电工学第七版 秦曾煌主编 高等教育出版社第1章电路基本概念与定律.docx
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电工技术
电工学
吴渝平
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绪
论
电工技术
一、课程的地位和主要内容
电工电子技术——研究电工技术和电子技术
的理论及其应用的科学技术。
电工技术电工电子技术电工学)(电工学)
(上册)上册)
电路分析基础磁路与电机模拟电子技术数字电子技术
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电子技术
(下册)下册)
上册
电工技术
直流电路(、););暂态分析电路分析基础——直流电路(1、2);暂态分析直流电路(3);交流电路(4、5)。
)交流电路(磁路与电机——磁路和变压器(6);电动机(7、磁路和变压器();电动机(、);电动机磁路与电机磁路和变压器8、9);继电接触器控制(10));继电接触器控制、);继电接触器控制()
可编程控制器()、供电与安全用电()、电工测量())、供电与安全用电)、电工测量可编程控制器(11)、供电与安全用电(12)、电工测量(13)
下册
模拟电子技术——半导体器件(14);放大器半导体器件(););放大器模拟电子技术半导体器件);反馈);直流电源(15、16);反馈(17);直流电源、);反馈(););电力电子技术(18);电力电子技术(19));电力电子技术()数字电子技术——组合电路(20);时序电路(21)组合电路();时序电路());时序电路数字电子技术组合电路
存储器和可编程器件(22)、模数转换(23)、现代通信技术(24)存储器和可编程器件()、模数转换()、现代通信技术())、模数转换)、现代通信技术
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二、电工电子技术的发展与应用
发展
电工技术
现状
1785年,库仑确定电荷间的作用力;年库仑确定电荷间的作用力;快速发展1826年,欧姆提出“欧姆定律”;年欧姆提出“欧姆定律”原因1831年,法拉第发现电磁感应现象;年法拉第发现电磁感应现象;1834年,雅可比造出第一台电动机;年雅可比造出第一台电动机;1864年,麦克斯韦提出电磁波理论;年麦克斯韦提出电磁波理论;电能1895年,马可尼和波波夫实现第一次无线电通信;年马可尼和波波夫实现第一次无线电通信;1904年,弗莱明发明第一只电子管(二极管);年弗莱明发明第一只电子管(二极管);易转换1946年,诞生第一台电子计算机;年诞生第一台电子计算机;易传输1947年,贝尔实验室发明第一只晶体管;年贝尔实验室发明第一只晶体管;易控制1958年,德克萨斯公司发明第一块集成电路。
年德克萨斯公司发明第一块集成电路。
:
电子技术电子技术EDA技术EDA技术
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电工电子技术的典型应用
干扰、噪声、漂移、干扰、噪声、漂移、非线性被测控对象伺服机构
电机模拟电子技术
电工技术数字电子技术
传感器
模拟信号处理功率放大
模数转换
数字接口
微
数模转换
数字接口
机
计算机检测控制系统原理框图
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三、如何学好电工电子技术
课程特点:
内容多且广、课程特点:
内容多且广、学时相对少
电工技术
1、注意掌握“三基”:
注意掌握“三基”基本原理、基本分析方法、基本原理、基本分析方法、基本应用2、注重综合分析与设计注重工程化素质培养提高学习效率、3、提高学习效率、培养自学能力
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电工技术
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、开路与短路电源有载工作、1.6基尔霍夫定律1.7电路中电位的概念及计算
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电工技术
本章要求:
本章要求:
1.了解电路模型及理想电路元件的意义;了解电路模型及理想电路元件的意义;2.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;参考方向的意义基本定律并能正确应用3.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;4.了解电源的有载工作、开路与短路状态,了解电源的有载工作、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;5.掌握分析与计算电路中各点电位的方法。
掌握分析与计算电路中各点电位的方法。
分析与计算电路中各点电位的方法
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1.1电路的作用与组成部分
电工技术
电路是电流的通路,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。
1.电路的作用
(1)实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、
发电机升压变压器输电线降压变压器电灯电动机电炉……
(2)实现信号的传递与处理
(2)实现信号的传递与处理话筒扬声器
放大器
t1热电偶
t2
mV
t1:
热端t2:
冷端
Et=f(t1)?
f(t2)
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2.电路的组成部分电路的组成部分电源:
电源提供电能的装置
升压变压器输电线降压变压器
电工技术
负载:
负载取用电能的装置
电灯电动机电炉……
发电机
中间环节:
传递、中间环节:
传递、分配和控制电能的作用
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2.电路的组成部分2.电路的电路的组成部分信号源:
信号源提供信息
信号处理:
信号处理:
放大、调谐、放大、调谐、检波等
电工技术
话筒
放大器
扬声器
直流电源:
直流电源提供能源
负载直流电源
激励:
电源或信号源的电压或电流,推动电路工作激励:
电源或信号源的电压或电流,推动电路工作;响应:
由激励所产生的电压和电流;响应由激励所产生的电压和电流电路分析:
在电路结构、电源和负载等参数已知的电路分析:
在电路结构、条件下,讨论激励和响应之间的关系。
条件下,讨论激励和响应之间的关系。
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1.2电路模型
电工技术
为了便于用数学方法分析电路,实际电路模型化,为了便于用数学方法分析电路,将实际电路模型化,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,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。
电路模型。
电路的建模过程
实际电路实际器件(电阻器、电容器、实际器件(电阻器、电容器、电感线圈、晶体管、集成电路等)电感线圈、晶体管、集成电路等)器件建模:
器件建模:
1.保留主要电磁特性1.保留主要电磁特性2.一个器件可由多个元件模型表示2.一个器件可由多个元件模型表示
理想电路元件(电阻元件、电容元件、理想电路元件(电阻元件、电容元件、电感元件、电源、理想运放等)电感元件、电源、理想运放等)
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抽象近似
电路模型
手电筒的电路模型ISE
电工技术
++
–
U
手电筒由电池、灯泡、手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。
开关和筒体组成。
电池是电源元件,电池是电源元件,其参是电源元件和内阻R数为电动势E和内阻o;灯泡主要具有消耗电能灯泡主要具有消耗电能的性质,是电阻元件,的性质,是电阻元件,其参数为电阻R;参数为电阻;筒体用来连接电池和灯筒体用来连接电池和灯泡,其电阻忽略不计,认其电阻忽略不计,为是无电阻的理想导体。
为是无电阻的理想导体。
开关用来控制电路的通开关用来控制电路的通断。
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开关R
Ro
–
电池导线灯泡今后分析的都是指电路模型,简称电路。
路模型,简称电路。
在电路图中,电路图中,各种电路元件都用规定的图形符号表示。
表示。
S灯管镇流器
电工技术
日光灯的点燃过程
220V
⑴闭合开关,电压加在启动器两极间,氖气放电发出辉光,产生的热量使U型动触片膨胀伸长,跟静触片接触使电路接通。
灯丝和镇流器中有电流通过。
⑵电路接通后,启动器中的氖气停止放电,U型片冷却收缩,两个触片分离,电路自动断开。
⑶在电路突然断开的瞬间,由于镇流器电流急剧减小,会产生很高高的自感电动势,方向与电源电动势方向相同,这个自感电动势与电源电压加在一起,形成一个瞬时高压,加在灯管中的气体开始放电,于是日光灯成为电流的通路开始发光。
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电工技术
2.日光灯正常发光日光灯开始发光后,由于交变电流通过镇流器线圈,线圈中会产生自感电动势,它总是障碍电流变化的,这时和镇流器起着降压限流的作用,保证日光灯正常发光。
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电工技术
电路的重要物理量
电荷的定向移动就形成了电流。
电流的实际方向习惯上指正电荷运动的方向。
电流的大小常用电流强度来表示,简称为电流。
单位时间t内通过导体横截面的电荷量q恒定不变时的电流强度为
1.电流
变动电流(含交流),在一很小的时间间隔dt内,通过导体横截面的电荷量为dq,则该瞬间电流强度为电流的单位安[培](A)。
电流有时也会用到千安(kA),毫安(mA)或微安(μA)等。
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qI=t
dqi=dt
电工技术
电流的表示方法:
(1)箭头表示;
(2)双下标表示。
国际单位制(SI)中规定的用来构成十进制倍数关系和分数关系的词头见表1-1。
表1-1部分国际单位制词头
中文名称脱吉兆千
符号TGMk
含义1012109106103
中文名称毫微纳皮
符号mμnP
含义10–310–610–910–12
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1.3电压和电流的参考方向
1.电路基本物理量的实际方向物理中对基本物理量规定的方向物理量电流I电压U电动势E电动势实际方向正电荷运动的方向高电位→低电位电位降低的方向)(电位降低的方向)低电位→高电位电位升高的方向)(电位升高的方向)单位
电工技术
kA、A、mA、A、mA、μAkV、V、mV、、、μVkV、V、mV、、、μV
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注意:
它们是标量,规定方向是为了便于电路的计算。
注意:
它们是标量,规定方向是为了便于电路的计算。
标量
2.电路基本物理量的参考方向
(1)参考方向在分析与计算电路时,在分析与计算电路时,对电量任+意假定的方向。
一种分析方法分析方法。
意假定的方向。
一种分析方法。
E_
(2)参考方向的表示方法电流:
电流:
I箭标双下标aRIabb电压:
电压:
正负极性双下标aUabIRa
电工技术
+U_bU–b
+
关联参考方向
负载—U、I参考方向相同;参考方向相同;电源—I参考方向与E方向相同。
参考方向与E方向相同。
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(3)实际方向与参考方向的关系实际方向与参考方向的关系
电工技术
实际方向与参考方向一致,电流(或电压值为正值;实际方向与参考方向一致,电流或电压)值为正值;一致或电压值为正值实际方向与参考方向相反电流(或电压值为负值相反,或电压)值为负值。
实际方向与参考方向相反,电流或电压值为负值。
例:
aIR+U–aRbb若I=5A,则电流从a流向b;,;若I=–5A,则电流从b流向a。
,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。
注意:
注意:
在参考方向选定后,在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。
之分。
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1.4欧姆定律
电工技术
U、I参考方向相同时,U、I参考方向相反时,、参考方向相同时,参考方向相反时,++U=–RIU=RIUIRUIR––表达式中有两套正负号:
表达式中有两套正负号:
式前的正负号由U、参考方向的关系确定;①式前的正负号由、I参考方向的关系确定;②U、I值本身的正负则说明实际方向与参考、方向之间的关系。
方向之间的关系。
通常取U、I参考方向相同,即关联参考方向。
、参考方向相同,关联参考方向。
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电工技术
例:
应用欧姆定律对下图电路列出式子,并求电阻R。
应用欧姆定律对下图电路列出式子,并求电阻。
++IIUUR6V2AR6V–2A––(a)(b)
U6对图(a)有解:
对图有,U=RI所以:
R===3I2对图(b)有,U=–RI所以:
R=?
U=?
6=3对图有I?
2
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线性电阻的概念:
线性电阻的概念:
遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻,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。
U即:
R==常数I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。
I/A线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。
是一条过原点的直线。
o
U/V
电工技术
线性电阻的伏安特性
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1.5电源有载工作、开路与短路电源有载工作、
1.5.1电源有载工作
开关闭合,开关闭合,接通电源与负载E?
特征:
(1)特征:
R0+I+U?
电工技术
I
R
EI=R0+R
U=IR
①电流的大小由负载决定。
电流的大小由负载决定。
负载端电压或U=E–IR0U在电源有内阻时,②在电源有内阻时,I↑→U↓。
电源的外特性E< 化不大,即带负载能力强。 I0 总目录章目录返回上一页下一页 1.5.1电源有载工作 开关闭合,接通电源与负载。 开关闭合,接通电源与负载。 +E? 特征: (1)特征: R0E 电工技术 I+ URI? I=①电流的大小由负载决定。 电流的大小由负载决定。 R0+RU=RI负载端电压或U=E–RoI在电源有内阻时,②在电源有内阻时,I↑→U↓。 P=PE–? PUI=EI–RoI2电源输出的功率由负载决定。 ③电源输出的功率由负载决定。 电源产生功率内阻消耗功率 总目录章目录返回上一页下一页 负载取用功率 电工技术 (2)电源与负载的判别根据U、I的实际方向判别I+电源: U、I实际方向相反,实际方向相反,电源: 即电流从U“+”端流出端流出,即电流从U“+”端流出,E_发出功率)(发出功率);I负载: U、I实际方向相同,实际方向相同,负载: 即电流从U端流入,即电流从U“+”端流入,吸收功率)(吸收功率)。 +U_R+U_ 总目录章目录返回上一页下一页 已知: 方框代表电源或负载,220V,已知: 方框代表电源或负载,U=220V,I=-1A例1: 试问: 哪些方框是电源,哪些是负载? 试问: 哪些方框是电源,哪些是负载? +UI(a)+UI(b)U+ 电工技术 - I(c) - - U+ - I(d) 电流从“+”流出故为电源;流出,解: (a)电流从“+”流出,故为电源;(b)电流从“+”流入,故为负载;电流从“+”流入,故为负载;流入(c)电流从“+”流入,故为负载;电流从“+”流入流入,(d)电流从“+”流出,故为电源。 电流从“+”流出故为电源。 流出, 总目录章目录返回上一页下一页 已知: U1=9V,I=-1A,R=3已知: 9V,1A,例2: 元件1分别是电源还是负载,求: 元件1、2分别是电源还是负载,并验证电路功率是否平衡? 电路功率是否平衡? IR解: 因为U2=-RI+U1=12V因为U所以电流从元件1所以电流从元件1的“+”流入,从元件2+”流流入,从元件2的“+”流出,元件1负载,元件2电源。 故元件1为负载,元件2为电源。 +1U1? 电工技术 +U22? 电源产生功率: P2=︱U2I︱=12W电源产生功率: 负载取用功率: P1+PR=︱U1I︱+RI2=9+3=12W负载取用功率: 因为P所以电路的功率平衡。 因为2=P1+PR,所以电路的功率平衡。 总目录章目录返回上一页下一页 (3)电气设备的额定值额定值: 额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值额定值反映电气设备的使用安全性;①额定值反映电气设备的使用安全性;额定值表示电气设备的使用能力。 ②额定值表示电气设备的使用能力。 例: 灯泡: 灯泡: UN=220V,PN=60W电阻: 100? 电阻: RN=100? ,PN=1W 电工技术 (4)电气设备的三种运行状态额定工作状态: 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)过载(超载): 设备易损坏)过载(超载): I>IN,P>PN(设备易损坏)欠载(轻载): I 总目录章目录返回上一页下一页 1.5.2电源开路 开关断开特征: 特征: I=0E 电工技术 +? I+U0? R Ro U=U0=E电源端电压(开路电压)负载功率P=0I有源电路中某处断开时的特征: 电路中某处断开时的特征: 电1.开路处的电流等于零;开路处的电流等于零;路I=02.开路处的电压U视电路情况而定。 视电路情况而定。 +U– 总目录章目录返回上一页下一页 1.5.3电源短路 电源外部端子被短接E +? I+ 电工技术 U0RR0特征: 特征? EI=IS=短路电流(很大)短路电流(很大)R0U=0电源端电压P=0负载功率PE=? P=I2R0电源产生的能量全被内阻消耗掉I有电路中某处短路时的特征: 电路中某处短路时的特征: +源电U短路处的电压等于零;1.短路处的电压等于零;–路U=0视电路情况而定。 2.短路处的电流I视电路情况而定。 总目录章目录返回上一页下一页 1.6基尔霍夫定律 I1+E1? R11I3R3aI2R232+? E2 电工技术 b结点: 三条或三条以上导线的联接点。 结点: 三条或三条以上导线的联接点。 支路: 两结点之间由元件串联构成的一段电路。 支路: 两结点之间由元件串联构成的一段电路。 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。 回路: 由支路组成的闭合路径。 回路: 由支路组成的闭合路径。 网孔: 内部不含支路的回路。 网孔: 内部不含支路的回路。 总目录章目录返回上一页下一页 电工技术 例1: I1GI3I + a I2 IGd 结点: a、b、c、d(共4个)支路: ab、bc、ca、…支路: ab、bc、ca、c(共6条) bE I4 回路: abda、abca、adbca…回路: abda、abca、(共7个)网孔: abd、abc、bcd网孔: abd、abc、(共3个) – 总目录章目录返回上一页下一页 1.6.1基尔霍夫电流定律(KCL定律)基尔霍夫电流定律(KCL定律定律) 电工技术 1.定律在任一瞬间,在任一瞬间,流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。 点的电流。 即: ∑I=∑I 入出 I1E1? +R1 aI3R3 I2R2+? E2 或: ∑I=0对结点a: I1+I2=I3或I1+I2–I3=0 实质: 电流连续性的体现。 实质电流连续性的体现。 b基尔霍夫电流定律(KCL)基尔霍夫电流定律(KCL)反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。 结点处各支路电流间相互制约的关系。 总目录章目录返回上一页下一页 2.推广 电工技术 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。 假设的闭合面。 I=? 例2: 广义结点IAAIIBICBC5? ? +6V_1? ? 2? ? +12V_1? ? I=05? ? IA+IB+IC=0 总目录章目录返回上一页下一页 1.6.2基尔霍夫电压定律(KVL定律)基尔霍夫电压定律(KVL定律定律) 电工技术 1.定律在任一瞬间,从回路中任一点出发,沿回路循行一周,在任一瞬间,从回路中任一点出发,沿回路循行一周,则电位升之和等于电位降之和。 则电位升之和等于电位降之和。 即: ∑U升=∑U降在任一瞬间,沿任一回路循行方向,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。 电压的代数和恒等于零。 即: ∑U=0I1I2a对回路1: 对回路: E1=I1R1+I3R3或I1R1+I3R3–E1=0R2+R1+I3R3E2对回路: E=IR+IRE1对回路2: 2223312? ? 或I2R2+I3R3–E2=0b基尔霍夫电压定律(KVL)基尔霍夫电压定律(KVL)反
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