電工學(xué)基礎(chǔ)從零開始

參考信息 教材 秦曾煌主編 電工學(xué) 第六版 教師信息王倫耀 副教授信息樓415電話 0574 87600059696815 短號 Email wanglunyao 作業(yè)上繳 每周一次 課代表 實(shí)驗(yàn)課的上課時(shí)間和地點(diǎn)另行通知 第1章電路的基本概念與基本定律 1 1電路的作用與組成部分 1 2電路模型 1 3電壓和電流的參考方向 1 4歐姆定律 1 5電源有載工作 開路與短路 1 6基爾霍夫定律 1 7電路中電位的概念及計(jì)算 本章要求 1 理解電壓與電流參考方向的意義 2 理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用 3 了解電路的有載工作 開路與短路狀態(tài) 理解電功率和額定值的意義 4 會計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位 第1章電路的基本概念與基本定律 1 1電路的作用與組成部分 1 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸 分配與轉(zhuǎn)換 2 實(shí)現(xiàn)信號的傳遞與處理 1 電路的作用 電路是電流的通路 是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成 電源或信號源的電壓或電流稱為激勵(lì) 它推動(dòng)電路工作 由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng) 電路分析 就是在已知電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)的條件下 討論電路的激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系 電路分析與設(shè)計(jì)的區(qū)別 電路分析 已知電路結(jié)構(gòu) 得到電路的功能 應(yīng)用電路仿制 沒有知識產(chǎn)權(quán) 電路設(shè)計(jì) 按照客戶的要求 構(gòu)建電路 使之實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能 創(chuàng)新的工作 往往有知識產(chǎn)權(quán) 1 2電路模型 如何理解模型 模型往往是用數(shù)學(xué)的方法將研究對象理想化 使之反映事物的主要矛盾 電路模型化 為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路 用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來模擬實(shí)際電路中的器件 從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對應(yīng)的電路模型 理論上的分析都是模型的分析 如何理解 理想 套用哲學(xué)的術(shù)語 理想的過程就是保留主要矛盾 舍去次要矛盾的過程 理想電路元件主要有電阻元件 電感元件 電容元件和電源元件 例 如一個(gè)白熾燈 一般將它理想化為純電阻 當(dāng)實(shí)際上它還有少量的電感和電容存在 只是這些于電阻相比是次要矛盾 可以忽略 另外在模擬電路中 同一個(gè)電路在不同的工作環(huán)境下 如高頻或低頻 它的模型也不一樣 主要也是矛盾發(fā)生了變化 手電筒的電路模型 電池 導(dǎo)線 燈泡 開關(guān) 電池是電源元件 其參數(shù)為電動(dòng)勢E和內(nèi)阻Ro 燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì) 是電阻元件 其參數(shù)為電阻R 筒體用來連接電池和燈泡 其電阻忽略不計(jì) 認(rèn)為是無電阻的理想導(dǎo)體 開關(guān)用來控制電路的通斷 今后分析的都是指電路模型 簡稱電路 它由理想元件組成 在電路圖中 各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號表示 1 3電壓和電流的參考方向 物理中對基本物理量規(guī)定的方向 1 電路基本物理量的實(shí)際方向 2 參考方向的表示方法 電流 電壓 1 參考方向 在分析與計(jì)算電路時(shí) 對電量任意假定的方向 2 電路基本物理量的參考方向 實(shí)際方向與參考方向一致 電流 或電壓 計(jì)算值為正值 實(shí)際方向與參考方向相反 電流 或電壓 計(jì)算值為負(fù)值 3 實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系 注意 在參考方向選定后 電流 或電壓 值才有正負(fù)之分 若I 5A 則電流從a流向b 例 若I 5A 則電流從b流向a 若U 5V 則電壓的實(shí)際方向從a指向b 若U 5V 則電壓的實(shí)際方向從b指向a 1 4歐姆定律 關(guān)聯(lián) 結(jié)論 對歐姆定律而言 在電壓與電流處于關(guān)聯(lián)時(shí) 取正號 不關(guān)聯(lián)時(shí)取負(fù)號 U IR U IR 電壓與電流關(guān)聯(lián) 電壓降方向和電流方向一致 反之不關(guān)聯(lián) 上述的方向是指參考方向 關(guān)聯(lián) 不關(guān)聯(lián) 解 對圖 a 關(guān)聯(lián) 有 U IR 例 應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子 并求電阻R 對圖 b 不關(guān)聯(lián)有 U IR 電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性 遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻 它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù) 線性電阻的概念 線性電阻的伏安特性是一條過原點(diǎn)的直線 這個(gè)是電阻模型 另外也提供了一種測量電阻的方法 即伏安法 圖中電阻R為負(fù)載 R0為電源內(nèi)阻 根據(jù)負(fù)載電阻R的不同將電源分為三種工作狀態(tài) 1 有載 0 R 2 開路 R 往往用開關(guān)斷開來實(shí)現(xiàn) 3 短路 R 0 1 5電源有載工作 開路與短路 K 1 5電源有載工作 開路與短路 有載 0 R 負(fù)載端電壓 U IR 或U E IR0 特征 1 5 1電源有載工作 電流的大小由負(fù)載決定 在電源有內(nèi)阻時(shí) I U 當(dāng)R0 R時(shí) 則U E 表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí) 電源的端電壓變化不大 即帶負(fù)載能力強(qiáng) 對應(yīng)外特征曲線越平 負(fù)載端電壓 U IR 特征 1 5 1電源有載工作 電流的大小由負(fù)載決定 在電源有內(nèi)阻時(shí) I U 或U E IRo UI EI I Ro P PE P 負(fù)載取用功率 電源產(chǎn)生功率 內(nèi)阻消耗功率 電源輸出的功率由負(fù)載決定 負(fù)載大小和電阻大小是不同概念 問題 為什么當(dāng)線路上并入許多電燈時(shí) 電燈會變暗 電源會發(fā)熱 電源與負(fù)載的判別 U I參考方向相關(guān)聯(lián)時(shí) P UI 非關(guān)聯(lián)時(shí) P UI 當(dāng)P 0時(shí) 負(fù)載 當(dāng)p 0時(shí) 電源 討論課文p18 1 5 4 1 根據(jù)U I的實(shí)際方向判別 2 根據(jù)U I的參考方向判別 電源 U I實(shí)際方向相反 即電流從 端流出 發(fā)出功率 負(fù)載 U I實(shí)際方向相同 即電流從 端流入 吸收功率 U 1 電源U E1 U1 E1 R01I E1 U R01I 220 0 6 5 223V 2 負(fù)載U E2 U2 E2 R02I E2 U R02I 220 0 6 5R01 217V 解 E2I 1085W R01I2 15W R02I2 15W 負(fù)載取用功率 電源產(chǎn)生的功率 負(fù)載內(nèi)阻損耗功率 電源內(nèi)阻損耗功率 電氣設(shè)備的額定值 一般下標(biāo)為N 額定值 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值 電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài) 欠載 輕載 I IN P PN 不經(jīng)濟(jì) 過載 超載 I IN P PN 設(shè)備易損壞 額定工作狀態(tài) I IN P PN 經(jīng)濟(jì)合理安全可靠 特征 開關(guān)斷開 R 1 5 2電源開路 1 開路處的電流等于零 I 02 開路處的電壓U E 電路中某處斷開時(shí)的特征 電源外部端子被短接 R 0 1 5 3電源短路 1 短路處的電壓等于零 U 02 短路處的電流I視電路情況而定 電路中某處短路時(shí)的特征 1 6基爾霍夫定律 支路 電路中的每一個(gè)分支 一條支路流過一個(gè)電流 稱為支路電流 結(jié)點(diǎn) 三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn) 如a b 回路 由支路組成的閉合路徑 如 cabc abda cadba c d 例1 支路 ab bc ca 共6條 回路 abda abca adbca 共7個(gè) 結(jié)點(diǎn) a b c d 共4個(gè) 網(wǎng)孔 abd abc bcd 共3個(gè) 1 6 1基爾霍夫電流定律 KCL定律 應(yīng)用于節(jié)點(diǎn) 1 定律 即 入 出 在任一瞬間 流入任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流 實(shí)質(zhì) 節(jié)點(diǎn)不能存儲電荷 或 0 對結(jié)點(diǎn)a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 注意 上面的流入和流出都是指電路的參考方向 電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面 在任何一個(gè)時(shí)刻 流過任何一個(gè)閉合面的電流的代數(shù)和為0 2 推廣 從節(jié)點(diǎn)到閉合面 例 廣義結(jié)點(diǎn) IA IB IC 0 1 問題 如果這個(gè)閉合面中包含電源 是不是還滿足Si 0 左圖式 1 可以用基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定理來證明 1 6 2基爾霍夫電壓定律 KVL定律 應(yīng)用于回路 1 定律 即 U 0 U是指參考方向 對回路1 對回路2 E1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 E2 或I1R1 I3R3 E1 0 或I2R2 I3R3 E2 0 在任一瞬間 沿任一回路循行方向 回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零 1 列方程前標(biāo)注回路循行方向 電位升 電位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 2 應(yīng)用 U 0列方程時(shí) 項(xiàng)前符號的確定 如果規(guī)定電位降取正號 則電位升就取負(fù)號 3 開路電壓可按回路處理 就認(rèn)為在此處連上了一個(gè)阻值為無窮大的電阻 注意 對回路1 解 應(yīng)用基爾霍夫電壓定律列出EB RBI2 UBE 0得I2 0 315mAEB RBI2 R1I1 US 0得I1 0 57mA 應(yīng)用基爾霍夫電流定律列出I2 I1 IB 0得IB 0 255mA 例 如圖 RB 20K R1 10K EB 6VUS 6V UBE 0 3V 試求電流IB I2及I1 例 對網(wǎng)孔abda 對網(wǎng)孔acba 對網(wǎng)孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 對回路adbca 沿逆時(shí)針方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 應(yīng)用 U 0列方程 對回路cadc 沿逆時(shí)針方向循行 I2R2 I1R1 E 0 1 7電路中電位的概念及計(jì)算 電位 電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓 記為 VX 通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零 對電位而言 整個(gè)電路就一個(gè)參考點(diǎn) 對電壓來說 參考點(diǎn)是相對的 電位與電壓的關(guān)系 某一點(diǎn)a的電位Va的大小等于a點(diǎn)與電位參考點(diǎn)r的電壓Uar 類似海拔高度 電位 與相對地面的高度 電壓 1 電位的概念 某點(diǎn)電位為正 說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高 某點(diǎn)電位為負(fù) 說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低 1 7電路中電位的概念及計(jì)算 電位的計(jì)算步驟 1 任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn) 設(shè)其電位為零 2 標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算 3 計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位 2 舉例 求圖示電路中各點(diǎn)的電位 Va Vb Vc Vd 解 設(shè)a為參考點(diǎn) 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 設(shè)b為參考點(diǎn) 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V 結(jié)論 1 電位值是相對的 參考點(diǎn)選取的不同 電路中各點(diǎn)的電位也將隨之改變 2 電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的 不會因參考點(diǎn)的不同而變 即與零電位參考點(diǎn)的選取無關(guān) 借助電位的概念可以簡化電路作圖 解 I1 I2 E1 R1 R2 6 4 2 1AI3 0VA R3I3 E2 R2I2 0 4 2 1 2V 或VA R3I3 E2 R1I1 E1 0 4 4 1 6 2V 例1 如圖已知 E1 6VE2 4VR1 4 R2 R3 2 求A點(diǎn)電位VA 例1 圖示電路 計(jì)算開關(guān)S斷開和閉合時(shí)A點(diǎn)的電位VA 解 1 當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí) 2 當(dāng)開關(guān)