电工学基础从零开始

参考信息教材：•秦曾煌主编《电工学》（第六版）教师信息•王伦耀，副教授信息楼415•电话：0574－87600059696815(短号)•Email:[e-mail]•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1.6基尔霍夫定律1.7电路中电位的概念及计算本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.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；4.会计算电路中各点的电位。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)实现电能的传输、分配与转换(2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1.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或电路元件按一定方式组合而成。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息放大器扬声器话筒电路分析，就是在已知电路的结构和元件参数的条件下，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：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。例：如一个白炽灯，一般将它理想化为纯电阻，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。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。手电筒的电路模型R+RoE–S+U–I电池导线灯泡开关电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。开关用来控制电路的通断。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物理中对基本物理量规定的方向1.电路基本物理量的实际方向物理量实际方向电流I正电荷运动的方向电动势E(电位升高的方向)电压U(电位降低的方向)高电位低电位单位kA、A、mA、μA低电位高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV(2)参考方向的表示方法电流：Uab双下标电压：(1)参考方向IE+_在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab双下标2.电路基本物理量的参考方向aRb箭标abRI正负极性+–abUU+_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：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）RU+–IRU+–I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。U=IRU=–IR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。关联不关联解：对图(a)，关联，有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)，不关联有,U=–IRΩ326:IUR所以Ω326:IUR所以RU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A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概念：常数即：IUR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：0R∞（2）开路：R→∞（往往用开关断开来实现）（3）短路：R＝0。1.5电源有载工作、开路与短路IR0R+EU+IK1.5电源有载工作、开路与短路有载：0R∞RREI+0负载端电压：U=IR，或U=E–IR0特征:1.5.1电源有载工作IR0R+EU+I①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EUI0当R0R时，则UE，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。对应外特征曲线越平。RREI+0负载端电压U=IR特征:1.5.1电源有载工作①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，IU。或U=E–IRoUI=EI–I²RoP=PE–P负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率③电源输出的功率由负载决定。负载大小和电阻大小是不同概念！IR0R+EU+问题•为什么当线路上并入许多电灯时，电灯会变暗，电源会发热？电源与负载的判别U、I参考方向相关联时，P=UI。非关联时,P=-UI。当P0时，负载；当p0时，电源。讨论课文p18,1.5.41.根据U、I的实际方向判别2.根据U、I的参考方向判别电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；负载：U、I实际方向相同，即电流从“+”端流入。（吸收功率）。IR0R+EU++U－(1)电源U＝E1－U1＝E1－R01IE1＝U＋R01I＝220＋0.6×5=223V（2）负载U＝E2＋U2＝E2＋R02IE2＝U－R02I＝220－0.6×5R01＝217V例：如图，U＝220V，I＝5A，内阻R01＝R02＝0.6(1)求电源的电动势E1和负载的反电动势E2；(2)试说明功率的平衡解：（2）由（1）中两式得E1＝E2＋R01I＋R02I等号两边同乘以I得E1I＝E2I＋R01I2＋R02I2223×5＝217×5＋0.6×52＋0.6×521115W=1085W＋15W＋15WE2I＝1085WR01I2＝15WR02I2＝15W负载取用功率电源产生的功率负载内阻损耗功率电源内阻损耗功率电气设备的额定值（一般下标为N）额定值: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欠载(轻载)：IIN，PPN(不经济)过载(超载)：IIN，PPN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠)1.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。例：灯泡：UN=220V，PN=60W电阻：RN=100，PN=1W特征:开关断开，R→∞1.5.2电源开路I=0电源端电压(开路电压)负载功率U=U0=EP=01.开路处的电流等于零；I=02.开路处的电压U＝E。电路中某处断开时的特征:I+–U有源电路IRoR+EU0+电源外部端子被短接，R＝0。1.5.3电源短路特征:0SREII电源端电压负载功率电源产生的能量全被内阻消耗掉短路电流（很大）U=0PE=P=I²R0P=01.短路处的电压等于零；U=02.短路处的电流I视电路情况而定。电路中某处短路时的特征:I+–U有源电路IR0R+EU0+1.6基尔霍夫定律支路：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。结点：三条或三条以上支路的联接点。如a，b。回路：由支路组成的闭合路径。如：cabc，abda，cadbaI1I2I3ba+E2R2+R3R1E1123cd例1：支路：ab、bc、ca、…（共6条）回路：abda、abca、adbca…（共7个）结点：a、b、c、d(共4个）网孔：abd、abc、bcd（共3个）adbcE–+GI2I4IGI1I3I1.6.1基尔霍夫电流定律(KCL定律)（应用于节点）1．定律即:Ｉ入=Ｉ出在任一瞬间，流入任一结点的电流等于流出该结点的电流。实质:节点不能存储电荷。或:Ｉ=0I1I2I3ba+E2R2+R3R1E1对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0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。在任何一个时刻，流过任何一个闭合面的电流的代数和为0。2．推广：从节点到闭合面例: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Si＝0？左图式（1）可以用基尔霍夫节点电流定理来证明。1.6.2基尔霍夫电压定律（KVL定律，应用于回路)1．定律即：U=0，U是指参考方向对回路1：对回路2：E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2或I1R1+I3R3–E1=0或I2R2+I3R3–E2=0I1I2I3ba+E2R2+R3R1E112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。1．列方程前标注回路循行方向；电位升=电位降E2=UBE+I2R2U=0I2R2–E2+UBE=02．应用U=0列方程时，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。3.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。注意：1对回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_解：应用基尔霍夫电压定律列出EB－RBI2－UBE＝0得I2＝0.315mAEB－RBI2－R1I1＋US＝0得I1＝0.57mA应用基尔霍夫电流定律列出I2－I1－IB＝0得IB＝－0.255mA例：如图：RB＝20K，R1＝10K，EB＝6VUS＝6V，UBE＝－0.3V，试求电流IB，I2及I1。例：对网孔abda：对网孔acba：对网孔bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0对回路adbca，沿逆时针方向循行：–I1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0应用U=0列方程对回路cadc，沿逆时针方向循行：–I2R2–I1R1+E=0adbcE–+I2I4I6I1I3I1.7电路中电位的概念及计算电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”。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。电位与电压的关系：某一点a的电位Va的大小等于a点与电位参考点r的电压Uar.类似海拔高度（电位）与相对地面的高度（电压）。1.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•电位的计算步骤:•(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；•(2)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电位。2.举例求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。解：设a为参考点，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca=4×20=80VVd=Uda=6×5=30V设b为参考点，即Vb=0VVa=Uab=10×6=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90Vbac204A610AE290V+E1140V56A+dUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90VUab=10×6=60VUcb=E1=140VU