电工与电子技术(中职业教材)-PPT.ppt

中等职业教育规划教材根据教育部中等职业学校新教学大纲要求编写电工与电子技术 中华工商联合出版社目 录第一篇 电工基础第一章 直流电路第一节 电路的基本结构和电路模型第二节 电流第三节 电压第四节 电阻和欧姆定律第五节 电能和电功率第六节 电阻的连接第七节 复杂电路的分析方法本章小结本章习题试验实训一 基尔霍夫定律验证及电位测量实验第二章 交流电路第一节 交流电的基本概念第二节 正弦交流电路第三节 电容和电感第四节 正弦交流电路中的电阻、电感、电容元件第五节 电阻与电感、电容串联电路第六节 正弦交流电路的功率第七节 三相交流电路本章小结本章习题试验实训二 荧光灯电路的接线及提高功率因素的实验试验实训三 三相电路的负载连接目 录第三章 电力的生产和输送第一节 电力的生产第二节 电力的输送和分配第三节 变压器的原理和用途本章小结本章习题第四章 电动机及其控制第一节 三相异步电动机第二节 三相异步电动机的基本控制电路第三节 单相异步电动机第四节 直流电动机本章小结本章习题试验实训四 三相异步电动机继电器接触器控制电路第二篇 电工技术目 录第五章 电器及其用电技术第一节 常用低压电器第二节 电工测量第三节 安全用电本章小结本章习题第二篇 电工技术目 录第六章 半导体与二极管第一节 半导体与二极管第二节 二极管的单向导电性第三节 二极管的伏安特性与主要参数第四节 二极管的简单检测本章小结本章习题试验实训五 练习使用示波器第七章 整流电路、滤波电路及稳压电路第一节 整流电路第二节 滤波电路第三节 稳压电路与直流稳压电源第四节 集成稳压电路本章小结本章习题试验实训六 单相桥式整流电路实验第三篇 模拟电子技术目 录第八章 晶体管第一节 晶体管的结构第二节 晶体管的放大作用第三节 晶体管的工作状态第四节 晶体管的主要参数第五节 晶体管的管型和管脚的判断本章小结本章习题试验实训七 低频信号发生器及毫伏表的正确使用第九章 放大电路基础及分析第一节 放大电路的概念及分类第二节 共发射极放大电路第三节 放大电路的工作原理第四节 放大电路的波形失真及其调整方法第五节 放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻第六节 负反馈对放大电路性能的影响第七节 共集电极放大电路射极输出器本章小结本章习题试验实训八 单级电压放大电路第三篇 模拟电子技术目 录第十章 运算放大器第一节 运算放大器基础第二节 运算放大器的基本运算电路第三节 差分放大器第四节 功率放大电路本章小结本章习题试验实训九 运算放大器的应用第十一章 其他半导体器件和振荡电路第一节 晶闸管及其应用第二节 单结晶体管及其应用第三节 场效应管及其应用第四节 振荡电路本章小结本章习题第三篇 模拟电子技术第十三章 时序和逻辑电路第一节 触发器第二节 计数器第三节 寄存器第四节 译码器和显示器本章小结本章习题试验实训十一 计数、译码、显示电路实验目 录第十二章 数字电子技术基础第一节 概述第二节 基本逻辑运算和门电路第三节 复合逻辑门电路第四节 逻辑代数本章小结本章习题试验实训十 集成“与非”门电路的逻辑功能及应用实验第四篇 数字电子技术目 录第十四章 数字电路的应用第一节 逻辑电路的简单分析和综合应用的方法第二节 触发器的应用第三节 555集成定时器第四节 数模和模数转换电路第五节 数字电路综合实例数字钟电路本章小结本章习题试验实训十二 灯光控制电路实验第四篇 数字电子技术第一篇 电工基础 知识目标 1.了解电路和电路模型的概念。2.理解电源、负载的定义。3.理解电动势、电位、电能的概念及电流、电压的参考方向。4.了解参考方向与实际方向之间的关系。5.掌握欧姆定律。6.理解电路短路、开路的特点。7.掌握串联分压原理和并联分流原理。8.掌握基尔霍夫的两个定律,了解用支路电流法求解电路。技能目标 1.能画出简单的电路模型。2.会判断电流、电压的实际方向。3.会熟练应用欧姆定律。4.掌握电压、电位的计算方法。5.会进行串联电路和并联电路的分析、计算。6.会进行一般复杂电路的分析、计算。第一章 直流电路第一节 电路的基本结构和电路模型 一、电路的定义及组成一、电路的定义及组成 1.电路的定义 让我们来做个实验，在磁性黑板上连接如图1-1所示电路，合上开关，小灯泡发光。先后取走任一元件，观察小灯泡是否还能继续发光。将小灯泡换成电铃，重复上面的实验。由电源、用电器、开关和导线等元件组成的电流路径叫电路。电路就好比马路是人及其他物体的通道，它是电子的通道。一个正确的电路，无论多么复杂，也无论多么简单，都是由这几部分组成的，缺少其中的任一部分，电路都不会处于正常工作的状态。图1-1灯泡发光电路图第一节 电路的基本结构和电路模型 2.电路的基本组成 电路的基本组成包括以下4个部分：(1)电源(供能元件)：为电路提供电能的设备和器件(如电池、发电机等)。(2)负载(耗能元件)：使用(消耗)电能的设备和器件(如灯泡、电炉、电视机、电动机等用电器)。(3)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）。(4)连接导线：将电器设备用导线按一定方式连接起来(如各种铜、铝电缆线等)。二、电路模型二、电路模型 以理想电路元件代替实际的元件组成电路，即为实际电路的模型，如图1-1所示。图1-2所示为最简单的直流电路灯泡电路。图1-2简单的直流电路第一节 电路的基本结构和电路模型 1.电路的状态 (1)通路(闭路)。电源与负载接通，电路中有电流通过，电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。(2)开路(断路)。如图1-1所示，打开开关，或将电路中的某一部分断开，小灯泡都不会发光，说明电路中没有电流。这种因某一处断开而使电路中没有电流的状态叫开路，又称为空载状态。(3)短路(捷路)。将图1-2中的小灯泡取下，用导线直接把电源的正、负极连接起来，过一会儿如果用手摸导线会感觉到导线发热。这种没有用电器而是直接用导线将电源正、负极相连的电路叫短路。短路是非常危险的，可能把电源烧坏，是不允许的。短路时，输出电流过大对电源来说属于严重过载，如没有保护措施，电源或电器会被烧毁或发生火灾，所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置，以避免发生短路时出现不良后果。在交流电中，常在总开关处接上保险丝，如果火线和零线直接连接，则保险丝会烧断，而不会烧坏电源，但电器及电线则可能被烧坏。所以，要尽量避免短路现象的发生。第一节 电路的基本结构和电路模型 2.电路模型 突出实际电路元件的主要电磁性能，忽略次要因素的元件叫理想电路元件。电路模型中通常遵守以下几点：（1)在一定条件下对实际器件加以理想化，只考虑其中起主要作用的某些电磁现象。（2)理想电路元件是一种理想化的模型，简称为电路元件。电阻元件是一种只表示消耗电能的元件;电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件;电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件。（3)具有两个引出端的元件，称为二端元件;具有两个以上引出端的元件，称为多端元件。3.电路图 在设计、安装、修理各种实际电路的时候，常常需要画出表示电路连接情况的图。为了简便，通常不画实物图，而用国家统一规定的符号来代表电路中的各种元件。常见的理想元件及符号如表1-1所示。用统一规定的图形符号画出的电路模型图称为电路图。图1-1即为一电路图。4.电路的作用 (1)实现能量转换和电能传输及分配。(2)信号处理和传递。表1-1见书上3页第二节 电流 一、电流的基本概念一、电流的基本概念 电路中电荷沿着导体的定向运动形成电流，习惯上，人们把正电荷流动的方向规定为电流的方向。大小与方向都不随时间变化的电流称为稳恒电流，又称直流电流，用符号“I”表示；大小与方向都随时间变化的电流，称为交流电流，用符号“i”表示。讨论一般电流时可用符号i表示。电流的大小等于在单位时间内通过导体横截面的电量，称为电流强度(简称电流)。二、直流电流和交流电流二、直流电流和交流电流 如果电流的大小及方向都不随时间变化，即在单位时间内通过导体横截面的电量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流，简称为直流(Direct Current)，记为DC或dc。直流电流要用大写字母I表示。对于直流电流，在任一瞬间t通过电路的电荷量q都不变，其电流为：直流电流I与时间t的关系在It坐标系中为一条与时间轴平行的直线。如果电流的大小及方向均随时间变化，则称为变动电流。对电路分析来说，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化，将之简称为交流(Alternating current)，记为AC或ac。交流电流的瞬时值要用小写字母i或i(t)表示。对于交流电流，由于通过电路的电荷量一直在变化，只能取一个非常小的时间间隔t,此时通过的电荷量为q，则此时电流为：第二节 电流 在国际单位制中,电流的单位名称是安培(A),简称安;电荷量的单位为库仑(C),简称库。常用的电流单位还有毫安（mA）、微安（A）、千安（kA）等，它们与安培的换算关系为：1mA=10-3A;1A=10-6A;1kA=103A 三、参考方向的引入三、参考方向的引入 在分析电路时，对复杂电路中某一段电路里电流的实际方向有时很难确定，而且有时电流的实际方向还在不断地改变，因此在电路中很难标明电流的实际方向，为了解决这一困难，引入了电流的参考方向这一概念。在一段电路或一个电路元件中事先选定一个方向，这个选定的电流方向就叫做电流的参考方向。（1）参考方向一经选定，在电路分析和计算过程中，不能随意更改；（2）所选定的电流参考方向并不一定就是电流的实际方向。电流参考方向的表示方法如下：（1）用实线箭头表示，如图1-3所示。（2）用双下标表示。如iAB表示电流的参考方向是由A指向B。图 1-3第二节 电流 电流参考方向的表示方法如下：（1）用实线箭头表示，如图1-3所示。（2）用双下标表示。如iAB表示电流的参考方向是由A指向B。若一致，则电流值为正，即i0；若相反，则电流值为负，即i0；相反时，电压值为负值，即UR1，则0，将电阻称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2R1，则0，将电阻称为负温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。显然的绝对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。很显然，R2=R11+(t2t1)第五节 电能和电功率 一、电能一、电能 电能是指在一定时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量，也等于电场力所作的功，用符号W表示，其国际单位为焦尔(J)，电能的计算公式为：W=UIt 根据欧姆定律U=RI，上式可以写为W=RI2t或W=U2t/R。通常电能用千瓦时(kWh)来表示大小，也叫做度(电)。1度(电)=1kWh=3.6 106J 即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。二、电功率二、电功率 单位时间内负载消耗的能量称为负载取用的电功率，简称功率。它是表明负载消耗电能快慢程度的物理量，用P表示，单位为瓦（W），用公式表示为：P=W/t=UIt/t=UI 电功率所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能。当电路为纯电阻时，根据欧姆定律，上式可以写成：P=RI2或P=U2/R 功率的国际单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们 与W的换算关系是：1mW=10-3W 1kW=103W第五节 电能和电功率 一个电路最终的目的是电源将一定的电功率传送给负载，负载将电能转换成工作所需要的一定形式的能量。即电路中存在发出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件(耗能元件)。通常所说的功率P又叫做有功功率或平均功率。习惯上，通常把耗能元件吸收的功率写成正数，把供能元件发出的功率写成负数，而储能元件(如理想电容、电感元件)既不吸收功率也不发出功率，其功率P=0。第六节 电阻的连接 一、电阻串联一、电阻串联 把若干元件一个接一个地依次连接起来，称为串联，如图1-15 所示。对于串 联电路，流过各元件的电流均相等。图1-15电阻的串联 1.串联电路的基本特点 （1）电路中各处的电流相等I1=I2=I3=In （2）电路两端的总电压等于各部分电路两端的电压之和U=U1+U2+U3+Un 2.串联电路的几个重要性质 根据串联电路的基本特点和欧姆定律来推导。（1）串联电路的总电阻（即用一个电阻代替电路中的几个电阻，而效果相同）U=IRU=U1+U2+U3+UnIR=IR1+IR2+IR3+IRnR=R1+R2+R3+Rn 故串联电路的总电阻等于各段电路中电阻之和。（2）串联电路的电压分配I=U/RU/R=U1/R1=U2/R2=U3/R3=Un/Rn 故串联电路中各电阻两端的电压跟它的阻值成正比，即各电阻中流过的电流相等。则：U=IR1+IR2+IR3+IRn=U1+U2+U3+Un 故总电压等于串联电路中各电阻分压之和。两电阻串联时（如图1-16所示），则：U1=R1U/R1+R2 U2=R2U/R1+R2 图1-16 两电阻串联第六节 电阻的连接 （3）串联电路的功率分配P=I2R P1/R1=P2/R2=P3/R3=Pn/Rn P=P1+P2+P3=R1I2+R2I2+R3I2=RI2 故串联电路中各电阻消耗的功率跟它们的阻值成正比。如把阻值不同的灯泡串连接入照明电路中，会看到阻值大的灯泡亮，表明它消耗的功率大；阻值小的灯泡暗，表明它消耗的功率小。二、电阻并联二、电阻并联 如果把两个或多个元件的一端连在一起，另一端也相互连在一起，这种连接叫做并联，如图1-17 所示。图1-17 电阻的并联 电阻并联电路的特点：(1)各电阻上电压相同。(2)各分支电流之和等于等效后的电流，即I=I1+I2+I3+In。(3)几个电阻并联后的电路，可以用一个等效电阻R替代，且1/R=1/R1+1/R2+1/R3+1/Rn。两个电阻并联时(如图1-18所示)，R=R1R2/R1+R2，I1=R2 I/R1+R2，I2=R1 I/R1+R2。(4)分流公式：I1=R I/R1，I2=R I/R2。(5)功率分配：P=P1+P2+P3=U2R1+U2/R2+U2/R3=U2/R。第六节 电阻的连接 图1-18 两电阻并联 注意：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越大。三、电阻混联三、电阻混联 电阻混联就是电路中既有串联连接又有并联连接的电路。第六节 电阻的连接 1.几个概念 具有相同电压、电流关系（即伏安关系，简写为VAR）的不同电路称为等效电路。如图1-19所示。图1-19 等效电路 将某一电路用与其等效的电路替换的过程称为等效变换。将电路进行适当的等效变换，可以使电路的分析和计算得到简化。2.方法 利用串联、并联的特点化简为一个等效电阻。图1-19（a）中的R总=R1R2/R1+R2，图1-19（b）中的R=R1R2/R1+R2。第六节 电阻的连接 3.改画步骤 先画出两个引出端钮；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。如图1-19中A、B点所示。第六节 电阻的连接 (2)先将电路图化简,并转化为常规直流电路。就本题而言,仔细分析发现25和5电阻被短路,则原图可化为如图1-23所示的电路。图1-23 等效变换电路 第七节 复杂电路的分析方法 一、几个基本概念 1.复杂电路 在实际电路中，往往会遇到一些不能用串联或并联简化的电路，这就是复杂电路。在复杂电路中，包括多个电源和多个电阻，因而不能直接用欧姆定律求解。计算复杂电路主要依据欧姆定律和基尔霍夫定律，这两条定律既适用于直流电路，又适用于交流电路和含有电子元件的非线性电路，因而是分析计算电路的基本定律。2.电源 电路中的功能元件称为电源，可以采用两种模型表示，即电压源和电流源。（1）理想电压源（恒压源）符号（如图1-24所示）图1-24第七节 复杂电路的分析方法 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，电压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。（2）理想电流源（恒流源）符号（如图1-25所示）图1-25 特点。无论负载电阻如何变化，输出电流总保持给定的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。3.支路 由一个或几个元件首尾相接构成的无分支电路称为支路。在同一支路内，流过所有元件的电流相等。4.节点 3条以上支路的交汇点，称为节点。第七节 复杂电路的分析方法 5.回路 电路中任一闭合路径称为回路，一个回路可能只含有一条支路，也可能包含几条支路。6.网孔 回路内部不含有支路的最简单的回路称为网孔。二、基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律又称节点电流定律，简称KCL。1.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。2.公式表达 I流入=I流出，I=0。当用第二个公式时，规定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负。第七节 复杂电路的分析方法 3.广义节点 基尔霍夫电流定律可以推广应用于任意假定的封闭面。如图1-30所示，对虚线所包围的闭合面可视为一个节点，该节点称为广义节点。流进封闭面的电流等于流出封闭面的电流。如图1-29所示，I1+I3-I2-I4=0或I1+I3=I2+I4。图1-29 图1-30 又如图1-30所示，I1+I2-I3=0或I1+I2=I3。第七节 复杂电路的分析方法 三、基尔霍夫电压定律三、基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律又叫回路电压定律，简称KVL。1.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 U0或RI=US 3.常用公式 RI=US 列回路的电压方程的步骤如下：（1）先设定一个回路的绕行方向和电流的参考方向。（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。第七节 复杂电路的分析方法 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。如图1-26所示，网孔 1 即是一个不闭合的回路，把不闭合两端点之间的电压列入回路电压方程，则其电压方程可以写为：R1I1+Uab=U1，则Uab=-R1I1+U1，由此总结出任意两点之间的电压Uab=RI-US，其中R上的电压方向和US上的电压方向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Uab，则Uab=RI-US=-R2I2-（-U2）=U2-R2I2。电路中任意两点之间的电压是与计算路径无关的，是单值的。所以，基尔霍夫电压定律是两点之间的电压与计算路径无关这一性质的具体表现。4.电位的计算 在电路中任选一节点，设其电位为零，此点称为参考点。其他各节点对参考点的电压，便是该节点的电位，记为“VX”，如图1-32所示。a点电位：Va=+5V b点电位：Vb=-5V 图1-32第七节 复杂电路的分析方法 注意：电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其他各点的电位也将随之改变；电路中两点之间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。第七节 复杂电路的分析方法 四、支路电流法四、支路电流法 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，则称为独立回路。对于一个复杂电路，以支路电流为未知量，先假定各支路的电流的参考方向和回路方向，再根据基尔霍夫定律列出方程式进行计算的方法，称为支路电流法。其解题步骤如下：（1）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。（2）确定方程数，若有b条支路，则有b个方程。（3）列独立的KCL方程（节点电流方程），若有n个节点，则可列n-1个独立的节点电流方程。（4）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。（5）联立方程组，求解未知量。实验实训一 基尔霍夫定律验证及电位测量实验 一、实验目的 1.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。2.学会搭接简单电路的方法。3.学会使用万用表测量元件电阻、各部分电路电流和电压。二、实验原理 1.基尔霍夫电流定律（KCL）指出，对电路中的任意一个节点而言，任一瞬间流入该节点的电流的代数和恒等于零，即I=0。2.基尔霍夫电压定律（KVL）指出，在任一瞬间沿电路中任一闭合回路绕行一周，各段电压的代数和恒等于零，即U=0。三、实验器材 1.直流电源 2.万用表 3.电阻 四、实验步骤 1.验证KCL。按图1-51所示连接线路，测量各支路电流，点击运行按扭，将数据记入表1-2中。表1-2 见书33页实验实训一 基尔霍夫定律验证及电位测量实验 2.验证KVL。按图1-52所示连接电路，点击运行按扭，将数据记入表1-3中。图1-52 KVL的验证 表1-3 见书第33页 五、实验结论 通过本实验验证了KCL及KVL的正确性。第二章 交流电路 知识目标 1.了解交流电的概念、周期和频率。2.掌握有效值的定义。3.掌握正弦量有效值、最大值、平均值的关系。4.理解正弦量的解析式、波形图、三要素的概念。5.掌握正弦量的频率、角频率、周期的关系。6.掌握正弦量的初相与相位差。7.掌握单一参数电路电压（电流）的计算。8.掌握电阻、电感、电容的电压与电流的关系。9.了解R、L、C元件电压与电流的关系，感抗、容抗的概念。10.理解瞬时功率、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、功率三角形的概念。11.熟悉三相交流电源、三相四线制电路和三相三线制电路的基本概念。12.掌握三相交流电源的星形连接和三角形连接的特点，并掌握两种连接方式下，线电压与相电压、线电流与相电流的关系。13.了解中性线的作用。14.掌握三相电路的有功功率的概念及计算。15.理解三相电路的功率因数的概念及提高功率因数的方法。技能目标 1.能够分析交变电流产生的物理过程。2.会分析正弦电路中的电阻元件。3.能够进行有功功率、无功功率、视在功率、功率因数的计算。4.掌握对称三相电路功率的计算。5.了解提高功率因数的方法。第一节 交流电的基本概念 一、直流电和交流电 电荷是物质的固有属性。通常，物体中的正、负电荷数量是相等的，一旦物体失去或得到一些电子时，就带有正电或负电。电荷有规则地运动就产生电流。电流的大小和方向都不随时间变化，称为直流电。电流的大小随时间作周期性变化，但方向不变，也属于直流电，称为脉动直流电。电流的大小和方向都随时间作周期性变化，且在一个周期内平均值为零，这样的电流统称为交流电。电流强度表示电流的大小，单位为安培，简称安，用符号“A”表示。在日常生活中，由电池提供的电流是直流电。家庭用电和生产中用电几乎都是交流电。直流输电以其输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点受到电力部门的欢迎。但是交流发电设备的性能好、效率高，生产交流电的成本较低，交流电可以用变压器变换电压，有利于通过高压输电，实现电能集中统一输送与控制；另外，三相交流电动机结构简单、价格低廉、使用维护方便，被广泛应用。第一节 交流电的基本概念 二、直流电和交流电的图像 图2-4（a）所示为电流的大小和方向都不随时间变化的直流电的图像、电流的大小变化但方向不变的脉动直流电的图像。交流电的变化规律还可以用图2-4（b）所示的图像来表示。在直角坐标系中，横轴表示线圈平面跟中性面的夹角（或者表示线圈转动经过的时间t），纵坐标表示感应电动势e（感应电流I）。图2-4 直流电和交流电的图像 三、交流电的周期和频率 频率是表示交流电随时间变化快慢的物理量，即交流电每秒钟变化的次数，用符号f表示。它的单位为赫兹，常用“Hz”表示。平常我们生活中的用电为频率为50Hz的交流电。交流电随时间变化的快慢还可以用周期这个物理量来描述。交流电变化一次所需要的时间叫周期，用符号T表示，单位是秒。周期和频率互为倒数，频率=1/周期，即f=1/T或T=1/f。交流电随时间变化越快，其频率f越高，周期 T越短；反之，频率f越低，周期T越长。第二节 正弦交流电路 一一、正弦交流电的概念及特点、正弦交流电的概念及特点 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）。日常生活、生产使用的电能大多是正弦交流电。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，应用变压器可以改变电压的大小，通常利用升压变压器升高电压，高压输电可以减少线路上的损耗；利用降压变压器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、正弦量的三要素二、正弦量的三要素 1.变化的快慢 正弦量变化的快慢用周期、频率或角频率来描述。(1)周期T：单位为s。(2)频率f：单位为Hz。周期和频率前面已经介绍过。(3)角频率：代表正弦量辐角变化的速度，单位为弧度/秒（rad/s）。=2/T=2f 周期越短，频率（角频率）越高，交流电变化越快。如果f=50Hz，则T=1/f=1/50=0.02s，=2f=314rad/s。第二节 正弦交流电路 2.变化的先后 正弦量变化的先后用初相角来描述。正弦交变电压、电流的数学表达式分别为 u=Umsin(t+uo)i=Imsin(t+io)式中，正弦交变量的辐角t+0在电学上称为相位角，又称相位。在计时起点即t=0时的相位，称为初相0，的大小和正负与计时起点有关，规定|180。3.变化的幅度 正弦量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Em、Um、Im。一个正弦量与时间的函数关系可用它的频率、初相和振幅3个量来表示，这3个量就叫正弦交流电的三要素。三、正弦量的解析式 对一个正弦交流电量来说，如果其周期、初相、振幅唯一确定，则其解析式可表示为：e=Emsin(t+)式中，Em为振幅，为角频率，t+为相位，为初相。第二节 正弦交流电路 四、正弦交流电的波形图 正弦交流电的波形图如图2-5所示。图2-5 正弦交流电的波形图 如果初相不为零，其正弦波形如图2-6所示。几种不同计时起点的正弦电流波形如图2-7所示。图2-6 初相不为零的正弦波形 图2-7 几种不同计时起点的正弦电流波形第二节 正弦交流电路 五、正弦量的有效值与平均值五、正弦量的有效值与平均值 1.有效值的定义 交流电的有效值是根据它的热效应确定的。交流电流i通过电阻R在一个周期内所产生的热量和直流电流I通过同一电阻R在相同时间内所产生的热量相等,则这个直流电流I的数值叫做交流电流i的有效值,用大写字母表示,如I、U等。2.正弦量的有效值 设正弦交流电流i(t)=Imsint，则它的有效值I=Im/21/2=0.707Im 对交流电压和电动势也是如此，其有效值为：U=1/21/2Um=0.707Um E=1/21/2Em=0.707Em 正弦量的有效值和最大值有固定2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：i(t)=Imsin（t+）=21/2Isin（t+）在工程上，一般所说的正弦电压、电流的大小都是指有效值。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Um21/2U1.414220V311V。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。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。第二节 正弦交流电路 3.正弦量的平均值 交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷与该段时间的比值。正弦量的平均值通常指正半周内的平均值，它与振幅值的关系为：平均值=0.637振幅值 六、相位差与相位关系 在电学中，频率相同的两个正弦电量，如果初相位不同（起点不同），它们的相位角t+0亦不同，相位角之间将存在一个差值，此差值称为相位差。1.正弦量的表达式 u(t)=Umsin(t+)当正弦量的初始值为正时，角为正；当正弦量的初始值为负时，角为负。如图2-10所示，如果正弦量零点在纵轴的左侧时，角为正；如果正弦量零点在纵轴的右侧时，角为负。（a）u(t)=Umsin(t+/3)(b)u(t)=Umsin(t-/3)图2-10 第二节 正弦交流电路 同频率正弦量的几种相位关系：设u1(t)=U1msin(t+1),u2(t)=U2msin(t+2)(t+1)-(t+2)=1-2，即初相角之差。当1-2=0，称u1(t)与u2(t)相同，如图2-11（a）所示；当1-2=/2，称u1(t)与u2（t）正交，如图2-11（d）所示；当1-2=，称u1(t)与u2(t)反相，如图2-11（c）所示；当1-2=，则u1(t)越前u2(t)，角或u2(t)滞后u1(t)，角，如图2-11（b）所示。图2-11 注意：不同频率的正弦量不能用公式=1-2来进行相位差计算。第二节 正弦交流电路 七、正弦交流电的矢量表示法 1.矢量的概念 既有大小又有方向的物理量叫矢量。矢量又称为向量。矢量一般用箭头的长度和角 度来表示。若用符号来表示，如U（读作U点），表明这个量是矢量。2.正弦交流电的矢量表示法 正弦交流电可用波形图或三角函数解析式表示正弦电压、电流，此两种表示法比较直观，但进行运算并不方便。旋转矢量表示法是指在直角坐标系中，用一个绕原点以角速度匀速旋转的矢量来表示正弦量的方法。该矢量的长度与正弦量的最大值成正比，矢量初始位置与横轴正向夹角等于初相，矢量旋转的角速度等于正弦量的角频率，矢量在任一时刻t与横轴正向夹角t+0等于该时刻正弦量的相位，则矢量任一时刻在纵轴上的投影高度等于该时刻正弦量的瞬时值。所以，旋转矢量可以把正弦量的三要素表示出来，即可以表示正弦量。如图2-13所示，旋转矢量的长度为正弦电压的最大值Um，矢量与横轴夹角为初相位；旋转矢量以角速度按逆时针方向旋转。旋转矢量不同时刻在纵轴上的投影高度就是所示正弦电压在这一时刻的数值。如u=Umsin(t+)，表示电压u的旋转矢量为Um。第二节 正弦交流电路 图2-13 正弦量的瞬时值表示 用一个旋转矢量来完整地描述一个正弦量，这就是正弦量的矢量表示法。但应注意，这只是一种表示方法，它并不等于该正弦量，它在实轴上的分量乘以2才等于正弦量本身。u=21/2Usin(t+)=Umsin(t+)在一个坐标平面上，假如令矢径等于振幅，初始位置与横坐标的夹角等于初相角，那么，当它以的角速度逆时针旋转时，在纵轴上的投影高度即为正弦量。第三节 电容和电感 一、电容 1.电场的基本概念 (1)带电体周围存在电场。电场对场中电荷具有作用力。（2）电场强度：描述电场强弱的物理量，其定义为带单位电量的电荷在电场中受到的电场力。其表达式为：E=F/q 电场强度不仅有大小还有方向。在电场中，正电荷的受力方向与电场强度的方向相同，负电荷的受力方向与电场强度的方向相反。电场分为两种：一种是静电场，另外一种为感应电场。静电场是由静止的电荷激发的电场，感应电场是由变化的磁场激发的电场。2.电容器 （1）电容的定义.一种储存电场能量的实际器件，是由两个金属电极中间夹一层绝缘体（又称电介质）所构成。电容器所带电量Q与电容器两极板之间的电压U的比值，称为电容器的电容，用C表示。电容元件是一个理想的二端元件。（2）电容的图形符号，如图2-16所示。图2-16第三节 电容和电感 （3）电容的表达式.电容量表征导体在单位电压作用下储存电荷的能力，是由电容器本身的性质（导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的，与电容器是不是带电无关。电容的公式为：C=Q/U 电容的国际标准单位为法拉,符号为F;1F=1CV。常采用微法（F）和皮法（pF）作为其单位。它们的换算关系为：1F=10-6F 1pF=10-12F （4）电容器的分类.按照介质可以分为空气电容器、纸介质电容器、银介质电容器、云母介质电容器、油介质电容器、金属介质电容器等。按照电容的容量是否可调可以分为固定电容器、可调电容器。按照电容器有无极性可以分为无极性电容器和电解电容器。（5）平板电容器.电容器两金属片是平行平面，中间是均匀电场。E=Q/A，C=A/d=Q/U，与、有关，但与无关。式中，E为电场强度，Q为电量，A为电容器极板的面积，为介电常数，d为电容器两极板间距离。（6）广义电容器.任何两个导体间都存在电容，如输电线之间，输电线与大地之间，晶体管各极之间，电机变压器绕组的匝之间，绕组与机壳之间，但都较小。第三节 电容和电感 1.主要技术参数 （1）额定电压。若电容器的工作电压超过额定电压，将导致介质被击穿，从而使电容器被毁坏。（2）标称容量。（3）允许误差。（4）绝缘电阻。绝缘电阻应越大越好。R=UIL，U 为所加电压，IL为漏电流。（5）识别方法。识别方法有数值法和色标法。有极性的电解电容器上标有负号的一端（一般为短脚）是负极，另一端是正极。在直流电路中，电解电容器正、负极不能接反，否则会爆炸。2.用途 具有“隔直通交”的特点，常用于滤波、旁路、信号调谐等方面。3.电容器的串联 串联时各物理量为：（1）电量：Q=Q1=Q2=Q3;（2）电压：US=U1+U2+U3;（3）电容量：Q=C1U1=C2U2=C3U3;US=U1+U2+U3=Q/C1+Q/C2+Q/C3=Q(1/C1+1/C2+1/C3)又：US=Q/C 所以：1/C=1/C1+1/C2+1/C3 U1U2U3=Q/C1Q/C2Q/C3=1/C11/C21/C3 因此，电容器串联之后，总容量减少，这相当于电阻的并联。图2-17 电容器的串联电容器第三节电容和电感 4.电容器的并联（如图2-18所示）并联时各物理量为：（1）电量：Q=Q1+Q2+Q3 （2）电压：US=U1=U2=U3 （3）电容量：Q1=C1U,Q2=C2U,Q3=C3U Q1Q2Q3=C1C2C3 Q=Q1+Q2+Q3=C1U+C2U+C3U=(C1+C2+C3)U C=C1+C2+C3 所以，电容器并联之后，总容量增大，这相当于电阻的串联。当单独一个电容器的电容量不能满足电路要求，而耐压满足要求时，需并联使用，但是要注意：（1）每只电容器均承受着外加电压；（2）每只电容器的耐压均应大于外电压，否则一只电容器被击穿，整个并联电路就被短路，会对电路造成危害。图2-18 电容器的并联电容器第三节 电容和电感 5.电容上的电压和电流的关系 （1）根据电流的定义有：Q=CU 关联参考方向为：i=Cu/t 电流与该时刻电压的变化率成正比。若电压不变，i=0，电容相当于开路（隔直流作用）。(2)电容上的电压不能发生突变，常利用电容的这种特性对电路元件进行过电压保护。(3)在直流电路中，电容相当于断路（开路）。6.电场能量 电容器为储能元件，不耗能。电压增加时，存储电能；电流减少时，放出电能。7.电容器的击穿 （1）电介质：电场中不导电的绝缘体，电介质中每一原子中的电子受原子核的束缚力很强，不能形成自由电子，故不能导电。（2）电介质的击穿：电介质所能承受的电场强度有一定限度，当被束缚的电子脱离了原子核的束缚而参加导电，就破坏了绝缘性能，这一现象称为电介质的击穿。电介质所能承受的极限电场强度称为击穿电场强度，也称绝缘强度。（3）调谐 （4）耦合交流 （5）交流旁路 （6）能量转换第三节 电容和电感 （3）电介质击穿的避免 采用绝缘强度高的材料。绝缘材料有一定厚度，且不含杂质，如气泡或水分。设法使电场按要求分布，避免电力线在某些地方过于密集。（4）电介质击穿后的利用 电弧焊。日光灯。避雷器。8.电容器的作用 （1）滤波 （2）隔直流第三节 电容和电感 二、电感 1.磁场的基本知识 磁场是一个特殊的物质，它具有两个特征：磁场对场中的小磁针、运动电荷以及载流导体有作用力；磁场具有能量，它会对场中移动的载流导体作功。（1）磁感应强度.磁场中某一点上的电流元（一个非常短的导线l与流过它的电流I的乘积，称为电流元），当它