電工學基礎從零開始

參考信息 教材 秦曾煌主編 電工學 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 實驗課的上課時間和地點另行通知 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 會計算電路中各點的電位 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 實現(xiàn)電能的傳輸 分配與轉換 2 實現(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 它推動電路工作 由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應 電路分析 就是在已知電路的結構和元件參數(shù)的條件下 討論電路的激勵與響應之間的關系 電路分析與設計的區(qū)別 電路分析 已知電路結構 得到電路的功能 應用電路仿制 沒有知識產(chǎn)權 電路設計 按照客戶的要求 構建電路 使之實現(xiàn)相應的功能 創(chuàng)新的工作 往往有知識產(chǎn)權 1 2電路模型 如何理解模型 模型往往是用數(shù)學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)學方法分析電路 用足以反映其電磁性質的理想電路元件或其組合來模擬實際電路中的器件 從而構成與實際電路相對應的電路模型 理論上的分析都是模型的分析 如何理解 理想 套用哲學的術語 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 如一個白熾燈 一般將它理想化為純電阻 當實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 導線 燈泡 開關 電池是電源元件 其參數(shù)為電動勢E和內(nèi)阻Ro 燈泡主要具有消耗電能的性質 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 認為是無電阻的理想導體 開關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 在分析與計算電路時 對電量任意假定的方向 2 電路基本物理量的參考方向 實際方向與參考方向一致 電流 或電壓 計算值為正值 實際方向與參考方向相反 電流 或電壓 計算值為負值 3 實際方向與參考方向的關系 注意 在參考方向選定后 電流 或電壓 值才有正負之分 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 則電壓的實際方向從a指向b 若U 5V 則電壓的實際方向從b指向a 1 4歐姆定律 關聯(lián) 結論 對歐姆定律而言 在電壓與電流處于關聯(lián)時 取正號 不關聯(lián)時取負號 U IR U IR 電壓與電流關聯(lián) 電壓降方向和電流方向一致 反之不關聯(lián) 上述的方向是指參考方向 關聯(lián) 不關聯(lián) 解 對圖 a 關聯(lián) 有 U IR 例 應用歐姆定律對下圖電路列出式子 并求電阻R 對圖 b 不關聯(lián)有 U IR 電路端電壓與電流的關系稱為伏安特性 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的直線 這個是電阻模型 另外也提供了一種測量電阻的方法 即伏安法 圖中電阻R為負載 R0為電源內(nèi)阻 根據(jù)負載電阻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 往往用開關斷開來實現(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 電流的大小由負載決定 在電源有內(nèi)阻時 I U 當R0 R時 則U E 表明當負載變化時 電源的端電壓變化不大 即帶負載能力強 對應外特征曲線越平 負載端電壓 U IR 特征 1 5 1電源有載工作 電流的大小由負載決定 在電源有內(nèi)阻時 I U 或U E IRo UI EI I Ro P PE P 負載取用功率 電源產(chǎn)生功率 內(nèi)阻消耗功率 電源輸出的功率由負載決定 負載大小和電阻大小是不同概念 問題 為什么當線路上并入許多電燈時 電燈會變暗 電源會發(fā)熱 電源與負載的判別 U I參考方向相關聯(lián)時 P UI 非關聯(lián)時 P UI 當P 0時 負載 當p 0時 電源 討論課文p18 1 5 4 1 根據(jù)U I的實際方向判別 2 根據(jù)U I的參考方向判別 電源 U I實際方向相反 即電流從 端流出 發(fā)出功率 負載 U I實際方向相同 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 負載U E2 U2 E2 R02I E2 U R02I 220 0 6 5R01 217V 解 E2I 1085W R01I2 15W R02I2 15W 負載取用功率 電源產(chǎn)生的功率 負載內(nèi)阻損耗功率 電源內(nèi)阻損耗功率 電氣設備的額定值 一般下標為N 額定值 電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值 電氣設備的三種運行狀態(tài) 欠載 輕載 I IN P PN 不經(jīng)濟 過載 超載 I IN P PN 設備易損壞 額定工作狀態(tài) I IN P PN 經(jīng)濟合理安全可靠 特征 開關斷開 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 電路中某處短路時的特征 1 6基爾霍夫定律 支路 電路中的每一個分支 一條支路流過一個電流 稱為支路電流 結點 三條或三條以上支路的聯(lián)接點 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 結點 a b c d 共4個 網(wǎng)孔 abd abc bcd 共3個 1 6 1基爾霍夫電流定律 KCL定律 應用于節(jié)點 1 定律 即 入 出 在任一瞬間 流入任一結點的電流等于流出該結點的電流 實質 節(jié)點不能存儲電荷 或 0 對結點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用于包圍部分電路的任一假設的閉合面 在任何一個時刻 流過任何一個閉合面的電流的代數(shù)和為0 2 推廣 從節(jié)點到閉合面 例 廣義結點 IA IB IC 0 1 問題 如果這個閉合面中包含電源 是不是還滿足Si 0 左圖式 1 可以用基爾霍夫節(jié)點電流定理來證明 1 6 2基爾霍夫電壓定律 KVL定律 應用于回路 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 列方程前標注回路循行方向 電位升 電位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 2 應用 U 0列方程時 項前符號的確定 如果規(guī)定電位降取正號 則電位升就取負號 3 開路電壓可按回路處理 就認為在此處連上了一個阻值為無窮大的電阻 注意 對回路1 解 應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 沿逆時針方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 應用 U 0列方程 對回路cadc 沿逆時針方向循行 I2R2 I1R1 E 0 1 7電路中電位的概念及計算 電位 電路中某點至參考點的電壓 記為 VX 通常設參考點的電位為零 對電位而言 整個電路就一個參考點 對電壓來說 參考點是相對的 電位與電壓的關系 某一點a的電位Va的大小等于a點與電位參考點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 某點電位為正 說明該點電位比參考點高 某點電位為負 說明該點電位比參考點低 1 7電路中電位的概念及計算 電位的計算步驟 1 任選電路中某一點為參考點 設其電位為零 2 標出各電流參考方向并計算 3 計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位 2 舉例 求圖示電路中各點的電位 Va Vb Vc Vd 解 設a為參考點 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 設b為參考點 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 結論 1 電位值是相對的 參考點選取的不同 電路中各點的電位也將隨之改變 2 電路中兩點間的電壓值是固定的 不會因參考點的不同而變 即與零電位參考點的選取無關 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點電位VA 例1 圖示電路 計算開關S斷開和閉合時A點的電位VA 解 1 當開關S斷開時 2 當開關