电工学-1.ppt

电工学 上册 电工技术,陈世展 shizhan@ 办公室： 25楼-B607 27404544,,一、电工技术课程简介 1、课程性质 技术基础课 2、主要内容和任务 研究电路分析的基本概念、基本理论、基本方法 为学习后续课程，从事相关专业的研究提供必要的基础理论和实验技能二、教学安排 1、时间 计划第十一周考试 2、教材及讲授内容 教材《电工学》上册 ，秦曾煌主编，高教出版社 主要内容第1-第3章 + 一阶线性电路暂态分析 3、考试方式及成绩评定 闭卷, 满分50分 考试成绩(80%) + 综合成绩(20%) 4、授课方式,,三、基本要求 1、认真听课积极参与课堂讨论 2、按时交作业 3、注意学习方法 预习——听课——作业——实验 4、重视实验,,欢迎学习《电工技术》,Agenda,第1章 电路的基本概念与基本定律 重点：基本概念、定律 学时分配：4学时 第2章 电路的分析方法 重点难点：等效变化（无源二端网络、有源二端网络）；电路分析（电压源、电流源、叠加原理、支路电流法、结点压法） 学时分配：10学时 第3章 正弦交流电路 重点难点：正弦电压与电流表示；交流电路中的电阻、电感、电容元件串、并联；相位角、阻抗角的分析、计算 学时分配：10学时 第6章 电路的暂态分析 重点：换路定则；RC电路响应；三要素公式的应用 学时分配：6学时 复习 2学时,,第1章 电路的基本概念与基本定律 主要内容： 1、电路的基本概念 电路模型和电源的工作状态 电路的主要物理量 电压和电流的参考方向 电位的概念与计算 2、电路的基本定律 欧姆定律 基尔霍夫定律,,§ 1.1 电路的作用与组成部分 定义 电路是各种电器设备按一定方式连接起来的整体， 它提供了电流流通的路径。

例：下页图示；手电筒；计算机中的板卡 作用 1）实现电能的传输与转换； 2）传递和处理信号；,实现电能的传输与转换,传递和处理信号,组成,电路组成三部分：,电源 (信号源),中间环节,负载,接受电能或电信号，如电动机、电灯等,传输、分配电能，是电路的控制及连接部分，如导线，开关,供给电路电能（电信号），如发电机、电池等,,§ 1.2 电路模型 1、引入电路模型的原因 便于对实际电路进行分析和用数学描述，将实际元件理想化（或称模型化） 2、电路元件的理想化（模型化） 在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件 电阻： 电容： 电感： 3、电路模型： 由理想化元件构成的电路4、最简单的电路模型：,,§ 1.3 电压与电流的参考方向 电路的物理量 电流 带电粒子的定向移动形成了电流 电流的强弱用电流强度来度量， 数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量 设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq， 则通过该截面的电流强度为:,(1-1),,上式表明， 在一般情况下， 电流强度是随时间变化的 如果电流强度不随时间变化， 即dq/dt=常数， 则这种电流就称为恒定电流， 简称直流。

于是式（1-1）可写为 在图1-3中， 两个极板A、 B上分别带有正、 负电荷, 因而A、 B两极板间形成电场， 其方向由A指向B 电荷在电路中运动，必然受到电场力的作用， 也就是说， 电场力对电荷做了功 为了衡量其做功的能力， 引入“电压”这一物理量， 并定义：电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功称为A点到B点间的电压， 用uAB表示， 即,(1-2),,图1-3 电压和电动势,(1-3),,直流电路中， 式（1-3）应写为 电动势 在图1-3所示的电路中， 在电场力的作用下， 正电荷不断地从A移动到B， A、 B两极板间的电场逐渐减弱， 最后消失， 导线中的电流也逐渐减小为零 为了维持持续不断的电流， 就必须保持A、 B间有一定的电位差， 即保持一定的电场 这必然要借助于外力来克服电场力把正电荷不断地从B极板移到A极板去 这种外力是非电场力， 我们称之为电源力， 电源就是能产生这种力的装置 例如， 在发电机中， 当导体在磁场中运动时， 磁场能转换为电源力； 在电池中， 化学能转换为电源力1-4),,电动势是用来衡量电源力大小的物理量 电动势在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的负极板移到正极板所做的功， 用E表示。

电动势的方向是电源力克服电场力移动正电荷的方向， 从低电位到高电位 对于一个电源设备， 其电动势E与其端电压U方向相反,当电源内部没有其他能量转换(如不计内阻)时， 根据能量守恒定律， 应有 U=-E,,物理量的正方向 实际正方向： 物理中对电量规定的方向 假设正方向（参考正方向）： 在分析计算时，对电量人为规定的方向电路分析中的假设正方向 （参考方向） 问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？,,解决方法 在解题前先设定一个正方向，作为参考方向； 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式； 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反 注意事项： 符号仅表示方向，不表示加与减 方向的假定是任意的，不影响结果 一旦方向假定以后，不得中途变更,在图示电路中，已知U2=－3V，U3=－4V， U5=－6V，U6=2V，U7=3V 用箭头虚线标出各电压的实际方向§ 1.４欧姆定律 欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比注: 当电压和电流的参考方向一致时 U=RI 当电压和电流的参考方向相反时 U=－RI,应用欧姆定律对下图的电路列出式子，并求电阻。

U,I,R,,,,6V,2A,(a),,,,U,I,R,,,,6V,-2A,(b),,,,U,I,R,,,,-2A,-6V,(d),,,,U,I,R,,,,(c),-6V,2A,,,,,,“实际方向”是物理中规定的，而“假设正方向”则 是人们在进行电路分析计算时,任意假设的 (2) 方程式R = U/I 仅适用于假设U、I正方向一致的情况 (3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向” (即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算缺少“参考方向”的物理量是无意义的. (4) 为了避免列方程时出错，习惯上假设I 与 U 的参考方向 一致（关联参考方向）,提示,,§1.５电源的工作状态 电路在使用时，可能出现的状态有三种： 通路（负载状态） 断路（空载状态） 短路（短路状态）,2、电源开路： 开关断开，电路开路（空载） I→0,这时电源的端电压称为开路电压或空载电压U0，显然电路开路时，,1、 电源有载工作： 当开关K闭合时根据欧姆定律，电路中的电流为 负载电阻两端的电压为 负载电阻越小，电流越大电流越大，电源两端电压越小3、 电源短路： C,d两点之间直接被一条导线连接时，电路处于短路状态，此时R = 0 ,U = 0 , 这时电源输出的短路电流IS电流很大。

∵短路电流IS远大于正常输出电流，电源能量全部消耗在它的内阻上，造成电源损坏，这是不允许的 ∴常在电路中接入熔断器或自动断路器，起到保护作用∴ U=E-IR,,4、功率与功率平衡 （1）功率：设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电路的电流为 I， 则 这部分电路消耗的功率为: P=UI（单位：瓦，千瓦） （2）功率平衡：由U＝E－R0I得 UI＝EI－R0I2,即：P＝PE－ P P：电源输出功率 PE：电源产生的功率 P：电源内阻上损耗的功率,P = UI或P=U2/R=I2R0 作为负载其电流与电压方向相同，符合关联定义方向即功率值的正负与电流、电压的参考方向的选择有关2、负载状态,,,规定正方向的情况下电功率的写法,电压电流正方向相反,P = –UI,电压电流正方向一致,,吸收功率或消耗功率（起负载作用）,若 P  0,输出功率（起电源作用）,若 P  0,电阻消耗功率肯定为正,电源的功率可能为正（吸收功率），也可能为负（输出功率）,功率有正负,,电源与负载的判别：,电源：I 从“+”端流出，发出功率 P＜0，U 与I 的实际方向相反 负载：I 从“+”端流入，取用功率。

P＞0，U 与I 的实际方向相同 另： U 和I 两者的参考方向选得一致时:P＝UI； 相反时: P＝ - UI P 0 电源； P 〉0 负载,,额定值与实际值,额定值： 实际值：,制造厂商为了使产品能在给定的条件下正常运行而规定的正常允许值标记在电气设备或元器件铭牌上，UN表示额定电压、IN表示额定电流、PN表示额定功率元器件工作时的实际电压、电流等★使用电气设备或元器件时不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏★ 电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值,例：已知：有一额定值为5W 500 的线绕电阻，问其额定电流？在使用时电压不得超过多大？ 解： ∴ U≤RI=500×0.1=50V,,一般电路在负载状态，根据实际电流I与额定电流IN之间的关系分为以下三种运行情况： I = IN 满载运行 I IN 过载运行 I IN 欠载运行,有一台发电机，铭牌上标注数据40kW、230V、174A 它们的含义是什么？请说出电机空载、满载、欠载和过载运行时负载电流与额定电流的关系 空载：I = 0,发电机不接负载 满载：I = IN，负载电流等于额定值 欠载：I IN，负载电流大于额定值。

PN = 40kW UN = 230V IN = 174A,无源元件,1 电阻元件,电阻（R）：具有消耗电能特 性的元件i,u,当电压与电流之间不是线性函数关系时，称为非线性电阻当 恒定不变时，称为线性电阻几种常见的电阻元件,普通金属膜电阻,绕线电阻,电阻排,热敏电阻,,2 电感元件,单位：H, mH, H,电感：能够存储磁场能量的元件电感元件的基本关系式,电感是一种储能元件，储存的磁场能量为,式中μ即为线圈附近介质的磁导率（H/m)，S 为线圈的横截面积（m2)，l 是线圈的长度（m）几种常见的电感元件,带有磁心的电感,陶瓷电感,铁氧体电感,,3 电容元件,电容：具有存储电场能量特性的元件电容是一种储能元件，储存的电场能量为：,式中ε即为其间介质的介电常数（F/m)，S 为极板的面积（m2)，d 是极板的距离（m）几种常见的电容器,普通电容器,电力电容器,电解电容器,,无源元件小结,理想元件的特性 （u 与 i 的关系）,,,,,,L,C,R,,U为直流电压时,以上电路等效为,注意 L、C 在不同电路中的作用,,§1.6 基尔霍夫定律 名词解释： 支路：无分支的电路，一条支路流过同一电流。

结点：三条或三条以上支路的联结点 回路：一条或多条支路组成的闭合电路 网孔：独立回路,,这个电路看似简单，但却不能用欧姆定律解各支路电流现在我们观察这个电路的特点 （1）电路中有两个结点a和b （2）在结点之间连接多条电路，如abc，ab，adb，它们无分支，流过同一电流，称为支路 （3）存在由几条支路组成的闭合回路，如abca, adba, adbca（红线为回路绕行方向）其中，回路1和回路2没有被支路分割，这样的回路称独立回路，又称为网孔无论一个电路有多复杂，它都是由一些结点、支路和闭合回路组成基尔霍夫定律规定了电路中任一结点电流和任一闭合回路各段电压所必须服从的约束关系，是电路分析的基本理论依据 基尔霍夫电流定律（KCL） 用于确定电路中结点电流之间的关系 基尔霍夫电压定律（KVL） 用于确定同一回路中各段电压间的关系,,基尔霍夫电流定理 应用于节点 对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0, I流入=I流出 或  I =0,即：,,注意： 1.对已知电流，一般按实际方向标示，对未知电流可。