等效阻抗或等效导纳来表示它。所谓等效,指在电源作用下该负载端口的电压、电流量值和初相位与某一阻抗〔导纳在同一电源作用下产生的电压、电流量值和初相位分别相等,称此阻抗〔导纳与该负载等效。例5-16：用示波器测出某负载的电压、电流分别为：试求：①等效阻抗及等效参数；②等效导纳及等效参数。解：①等效电路如图5-23<a>所示。②等效电路如图5-23<b>所示。图5-23第十节实际元件的电路模型〔略不讲第十一节正弦电流电路的分析计算学习目标：掌握复杂交流电路的分析方法。难点：复杂交流电路的计算。通过前几节分析,我们知道正弦交流电路引入电压、电流相量以及阻抗〔导纳的概念后,得出了相量形式的欧姆定律和基尔霍夫定律。然后根据这两个定律又导出了阻抗串、并联,分压及分流公式。这些公式在形式上与直流电路中相应的公式相对应,由此可以推知：分析直流电路的各种方法和定理在形式上同样能适用于分析复杂交流电路。本节通过例题说明如何应用回路法、节点法等来分析复杂正弦交流电路。图5-24例5-17:见图5-24所示电路。已知V,/90°V,,,,试用回路电流法求各支路电流。解：选定回路电流参考方向如图5-24所示。列出回路电流方程代入数据得：对以上方程求解得：/-56.3°A/-115.4°A各支路电流为/-56.3°A/-115.4°A/11.9°A例5-18:电路如图5-24所示,用节点法求支路电流3。解：以b为参考点列出节点电压方程〔弥尔曼定理/11.9°V/11.9°A

A例5-19:电路如图5-24所示,用戴维南定理求支路电流。图5-25解：整理后电路如图5-25所示。〔1先求开路电压/-21.8°V〔2求入端阻抗〔将电压源,短路处理〔3求电流。29.9/11.9°A第十二节正弦交流电路中电阻、电感、电容元件的功率学习目标：1.掌握电阻的功率计算。2．掌握电感、电容的无功功率及平均储能。重点难点：无功功率一、电阻元件的功率1．瞬时功率设电压电流关联,,则,从上式可见,说明电阻元件始终都在消耗功率,是耗能元件。2．平均功率单位：瓦,符号：W二、电感元件的功率1．瞬时功率设电压电流关联,,则,2．平均功率即电感元件不消耗功率,是储能元件。3．无功功率为了衡量电源与电感元件间的能量交换的大小,把电感元件瞬时功率的最大值称为无功功率,用表示。单位：乏,符号：var三、电容元件的功率1．瞬时功率设电压电流关联,,则,2．平均功率即电容元件不消耗功率,是储能元件。3．无功功率单位：乏,符号：var第十三节二端网络的功率学习目标：1.掌握二端网络电路的各种功率的计算。2．掌握功率因数的概念。3．掌握功率三角形。重点难点：各种功率的物理意义及计算。一、瞬时功率电路在任一瞬间吸收的功率称为瞬时功率。设正弦交流电路二端网络的端口电压与电流取关联参考方向,它们分别为,,则上式表明,