电工学基础从零开始.ppt

参考信息 教材：教材：秦曾煌主编 电工学（第六版）教教师信息信息 王伦耀，副教授 信息楼415电话：[phone] 696815(短号)Email: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。第第1章章 电路的基本概念与基本定律电路的基本概念与基本定律1.11.1 电路的作用与组成部分电路的作用与组成部分电路的作用与组成部分电路的作用与组成部分1.21.2 电路模型电路模型电路模型电路模型1.31.3 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向1.41.4 欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律1.51.5 电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路1.61.6 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.71.7 电路中电位的概念及计算电路中电位的概念及计算电路中电位的概念及计算电路中电位的概念及计算本章要求本章要求本章要求本章要求:1.1.1.1.理解电压与电流参考方向的意义；理解电压与电流参考方向的意义；理解电压与电流参考方向的意义；理解电压与电流参考方向的意义；2.2.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；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；3.3.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，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，理解电功率和额定值的意义；理解电功率和额定值的意义；理解电功率和额定值的意义；理解电功率和额定值的意义；4.4.会计算电路中各点的电位。会计算电路中各点的电位。会计算电路中各点的电位。会计算电路中各点的电位。第第1章章 电路的基本概念与基本定律电路的基本概念与基本定律1.1 电路的作用与组成部分电路的作用与组成部分 (1)(1)实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换 (2)(2)实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理放放大大器器扬声器声器话筒筒1.1.电路的作用电路的作用电路的作用电路的作用 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。或电路元件按一定方式组合而成。发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电电动机电炉炉.输电线输电线电源电源: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发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变压器变压器电灯电灯电动机电电动机电炉炉.输电线输电线 电源或信号源的电压或电流称为电源或信号源的电压或电流称为激励激励，它推动电路，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为工作；由激励所产生的电压和电流称为响应响应。直流直流直流直流电电源源源源直流电源直流电源:提供能源提供能源信号处理：信号处理：放大、调谐、检波等放大、调谐、检波等负载负载信号源信号源:提供信息提供信息放放大大器器扬声器声器话筒筒 电路分析，就是在电路分析，就是在电路分析，就是在电路分析，就是在已知电路的结构和元件参数的已知电路的结构和元件参数的已知电路的结构和元件参数的已知电路的结构和元件参数的条件下条件下条件下条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。，讨论电路的激励与响应之间的关系。，讨论电路的激励与响应之间的关系。，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。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：例：如一个白炽灯，一般将它如一个白炽灯，一般将它理想化理想化为纯电阻，当实际上它还有少量的为纯电阻，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。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。的模型也不一样，主要也是矛盾发生了变化。手电筒的电路模型手电筒的电路模型手电筒的电路模型手电筒的电路模型R+RoES+UI电池电池导线导线灯泡灯泡开关开关 电池电池是电源元件，其是电源元件，其参数为电动势参数为电动势 E 和内阻和内阻Ro；灯泡灯泡主要具有消耗电主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，能的性质，是电阻元件，其参数为电阻其参数为电阻R；筒体筒体用来连接电池和灯用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。为是无电阻的理想导体。开关开关用来控制电路的用来控制电路的通断。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电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向物理中对基本物理量规定的方向物理中对基本物理量规定的方向物理中对基本物理量规定的方向1.1.电路基本物理量的电路基本物理量的电路基本物理量的电路基本物理量的实际方向实际方向物理量物理量实实 际际 方方 向向电流电流 I正电荷运动的方向正电荷运动的方向电动势电动势E (电位升高的方向电位升高的方向)电压电压 U(电位降低的方向电位降低的方向)高电位高电位 低电位低电位 单单 位位kA、A、mA、A低电位低电位 高电位高电位kV、V、mV、VkV、V、mV、V(2)(2)参考方向的表示方法参考方向的表示方法参考方向的表示方法参考方向的表示方法电流：电流：Uab 双下标双下标电压：电压：(1)(1)参考方向参考方向参考方向参考方向IE+_ 在分析与计算电路时，对在分析与计算电路时，对电量电量任意假定任意假定的方向。的方向。Iab 双下标双下标2.2.电路基本物理量的电路基本物理量的电路基本物理量的电路基本物理量的参考方向参考方向aRb箭箭 标标abRI正负极性正负极性+abU 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：例：若 I=5A，则电流从 b 流向 a。abRIabRU+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）欧姆定律（关联）RU+IRU+I结论：对欧姆定律而言，在电压与电流处于关联时结论：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。，取正号，不关联时取负号。U=I R U U=IRIR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。向是指参考方向。关联不关联解：解：对图对图(a)，关联关联，有，有,U=IR例：例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图对图(b)，不关联不关联有有,U=IRRU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A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。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，它表示该段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。电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：线性电阻的概念：线性电阻的概念：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，R0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）有载有载：0R（2）开路：开路：R（往往用开关断开来实现）（往往用开关断开来实现）（3）短路：短路：R0。1.5 1.5 电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路IR0R EU IK1.5 电源有载工作、开路与短路电源有载工作、开路与短路有载：有载：0R负载端电压：负载端电压：U=IR，或 U=E IR0 特征特征:1.5.1 电源有载工作电源有载工作IR0R EU I 电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。在电源有内阻时，I U。电源的外特性电源的外特性EUI0 当 R00时，负载；当p0时，电源。讨论课文讨论课文p18,1.5.41.1.根据根据根据根据 U U、I I 的的的的实际方向判别实际方向判别实际方向判别实际方向判别2.2.根据根据根据根据 U U、I I 的的的的参考方向判别参考方向判别参考方向判别参考方向判别电源：电源：U、I 实际方向相反，即电流从实际方向相反，即电流从“+”端端流出流出，（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“+”端端流入流入。（吸收功率）（吸收功率）。IR0R EU +U(1)电源电源 UE1 U1E1R01IE1UR01I2200.65=223V（2）负载负载UE2 U2E2R02IE2UR02I220 0.65 R01217V例：例：如图，如图，U220V，I5A，内阻，内阻R01R020.6(1)求电源的电动势求电源的电动势E1和负载的反电动势和负载的反电动势E2；(2)试说明功率的平衡试说明功率的平衡解：解：（2）由（）由（1）中两式得）中两式得 E1E2R01IR02 I等号两边同乘以等号两边同乘以I 得得E1IE2IR01I2R02I2223521750.652 0.652 1115W=1085W15W15WE2I1085WR01I215WR02I215W负载取用取用功率功率电源源产生生的功率的功率负载内阻内阻损耗功率耗功率电源内阻源内阻损耗功率耗功率电气设备的额定值电气设备的额定值电气设备的额定值电气设备的额定值（一般下标为（一般下标为（一般下标为（一般下标为N N）额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用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电气设备的三种运行状态电气设备的三种运行状态电气设备的三种运行状态欠载欠载欠载欠载(轻载轻载轻载轻载)：I IN，P IN，P PN (设备易损坏设备易损坏设备易损坏设备易损坏)额定工作状态：额定工作状态：I=IN，P=PN (经济合理安全可靠经济合理安全可靠经济合理安全可靠经济合理安全可靠)1.额定值反映电气设备的使用安全性；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。额定值表示电气设备的使用能力。例：例：灯泡：灯泡：UN=220V，PN =60W电阻：电阻：RN=100 ，PN =1 W 特征特征:开关开关 断开，断开，R1.5.2 电源开路电源开路I=0电源端电压电源端电压(开路电压开路电压)负载功率负载功率U=U0=EP=01.开路处的电流等于零；开路处的电流等于零；I =02.开路处的电压开路处的电压 U E。电路中某处断开时的特征电路中某处断开时的特征:I+U有有源源电电路路IRoR EU0 电源外部端子被短接，电源外部端子被短接，R0。1.5.3 电源短路电源短路 特征特征:电源端电压电源端电压电源端电压电源端电压负载功率负载功率负载功率负载功率电源产生的能量全被内阻消耗掉电源产生的能量全被内阻消耗掉电源产生的能量全被内阻消耗掉电源产生的能量全被内阻消耗掉短路电流（很大）短路电流（很大）短路电流（很大）短路电流（很大）U=0 PE=P=IR0P=01.1.短路处的电压等于零；短路处的电压等于零；U =02.2.短路处的电流短路处的电流 I 视电路情况而定。视电路情况而定。电路中某处短路时的特征电路中某处短路时的特征电路中某处短路时的特征电路中某处短路时的特征:I+U有有源源电电路路IR0R EU0 1.6 基尔霍夫定律基尔霍夫定律支路：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，称为支路电流。一条支路流过一个电流，称为支路电流。结点：结点：结点：结点：三条或三条以上支路的联接点。如三条或三条以上支路的联接点。如a a，b b。回路：回路：回路：回路：由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。如：如：cabccabc，abdaabda，cadbacadbaI1I2I3ba E2R2 R3R1E11 12 23 3cd例例例例1 1：支路：支路：支路：支路：abab、bcbc、caca、（共（共（共（共6 6条）条）条）条）回路：回路：回路：回路：abdaabda、abcaabca、adbca adbca （共（共（共（共7 7 个）个）个）个）结点结点结点结点：a a、b b、c c、d d (共共共共4 4个）个）个）个）网孔：网孔：网孔：网孔：abdabd、abcabc、bcdbcd （共（共（共（共3 3 个）个）个）个）a ad db bc cE E+GGR R3 3R R4 4R R1 1R R2 2I I2 2I I4 4I IGGI I1 1I I3 3I I1.6.1 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL定律定律)（应用于节点应用于节点应用于节点应用于节点）1 1定律定律定律定律 即即即即:入入入入=出出出出 在任一瞬间，在任一瞬间，流入流入任一结点的电流任一结点的电流等于流出等于流出该该结点的电流。结点的电流。实质实质:节点不能存储电荷。节点不能存储电荷。节点不能存储电荷。节点不能存储电荷。或或:=0I1I2I3ba E2R2 R3R1E1对结点对结点 a：I1+I2=I3或或 I1+I2I3=0注意：上面的流入和流出都是指电路的参考方向。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。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。在任何一个在任何一个时刻，流过任何一个闭合面的电流的代数和为时刻，流过任何一个闭合面的电流的代数和为0。2 2推广：从节点到闭合面推广：从节点到闭合面推广：从节点到闭合面推广：从节点到闭合面例例:广义结点广义结点IA+IB+IC=0 （1）ABCIAIBIC问题：如果这个闭合面中包含电源，是不是还满足Si0？左图式（1）可以用基尔霍夫节点电流定理来证明。1.6.21.6.2 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVLKVL定律，定律，定律，定律，应用于回路应用于回路应用于回路应用于回路)1 1定律定律定律定律即：即：U=0，U是指参考方向是指参考方向对回路对回路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 I1I2I3ba E2R2 R3R1E11 12 2在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和代数和恒等于零。恒等于零。1列方程前列方程前标注标注回路循行方向；回路循行方向；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列方程时列方程时，项前符号的确定：项前符号的确定：如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。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。上了一个阻值为无穷大的电阻。注意：注意：1 1对回路对回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_解：解：应用应用基尔霍夫电压基尔霍夫电压定律定律列出列出 EBRBI2UBE0得得 I20.315mAEBRBI2R1I1US0得得 I10.57mA应用应用基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律列出列出 I2I1IB0得得 IB0.255mA例：例：如图：如图：RB20K ，R110K ，EB6VUS6V，UBE0.3V，试求电流，试求电流IB，I2及及I1。例：例：例：例：对网孔对网孔abda：对网孔对网孔acba：对网孔对网孔bcdb：R6I6 R6 I3 R3+I1 R1=0I2 R2 I4 R4 I6 R6=0I4 R4+I3 R3 E=0对回路对回路 adbca，沿逆时针方向循行，沿逆时针方向循行：I1 R1+I3 R3+I4 R4 I2 R2=0应用应用 U=0列方程列方程对回路对回路 cadc，沿逆时针方向循行，沿逆时针方向循行：I2 R2 I1 R1+E=0adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I1.7 电路中电位的概念及计算电路中电位的概念及计算电位：电路中某点至电位：电路中某点至参考点参考点的电压，的电压，记为记为“VX”。通常设参考点的电位为零。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。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：某一点电位与电压的关系：某一点a的电位的电位Va的大小等于的大小等于a点与电位参考点点与电位参考点r 的电压的电压Uar.类似海拔高度（电位）与相对地面的高度（电压）。类似海拔高度（电位）与相对地面的高度（电压）。1.1.电位的概念电位的概念电位的概念电位的概念某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为正，说明该点电位比参考点高；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。某点电位为负，说明该点电位比参考点低。某点电位为负，说明该点电位比参考点低。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路中电位的概念及计算 电位的计算步骤电位的计算步骤:(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；为零；(2)标出各电流参考方向并计算；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计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。电位。2.举例举例 求图示电路中求图示电路中各点的电位各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。解：解：设设 a为参考点，为参考点，即即Va=0VV Vb b=U=Ubaba=106=106=60V60VV Vc c=U=Ucaca =420=80 V=420=80 VV Vd d =U Udada=65=30 V=65=30 V设设 b为参考点，即为参考点，即Vb=0VV Va a =U Uabab=106=60 V=106=60 VV Vc c =U Ucbcb=E E1 1=140 V=140 VV Vd d =U Udbdb=E E2 2=90 V=90 Vbac20 4A6 10AE290V E1140V5 6A dU Uabab =106=60 V106=60 VU Ucbcb =E E1 1=140 V=140 VU Udbdb =E E2 2=90 V=90 VU Uabab =106=60 V106=60 VU Ucbcb =E E1 1=140 V=140 VU Udbdb =E E2 2=90 V=90 V 结论：结论：结论：结论：(1)(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变；(2)(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考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，点的不同而变，点的不同而变，点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。即与零电位参考点的选取无关。即与零电位参考点的选取无关。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借助电位的概念可以简化电路作图借助电位的概念可以简化电路作图借助电位的概念可以简化电路作图bca20 4A6 10AE290V E1140V5 6A d+90V20 5+140V6 cd解：解：I1I2E1（R1R2）6（42）1A I30 VA R3I3E2R2I2 042 1 2V或或 VAR3I3E2R1I1E1 044 162V例例1：如图已知：如图已知：E16V E24V R14 R2R3 2 。求。求A点电位点电位VA。例例例例1:1:图示电路，计算开关图示电路，计算开关S S 断开和闭合时断开和闭合时A点点 的电位的电位VA解解:(1)当开关当开关S S断开时断开时(2)当开关闭合时当开关闭合时,电路电路 如图（如图（b）电流电流 I2=0，电位电位 VA=0V 。电流电流 I1=I2=0，电位电位 VA=6V 。电流在闭合电流在闭合路径中流通路径中流通2K A+I I1 12k I I2 26V(b)2k+6VA2k SI I2 2I I1 1(a)例例例例2 2：电路如下图所示，电路如下图所示，电路如下图所示，电路如下图所示，(1)(1)零电位参考点在哪里？零电位参考点在哪里？零电位参考点在哪里？零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。画电路图表示出来。画电路图表示出来。画电路图表示出来。(2)(2)当电位器当电位器当电位器当电位器R RP P的滑动触点向的滑动触点向的滑动触点向的滑动触点向下滑动时，下滑动时，下滑动时，下滑动时，A A、B B两点的电位增高了还是降低了？两点的电位增高了还是降低了？两点的电位增高了还是降低了？两点的电位增高了还是降低了？A+12V12VBRPR1R212V 12V BARPR2R1I解：（解：（解：（解：（1 1）电路如左图，）电路如左图，）电路如左图，）电路如左图，零电位参考点为零电位参考点为零电位参考点为零电位参考点为+12V+12V电源的电源的电源的电源的“”端与端与端与端与12V12V电源的电源的电源的电源的“+”+”端的联接端的联接端的联接端的联接处。处。处。处。当电位器当电位器当电位器当电位器R RP P的滑动触点向下滑动时，回路中的电的滑动触点向下滑动时，回路中的电的滑动触点向下滑动时，回路中的电的滑动触点向下滑动时，回路中的电流流流流 I I 减小，所以减小，所以减小，所以减小，所以A A电位增高、电位增高、电位增高、电位增高、B B点电位降低。点电位降低。点电位降低。点电位降低。（2 2）V VA A =I IR R1 1 +12+12 V VB B =I IR R2 2 12 12