《電工基礎(chǔ)》電子教案

1、湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電工基礎(chǔ)電子教案第1章電路的基本概念與基本定律11 電路和電路模型1. 2 電路的基本物理量及相互關(guān)系13 電阻、電容、電感元件及其特性1. 4 電路中的獨(dú)立電源1. 5 基爾霍夫定律16 電阻、電感、電容元件的識(shí)別與應(yīng)用電路和電路模型案例 1 手電筒電路是大家所熟悉的一種用來照明的最簡單的用電器具，如圖 1.1 所示。它由四部分組成：(1)干電池，它將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能； (2)小電珠，它將電能轉(zhuǎn)換為光能；(3)開關(guān)，通過它的閉合與斷開，能夠控制小電珠的發(fā)光情況； (4)金屬容器、卷線連接器，它相當(dāng)于傳輸電能的金屬導(dǎo)線，提供了手電筒中其它元件之間的連接電路電路是由若干電氣設(shè)

2、備或元器件按一定方式用導(dǎo)線聯(lián)接而成的電流通路。通常由電源、負(fù)載及中間環(huán)節(jié)等三部分組成。蓄電池等。負(fù)載是取用電能的裝臵，通常也稱為用電器，如白熾燈、電爐、電視機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。中間環(huán)節(jié)是傳輸、控制電能的裝臵，如連接導(dǎo)線、變壓器、開關(guān)、保護(hù)電器等。實(shí)際電路的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但就其功能而言，可以劃分為電力電路（強(qiáng)電電路）、電子電路（弱電電路）兩大類。電力電路主要是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。電子電路主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理。電路模型電路模型由電路元件構(gòu)成的電路，稱為電路模型。電路元件一般用理想電路元件代替，并用國標(biāo)規(guī)定的圖形符號(hào)及文字符號(hào)表示。電路元件為了便于對(duì)電路進(jìn)行分析和計(jì)算，將實(shí)際元器件近似化、理想

3、化，使每一種元器件只集中表現(xiàn)一種主要的電或磁的性能，這種理想化元器件就是實(shí)際元器件的模型。理想化元器件簡稱電路元件。實(shí)際元器件可用一種或幾種電路元件的組合來近似地表示。電路的基本物理量及相互關(guān)系1電流（1）電流的大小 電荷的有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)就形成了電流。長期以來，人們習(xí)慣規(guī)定以正電荷運(yùn)動(dòng)的方向作為電流的實(shí)際方向。電流的大小用電流強(qiáng)度（簡稱電流）來表示。電流強(qiáng)度dQidt在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量，用符號(hào) i表示。則：式中dQdt內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量。采用大寫字母I表示，則IQt電流的單位是安培（簡稱安，用符號(hào)A表示。（2）電流的實(shí)際方向與參考方向電流不但有大小，而且還

4、有方向。在簡單電路中，如圖所示，可以直接判斷電流的方向。即在電源內(nèi)部電流由負(fù)極流向?yàn)榱朔治?、?jì)算的需要，引入了電流的參考方向。在電路分析中，任意選定一個(gè)方向作為電流的方向，這個(gè)方向就稱為電流的參考方向，有時(shí)又稱為電流的正方向。當(dāng)電流的參考方向與實(shí)際方向相同時(shí)，電流為正值。反之，若電流的參考方向與實(shí)際方向相反，則電流為負(fù)值。這樣，電流的值就有正有負(fù)，它是一個(gè)代數(shù)量，其正負(fù)可以反映電流的實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系。電流的參考方向一般用實(shí)線箭頭表示，如圖也可以用雙下標(biāo)表示，如圖（Iab表示電流的參考方向是由ab2、電壓電壓的大小電路中a、b兩點(diǎn)間電壓，在數(shù)值上等于將單位正電荷從電路中a點(diǎn)移到電路中b點(diǎn)

5、時(shí)電場(chǎng)力所作的功，用uab表示，則：dWuabdQ并規(guī)定：電壓的方向?yàn)殡妶?chǎng)力作功使正電荷移動(dòng)的方向。大小和方向都不隨時(shí)間變化的電壓稱為恒定電壓，簡稱直流電壓， 采用大寫字母U表示，如a、b兩點(diǎn)間的直流電壓為：WUabQ電壓的單位為伏特常用的單位為千伏、毫伏微伏（V）。電壓的實(shí)際方向與參考方向分析、計(jì)算電路時(shí)，也要預(yù)先設(shè)定電壓的參考方向。 當(dāng)電壓的參考方向與實(shí)際方向相同時(shí)，電壓為正值，當(dāng)電壓的參考方向與實(shí)際方向相反時(shí)，電壓為負(fù)值。電壓的參考方向既可以用正（、負(fù)）極性表示，如圖，正極性指向負(fù)極性的（其中，uaba、bab。關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向如果電流的參考方向與電壓的參考方向一致，則稱之為

6、關(guān)聯(lián)參考方向；如果電流的參考方向與電壓的參考方向不一致，則稱之為非關(guān)聯(lián)參考方向。3電功率與電能單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所作的功稱為電功率，簡稱為功率。P QU t用上式計(jì)算電路吸收的功率時(shí)，若電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)，則等式的右邊取正號(hào)；否則取負(fù)號(hào)。當(dāng) P0，表明元件吸收功率；當(dāng)P0，表明該元件釋放功率。電能就等于電場(chǎng)力所作的功，單位是焦耳（J）。Pt例11圖19中，用方框代表某一電路元件，其電壓、電流如圖中所示，求圖中各元件吸收的功率，并說明該元件實(shí)際上是吸收還是發(fā)出率？解：（1）電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)，元件吸收的功率P= UI= 53 = 15W0元件實(shí)際上是吸收功率。電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)

7、，元件吸收的功率P= -UI= -53 = -15W0元件實(shí)際上是發(fā)出功率。電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)，元件吸收的功率P= UI=（-5）3 = -15W0元件實(shí)際上是發(fā)出功率。電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)，元件吸收的功率P=-UI=-（-5）3 = 15W0元件實(shí)際上是吸收功率。電阻、電容、電感元件及其特性案例1單相異步電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載，它常用于功率（洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、抽油煙機(jī)等），1.是吊扇的電氣原CLB串聯(lián)；S是開L是調(diào)速電抗器。二端元件：分為無源元件和有源元件。電阻元件及歐姆定律電阻元件的圖形、文字符號(hào)電阻器通常就叫電阻，在電路圖中用字母“R”或“r”表示。國際單位制）號(hào)表示。電阻元件是從

8、實(shí)際電阻器抽象出來的理想化模型，是代表電路中消耗電能這一物理現(xiàn)象的理想二端元件。電阻元件的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，用字母G 表示，即G1R電導(dǎo)的SI單位為西門子，簡稱西，通常用符號(hào)“S”表示。電阻元件的特性電阻元件的伏安特性，可以用電流為橫坐標(biāo)，電壓為縱坐標(biāo)在工程上，還有許多電阻元件，其伏安特曲線是一條過原點(diǎn)的曲線，這樣的電阻元件稱為非線性電阻元件。如圖11所示曲線是二極管的伏安特性，所以二極管是一個(gè)非線性電阻元件。歐姆定律元件功率為：用下式表示：I UR當(dāng)選定電壓與電流為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)，則歐姆定律可用下式表示：I UR無論電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向還是非關(guān)聯(lián)參考方向，電阻元件功率為：U2P I 2 R R

9、RR上式表明，電阻元件吸收的功率恒為正值，而與電壓、電流的參考方向無關(guān)。因此，電阻元件又稱為耗能元件。電容元件電容元件的圖形、文字符號(hào)電容器又名儲(chǔ)電器，在電路圖中用字母“C”表示，電路圖中常用電容器的符號(hào)如圖116所示。電容器的SI單位是法拉，簡稱法，通常用符號(hào)“F”表示。電容元件的特性的特性方程為：i C dudt若電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，則電容元件的特性方程為：i C dudtC 的單位為法拉，簡稱法(F)。電容元件有隔直通交的作用。在u、 i關(guān)聯(lián)參考方向下，線性電容元件吸收的功率為：p ui Cu dudt在t時(shí)刻，電容元件儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量為：1W（t）C2C2 t）電容元件是一種儲(chǔ)能

10、元件。在選用電容器時(shí)，除了選擇合適的電容量外，還需注意實(shí)際介質(zhì)就會(huì)被擊穿，電容器就會(huì)損壞。電感元件電感元件的圖形、文字符號(hào)電感線圈簡稱線圈，在電路圖中用字母“L”表示，電路圖中常用線圈的符號(hào)如圖118所示。在一個(gè)線圈中，通過一定數(shù)量的變化電流，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的能力就稱為線圈的電感量，簡稱電感。電感常用字母“L”表示。電感的SI單位是亨利，簡稱亨，通常用符號(hào)“H”表示。電感元件的特性當(dāng)電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，線性電感元件的特性方程為：u L didt若電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，則電感元件的特性方程為：u L didtL 的單位為亨利，簡稱亨(H)。在、i關(guān)聯(lián)參考方向下，線性電感元件

11、吸收的功率為：p ui Li didt在t1W（t）L電路中的獨(dú)立電源2 L2 t）案例.蓄電池是一種常見的電源，它多用于汽車、電力機(jī)車、應(yīng)急燈等，圖1.20是汽車照明燈的電氣原理圖。其中，RA、RB是一對(duì)汽車照明燈；S是開關(guān)；US是12V的蓄電池。凡是向電路提供能量或信號(hào)的設(shè)備稱為電源。電源有兩種類型，其一為電壓源，其二為電流源。電壓源的電壓不隨其外電路而變化，電流源的電流不隨其外電路而變化， 因此，電壓源和電流源總稱為獨(dú)立電源，簡稱獨(dú)立源。電壓源理想電壓源理想電壓源簡稱為電壓源，是一個(gè)二端元件，它有兩個(gè)基本特點(diǎn)：US，或?yàn)橐欢〞r(shí)間的函數(shù)us(t)。電壓源在電路圖中的符號(hào)如圖121所示。直流

12、電壓源的伏安特性如圖122所示。實(shí)際電壓源實(shí)際的直流電壓源可用數(shù)值等于的理想電壓源和一個(gè)內(nèi)阻Ri123（a）所示。實(shí)際直流電壓源的端電壓為： U=US-UR=US-IRi例圖US=10VR=時(shí)的電壓U，電流I；U，電流I；I。（）S為理想電壓源，故U=US=10V則：UUI S 0RR時(shí)，U=US=10V則：UU10I R S A R10（3）R0時(shí)，U=US=10V則：UU電流源理想電流源I R S R理想電流源簡稱為電流源，是一個(gè)二端元件，它有兩個(gè)基本特點(diǎn)：ISiS（t）。電流源在電路圖中的符號(hào)如圖125所示。直流電流源的伏安特性如圖 126 所示。實(shí)際電流源實(shí)際直流電流源的輸出電流為：1

13、I I USRi實(shí)際的直流電流源可用數(shù)值等于IS的理想電流源和一個(gè)內(nèi)阻Ri 相并聯(lián)的模型來表示，如圖127（a）所示。實(shí)際直流電流源的伏安特性，如圖127（b）所示。例15圖128所示電路，直流電流源的電流。求：（1）R 時(shí)的電流I，電壓U；時(shí)的電流，電壓時(shí)的電流，電壓。（）S為理想電流源，故I=IS=1A 則 U IR U IR R 110V 10VSR=0時(shí)，I=IS=1AU IR IS電源的等效變換R 1 0V 0V電源的電路模型有電壓源模型和電流源模型，如圖129所示。在圖129（a）電路中，有式中，US 為電壓的電壓。在圖129（b）電路中，有：1I I USRi整理得 ： U=IS

14、Ri 式中，IS為電流源的電。實(shí)際電壓源和實(shí)際電流源若要等效互換，其伏安特性方程必相同，則其電路參數(shù)必須滿足條件：Ri= Ri； US=IS Ri在進(jìn)行等效互換時(shí)，電壓源的電壓極性與電流源的電流方向參考方向要求一致，也就是說電壓源的正極對(duì)應(yīng)著電流源電流的流出端。應(yīng)用電源等效互換分析電路時(shí)還應(yīng)注意這樣幾點(diǎn)：電源等效互換是電路等效變換的一種方法。Ri以互換等效；理想的電壓源與理想的電流源之間不便互換。電源等效互換的方法可以推廣運(yùn)用。例16 已知Us1=4V，Is2=2A，R2=1.2，試等效化簡圖130所示電路。解：在圖130（a）中，把電流源IS2與電阻R2的并聯(lián)變換為電壓源US2與電阻R2的串

15、聯(lián)，電路變換如圖130（b），其中U R I12S22S2在圖 130（b）中，將電壓源US2 與電壓源US1 的串聯(lián)變換為電壓源U，電路變換如圖3（，其中US =US2+US1=（24+4）V=28V基爾霍夫定律1、支路將兩個(gè)或兩個(gè)以上的二端元件依次連接稱為串聯(lián)。電路中的每個(gè)分支都稱作支路。2、節(jié)點(diǎn)電路中3條或3條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。3、回路電路中的任一閉合路徑稱為回路。4、網(wǎng)孔平面電路中，如果回路內(nèi)部不包含其它任何支路，這樣的回路稱為網(wǎng)孔。因此，網(wǎng)孔一定是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。基爾霍夫電流定律KCL定律指出：對(duì)電路中的任一節(jié)點(diǎn)，在任一瞬間，流出流入該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零。即： i

16、(t) 0在直流的情況下，則有：I 0通常把上兩式稱為節(jié)點(diǎn)電流方程，簡稱為KCL方程。通常規(guī)定，對(duì)參考方向背離節(jié)點(diǎn)的電流取正號(hào)，而對(duì)參考方向指向節(jié)點(diǎn)的電流取負(fù)號(hào)。133a，連接在節(jié)點(diǎn)aKCL 定律不僅適用于電路中的節(jié)點(diǎn)，還可以推廣應(yīng)用于電路中的任一假設(shè)的封閉面。即在任一瞬間，通過電路中的任一假設(shè)的封閉面的電流的代數(shù)和為零。例18已知I1=3A、I2=5A、I3=-18A、I5=9A，計(jì)算圖135所示電路中的電流I6及I4。解：對(duì)節(jié)點(diǎn)a，根據(jù)KCL定律可知：則：I4=I1+I2-I3=（3+5+18）A=26A對(duì)節(jié)點(diǎn)b，根據(jù)KCL定律可知：-I4-I5-I6=0 則：I6=-I4-I5=（-26

17、-9）A= -35A例19已知I1=5A、I6=3A、I7=-8A、I5=9A，試計(jì)算圖136所示電路中的電流I8。解：在電路中選取一個(gè)封閉面，如圖中虛線所示，根據(jù)KCL定律可知：-I1-I6+I7-I8=0則：I8= -I1-I6+I7=（-5-3-8）A= -16A基爾霍夫電壓定律KVL 定律指出：對(duì)電路中的任一回路，在任一瞬間，沿回路繞行方向，各段電壓的代數(shù)和為零。即：u(t) 0在直流的情況下，則有： U 0通常把上兩式稱為回路電壓方程，簡稱為KVL方程。應(yīng)當(dāng)指出：在列寫回路電壓方程時(shí)，首先要對(duì)回路選取一個(gè)回路 繞行方向” 繞行方向相同的電例如，圖137所示為某電路中的一個(gè)回路ABCD

18、A，各支路的電壓在選擇的參考方向下為u1、u2、u3、u4，因此，在選定的回路“繞行方向”下有：u1+u2-u3-u4=0KVL路中的任一假想的回路。即在任一瞬間，沿回路繞行方向，電路中假想的回路中各段電壓的代數(shù)和為零。例 110 1393、4、5、6解：在回路cdec 中，U5=Ucd+Ude=-（-5）-1V=4V在回路bedcb中=3+1+（-5）V= -1V在回路debad 中，U6=Ude+Ueb+Uba= -1-3-4V= -8V在回路abea 中，U4=Uab+Ube=（4+3）V=7V支路電流法支路電流法是以支路電流變量為未知量，利用基爾霍夫定律和歐姆定律所決定的兩類約束關(guān)系，

19、建立數(shù)目足夠且相互獨(dú)立的方程組，解出各支路電流，進(jìn)而再根據(jù)電路有關(guān)的基本概念求解電路其它響應(yīng)的一種電路分析計(jì)算方法。14064表示。由KCL節(jié)點(diǎn)a： 節(jié)點(diǎn)b： -節(jié)點(diǎn)c： 由KVL網(wǎng)孔abda -網(wǎng)孔dbcd網(wǎng)孔adca 由此就可以求解出6條支路的電流，從而可以獲得電路中的其它響應(yīng)。對(duì)于一個(gè)具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，b條支路的電路，利用支路電流法分析計(jì)算電路的一般步驟如下：在電路中假設(shè)出各支路條）方向，并標(biāo)示于電路中。根據(jù)KCL定律，列寫出（n-1）個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程。根據(jù)KVLl=b-（n-1）個(gè)獨(dú)立回路電壓方程。b量，進(jìn)而求解出電路中其它響應(yīng)。例圖Us2=117VR1=1R2=0.6、R=24，試用

20、支路法求各支路電流。b=3n=2l=2、I2、IKCL KVL方程：b=3n=2l=2、I2、IKCL KVL方程：對(duì)節(jié)點(diǎn)a：-I1-I2+I=0對(duì)回路：I1-0.6I2= -117+130對(duì)回路：0.6I2+24I=117解之得：I1=10A，I2= -5A，I=5A電阻、電感、電容元件的識(shí)別與應(yīng)用電阻元件的識(shí)別與應(yīng)用電阻元件的識(shí)別(1)電阻的分類、特點(diǎn)及用途電阻的種類較多，按制作的材料不同，可分為繞線電阻和非繞線電阻兩大類。另外還有一類特殊用途的電阻，如熱敏電阻、壓敏電阻等。(2來越多，為了區(qū)別電阻的類別，在電阻上可用字母符號(hào)來標(biāo)明， 如圖143所示。定功率。標(biāo)稱阻值和誤差國家規(guī)定出一系列

21、的阻值做為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，這一系列阻值就叫做電阻的標(biāo)稱阻值。最大允許偏差值除以該電阻的標(biāo)稱值所得的百分?jǐn)?shù)就叫做電阻的誤差。電阻的額定功率這個(gè)不致于將電阻燒壞的最大功率值就稱為電阻的額定功率。電阻的規(guī)格標(biāo)注方法直標(biāo)法直標(biāo)法是將電阻的類別及主要技術(shù)參數(shù)直接標(biāo)注145(a)所示。145(b)所示。色標(biāo)法是在電阻元件的一端上畫有三道或四道色環(huán)(圖)，緊靠電阻端的為第一色環(huán)，其余依次為第二、三、四色環(huán)。第一道色環(huán)表示阻值第一位數(shù)字，第二道色環(huán)表示阻值第二位數(shù)字，第三道色環(huán)表示阻值倍率的數(shù)字，第四道色環(huán)表示阻值的允許誤差。電阻元件的應(yīng)用電阻器、電位器的檢測(cè)電位器還經(jīng)常發(fā)生滑動(dòng)觸頭與電阻片接觸不良等情況。 1）

22、外觀檢查對(duì)于電阻器，通過目測(cè)可以看出引線是否松動(dòng)、折斷或電阻體燒壞等外觀故障。對(duì)于電位器，應(yīng)檢查引出端子是否松動(dòng)，接觸是否良好，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸時(shí)應(yīng)感覺平滑，不應(yīng)有過松過緊等情況。2）阻值測(cè)量通?？捎萌f用表歐姆檔對(duì)電阻器進(jìn)行測(cè)量，需要精確測(cè)量阻值可以通過電橋進(jìn)行。電阻器和電位器的選用方法電阻器的選用應(yīng)從類型、阻值及誤差、額定功率三個(gè)方面進(jìn)行選取。電位器的選用電位器結(jié)構(gòu)和尺寸以及阻值變化規(guī)律兩個(gè)方面進(jìn)行選擇。電容元件的識(shí)別與應(yīng)用電容元件的識(shí)別電容的分類、特點(diǎn)及用途電容器是電信器材的主要元件之一，在電信方面采用的電容器以小體積為主，大體積的電容器常用于電力方面。電容器基本上分為固定的和可變的兩大類。電容的

23、類別和型號(hào)所示。電容的主要參數(shù)電容的主要參數(shù)是指額定工作電壓、標(biāo)稱容量和允許誤差范圍、絕緣電阻。額定工作電壓在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，電容器在線路中能夠長期可靠地工作而不致被擊穿所能承受的最大電壓(又稱耐壓)。有時(shí)又分為直流工作電壓和交流工作電壓（指有效值）。標(biāo)稱容量和允許誤差范圍為了生產(chǎn)和選用的方便，國家規(guī)定了各種電容器的電容量的 根據(jù)不同的允許誤差范圍，規(guī)定電容器的精度等級(jí)。電容器0絕緣電阻電容器絕緣電阻的大小，說明其絕緣性能的好壞。當(dāng)電容器加上直流電壓U漏電電流 ，這時(shí)絕緣電阻R為RU I電容的規(guī)格標(biāo)注方法電容的規(guī)格標(biāo)注方法，同電阻元件一樣，有直標(biāo)法和色標(biāo)法兩種。直標(biāo)法將主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)直接標(biāo)注在電容器表面上。色標(biāo)法與電阻元件的色標(biāo)法相同。電容元件的應(yīng)用電容器的檢測(cè)電容器的主要故障是：擊穿、短路、漏電、容量減小、變質(zhì)及破損等。外觀檢查引出電極無折傷；對(duì)可調(diào)電容器應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，動(dòng)定片間無碰、擦 現(xiàn)象，各聯(lián)間轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)同步等。測(cè)試漏電電阻用萬用表歐姆檔（R100或R1k檔），將表筆接觸電容的兩引線。剛搭上時(shí)，表頭指針將發(fā)生擺動(dòng)