电工学基础从零开始教案资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,参考信息,教材：,秦曾煌主编 电工学（第六版）,教师信息,王伦耀，副教授 信息楼415,电话：[phone] 696815(短号),Email:wanglunyao,作业上缴：每周一次。,课代表：,实验课的上课时间和地点另行通知。,第,1,章 电路的基本概念与基本定律,1.1,电路的作用与组成部分,1.2,电路模型,1.3,电压和电流的参考方向,1.4,欧姆定律,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.6,基尔霍夫定律,1.7,电路中电位的概念及计算,本章要求:,1.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；,3.,了解电路的有载工作、开路与短路状态，,理解电功率和额定值的意义；,4.,会计算电路中各点的电位。,第,1,章 电路的基本概念与基本定律,1.1,电路的作用与组成部分,(1)实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,放大器,扬声器,话筒,1.电路的作用,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,电源:,提供,电能的装置,负载:,取用,电能的装置,中间环节：,传递、分,配和控制电能的作用,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,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,。,直流电源,直流电源:,提供能源,信号处理：,放大、调谐、检波等,负载,信号源:,提供信息,放大器,扬声器,话筒,电路分析，就是在,已知电路的结构和元件参数的条件下,，讨论电路的激励与响应之间的关系。,电路分析与设计的区别,电路分析：已知电路结构，得到电路的功能。应用电路仿制，没有知识产权。,电路设计：按照客户的要求，构建电路，使之实现相应的功能。创新的工作，往往有知识产权。,1.2,电路模型,如何理解模型：,模型往往是用数学的方法将研究对象理想化，使之反映事物的主要矛盾。,电路模型化：为了便于用数学方法分析电路,用足以反映其电磁性质的,理想,电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。（,理论上的分析都是模型的分析！,）,（如何理解“理想”？套用哲学的术语：理想的过程就是保留主要矛盾，舍去次要矛盾的过程！）,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件。,例：如一个白炽灯，一般将它,理想化,为纯电阻，当实际上它还有少量的电感和电容存在，只是这些于电阻相比是次要矛盾，可以忽略。,另外在模拟电路中，同一个电路在不同的工作环境下（如高频或低频）它的模型也不一样，主要也是矛盾发生了变化。,手电筒的电路模型,R,+,R,o,E,S,+,U,I,电池,导线,灯泡,开关,电池,是电源元件，其参数为电动势,E,和内阻,R,o,；,灯泡,主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻,R,；,筒体,用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关,用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。,它由理想元件组成,。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,1.3,电压和电流的参考方向,物理中对基本物理量规定的方向,1.电路基本物理量的,实际方向,物理量,实 际 方 向,电流,I,正电荷运动的方向,电动势,E,(电位升高的方向),电压,U,(电位降低的方向),高电位,低电位,单 位,kA、A、mA、A,低电位,高电位,kV、V、mV、V,kV、V、mV、V,(2),参考方向的表示方法,电流：,U,ab,双下标,电压：,(1),参考方向,I,E,+,_,在分析与计算电路时，对电量,任意假定,的方向。,I,ab,双下标,2.电路基本物理量的,参考方向,a,R,b,箭 标,a,b,R,I,正负极性,+,a,b,U,U,+,_,实际方向与参考方向,一致,，电流(或电压),计算值为正值,；,实际方向与参考方向,相反,，电流(或电压),计算值为负值,。,(3),实际方向与,参考方向的关系,注意：,在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。,若,I,=5A，,则电流从 a 流向 b；,例：,若 I=5A，则电流从 b 流向 a。,a,b,R,I,a,b,R,U,+,若,U,=5V,，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若,U,=5V,，则电压的实际方向从 b 指向 a。,参考方向,1.4,欧姆定律（关联）,R,U,+,I,R,U,+,I,结论：对欧姆定律而言，在电压与电流处于关联时，取正号，不关联时取负号。,U,=,I R,U,=,IR,电压与电流关联：电压降方向和电流方向一致；反之不关联。上述的方向是指参考方向。,关联,不关联,解：,对图(a)，,关联,，有,U,=,IR,例：,应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻,R,。,对图(b)，,不关联,有,U,=,IR,R,U,6V,+,2A,R,+,U,6V,I,(a),(b),I,2A,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，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,I,/,A,U,/,V,o,线性电阻的伏安特性,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。这个是电阻模型。另外也提供了一种测量电阻的方法。即伏安法。,图中电阻R为负载，,R,0,为电源内阻。根据,负载电阻R的不同将电源,分为三种工作状态。,（1）,有载,：0R,（2）,开路：,R（往往用开关断开来实现）,（3）,短路：,R0。,1.5 电源有载工作、开路与短路,I,R,0,R,+,-,E,U,+,-,I,K,1.5,电源有载工作、开路与短路,有载：0R,负载端电压：,U,=,IR，,或,U,=,E,IR,0,特征:,1.5.1 电源有载工作,I,R,0,R,+,-,E,U,+,-,I,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时,，I,U,。,电源的外特性,E,U,I,0,当,R,0,0时，,负载,；,当p0时，,电源,。,讨论课文p18,1.5.4,1.,根据,U,、,I,的,实际方向判别,2.,根据,U,、,I,的,参考方向判别,电源：,U,、,I,实际方向相反，即电流从“+”端,流出,，,（发出功率）,；,负载：,U,、,I,实际方向相同，即电流从“,+,”端,流入,。,（吸收功率）,。,I,R,0,R,+,-,E,U,+,-,+,U,(1),电源,U,E,1,U,1,E,1,R,01,I,E,1,U,R,01,I,2200.6,5=223V,（2）,负载,U,E,2,U,2,E,2,R,0,2,I,E,2,U,R,02,I,220 0.6,5,R,01,217V,例：,如图，,U,220V，,I,5A，内阻,R,01,R,02,0.6,(1)求电源的电动势,E,1,和负载的反电动势,E,2,；,(2),试说明功率的平衡,解：,（2）由（1）中两式得,E,1,E,2,R,01,I,R,02,I,等号两边同乘以,I,得,E,1,I,E,2,I,R,01,I,2,R,02,I,2,223,52175,0.65,2,0.65,2,1115W=1085W15W15W,E,2,I,1085W,R,01,I,2,15,W,R,02,I,2,15,W,负载取用,功率,电源产生,的功率,负载内阻,损耗功率,电源内阻,损耗功率,电气设备的额定值,（一般下标为N）,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载),：,I I,N,，,P I,N,，,P P,N,(设备易损坏),额定工作状态：,I=I,N,，,P=P,N,(经济合理安全可靠),1.额定值反映电气设备的使用安全性；,2.额定值表示电气设备的使用能力。,例：,灯泡：,U,N,=,220V,，,P,N,=,60W,电阻：,R,N,=,100,，,P,N,=,1 W,特征:,开关 断开，R,1.5.2,电源开路,I=,0,电源端电压,(开路电压),负载功率,U,=U,0,=E,P,=,0,1.开路处的电流等于零；,I,=0,2.开路处的电压,U,E。,电路中某处断开时的特征:,I,+,U,有,源,电,路,I,R,o,R,+,-,E,U,0,+,-,电源外部端子被短接，R0。,1.5.3,电源短路,特征:,电源端电压,负载功率,电源产生的能量全被内阻消耗掉,短路电流（很大）,U,=,0,P,E,=,P=I,R,0,P,=,0,1.,短路处的电压等于零；,U,=0,2.,短路处的电流,I,视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,I,+,U,有,源,电,路,I,R,0,R,+,-,E,U,0,+,-,1.6,基尔霍夫定律,支路：,电路中的每一个分支。,一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：,三条或三条以上支路的联接点。如a，b。,回路：,由支路组成的闭合路径。如：cabc，abda，cadba,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,1,2,3,c,d,例1：,支路：ab、bc、ca、,（共6条）,回路：abda、abca、adbca,（共7 个）,结点,：,a、b、c、d,(共4个）,网孔：abd、abc、bcd,（共3 个）,a,d,b,c,E,+,G,R,3,R,4,R,1,R,2,I,2,I,4,I,G,I,1,I,3,I,1.6.1,基尔霍夫电流定律(,KCL定律)（,应用于节点,）,1定律,即:,入,=,出,在任一瞬间，,流入,任一结点的电流,等于流出,该结点的电流。,实质:,节点不能存储电荷。,或:,=0,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,对结点,a,：,I,1,+,I,2,=,I,3,或,I,1,+,I,2,I,3,=0,注意：上面的流入和流出都是指电路的参考方向。,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。,在任何一个时刻，流过任何一个闭合面的电流的代数和为0。,2推广：从节点到闭合面,例:,广义结点,I,A,+,I,B,+,I,C,=0 （1）,A,B,C,I,A,I,B,I,C,问题：如果这个闭合面中包含电源，是不是还满足,S,i,0？,左图式（1）可以用基尔霍夫节点电流定理来证明。,1.6.2,基尔霍夫电压定律（,KVL,定律，,应用于回路,),1,定律,即：,U,=0，,U,是指参考方向,对回路1,：,对回路2,：,E,1,=,I,1,R,1,+,I,3,R,3,I,2,R,2,+,I,3,R,3,=,E,2,或,I,1,R,1,+,I,3,R,3,E,1,=0,或,I,2,R,2,+,I,3,R,3,E,2,=0,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,1,2,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。,1列方程前,标注,回路循行方向；,电位升=电位降,E,2,=,U,BE,+,I,2,R,2,U,=0,I,2,R,2,E,2,+,U,BE,=0,2,应用,U,=0,列方程时,，,项前符号的确定：,如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3.,开路电压可按回路处理，就认为在此处连上了一个阻值为无穷大的电阻。,注意：,1,对回路1,：,E,1,U,BE,E,+,B,+,R,1,+,E,2,R,2,I,2,_,解：,应用,基尔霍夫电压定律,列出,E,B,R,B,I,2,U,BE,0,得,I,2,0.315mA,E,B,R,B,I,2,R,1,I,1,U,S,0,得,I,1,0.57mA,应用,基尔霍夫电流定律,列出,I,2,I,1,I,B,0,得,I,B,0.255mA,例：,如图：,R,B,20K,，,R,1,10K,，,E,B,6V,U,S,6V，,U,BE,0.3V，试求电流,I,B,，,I,2,及,I,1,。,例：,对网孔abda,：,对网孔acba,：,对网孔bcdb,：,R,6,I,6,R,6,I,3,R,3,+,I,1,R,1,=0,I,2,R,2,I,4,R,4,I,6,R,6,=0,I,4,R,4,+,I,3,R,3,E,=0,对回路 adbca，沿逆时针方向循行,：,I,1,R,1,+,I,3,R,3,+,I,4,R,4,I,2,R,2,=0,应用,U,=0,列方程,对回路 cadc，沿逆时针方向循行,：,I,2,R,2,I,1,R,1,+,E,=0,a,d,b,c,E,+,R,3,R,4,R,1,R,2,I,2,I,4,I,6,I,1,I,3,I,1.7,电路中电位的概念及计算,电位：电路中某点至,参考点,的电压，,记为“,V,X,”,。,通常设参考点的电位为零。,对电位而言，整个电路就一个参考点；对电压来说，参考点是相对的。,电位与电压的关系：某一点,a,的电位,Va,的大小等于,a,点与电位参考点,r,的电压,Uar,.,类似海拔高度（电位）与相对地面的高度（电压）。,1.,电位的概念,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；,某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,1.7,电路中电位的概念及计算,电位的计算步骤:,(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；,(2)标出各电流参考方向并计算；,(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,2.,举例,求图示电路中各点的电位:,V,a,、,V,b,、,V,c,、,V,d,。,解：,设,a,为参考点，即,V,a,=0V,V,b,=U,ba,=,106=,60V,V,c,=U,ca,=420=80 V,V,d,=,U,da,=65=30 V,设,b,为参考点，即,V,b,=0V,V,a,=,U,ab,=106=60 V,V,c,=,U,cb,=,E,1,=140 V,V,d,=,U,db,=,E,2,=90 V,b,a,c,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,U,ab,=,106=60 V,U,cb,=,E,1,=140 V,U,db,=,E,2,=90 V,U,ab,=,106=60 V,U,cb,=,E,1,=140 V,U,db,=,E,2,=90 V,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变，,即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,b,c,a,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,+90V,20,5,+140V,6,c,d,解：,I,1,I,2,E,1,（,R,1,R,2,）,6（42）1A,I,3,0,V,A,R,3,I,3,E,2,R,2,I,2,04,2 1,2V,或,V,A,R,3,I,3,E,2,R,1,I,1,E,1,044,162V,例1：,如图已知：,E,1,6V,E,2,4V,R,1,4,R,2,R,3,2 。求A点电位,V,A,。,例,1:,图示电路，计算开关S 断开和闭合时,A,点,的电位,V,A,解:(1),当开关S断开时,(2),当开关闭合时,电路,如图（,b,）,电流,I,2,=0,，,电位,V,A,=0V,。,电流,I,1,=,I,2,=0,，,电位,V,A,=6V,。,电流在闭合,路径中流通,2K,A,+,I,1,2k,I,2,6V,(b),2k,+6V,A,2k,S,I,2,I,1,(a),例2：,电路如下图所示，(1)零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。(2)当电位器,R,P,的滑动触点向下滑动时，A、B两点的电位增高了还是降低了？,A,+,12V,12V,B,R,P,R,1,R,2,12V,12V,B,A,R,P,R,2,R,1,I,解：（1）电路如左图，零电位参考点为+12V电源的“”端与12V电源的“+”端的联接处。,当电位器,R,P,的滑动触点向下滑动时，回路中的电流,I,减小，所以A电位增高、B点电位降低。,（2）,V,A,=,I,R,1,+12,V,B,=,I,R,2,12,