電工技術(shù)第一章

1、電工電子教研室：唐恒娟,電氣工程與自動化學(xué)院,聯(lián)系電話：15239126827 QQ: 2411570880,一、課程的性質(zhì)與目的,本課程是理工科非電類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的目的是： 使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握電工與電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能，了解電工電子技術(shù)發(fā)展的概況，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事工程技術(shù)和科學(xué)研究工作打下一定基礎(chǔ) 。,二、主要內(nèi)容及基本要求,本課程包括電路、電子技

2、術(shù)兩部分。以電路基本理論為基礎(chǔ)，并兼顧電子技術(shù)，通過講授、實(shí)驗(yàn)、習(xí)題等教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，使學(xué)生達(dá)到以下基本要求：1、電路部分：掌握基本定律和基本分析方法，并能進(jìn)行線性電路的計(jì)算。2、電子技術(shù)部分：重點(diǎn)了解電子元件和集成電路的外部特性與基本應(yīng)用；對電子電路能進(jìn)行定性分析、對簡單電子電路能進(jìn)行定量計(jì)算。3、實(shí)驗(yàn)部分：通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能，并培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。4、具有進(jìn)一步自學(xué)電工與電子技術(shù)的能力。,,第一章 電路的基本

3、概念與基本定律第二章 電路的基本分析方法第三章 正弦交流電路 第四章 三相電路第五章 動態(tài)電路的暫態(tài)分析 時(shí)間: 第二、三、四、五、六、七周,電工技術(shù)講授內(nèi)容,電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)1 疊加原理實(shí)驗(yàn)2 基爾霍夫定律實(shí)驗(yàn)3 三相交流電路電流、電壓測量,,第1章 電路的基本概念和基本定律,,,電路的基本概念,1.1,,,1.2,,,1.3,理想電路元件,基爾霍夫定律,1.參考方向、（非 ）關(guān)聯(lián)參考方向,

4、重點(diǎn)：,2.理想電路元件及元件伏安特性（VCR）,3.基爾霍夫定律,1.參考方向的理解,2.基爾霍夫兩大定律的靈活應(yīng)用,1.1電路的基本概念,1. 1.1 實(shí)際電路的組成及作用,實(shí)際電路是由電氣器件和電氣設(shè)備用導(dǎo)線相互連接，為實(shí)現(xiàn)某種功能而構(gòu)成的電流通路。,電源,激勵（源）,輸入,,產(chǎn)生電流和電壓,響應(yīng),輸出,,,,,說明,1.1 電路的基本概念,實(shí)際電路的組成,(1) 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換。,(2) 實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與處理。,1.

5、1 電路的基本概念,實(shí)際電路的作用,1.1 電路的基本概念,1. 理想電路元件,實(shí)際的電氣器件工作時(shí)產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象比較復(fù)雜；,理想電路元件是對實(shí)際電路元件的科學(xué)抽象和概括；,實(shí)際上是一種數(shù)學(xué)模型，用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)符號表示。,1.1.2 電路模型,基本的理想電路元件具有一種確定電磁性質(zhì),電阻元件：表示消耗電能的元件,電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件,電壓源和電流源：提供電壓、電流的元件

6、,,,,,1.1 電路的基本概念,1.1 電路的基本概念,2. 電路模型,電路模型：由理想電路元件構(gòu)成的模型，用于分析計(jì)算的電路圖形。,電路模型,對于一個(gè)實(shí)際電路，將實(shí)際電氣器件用理想電路元件替代，得到的可用電路符號表示的模型，稱之為電路模型或電路圖。,1.1 電路的基本概念,1. 1.3 電流和電壓的參考方向,規(guī)定：正電荷移動的方向?yàn)殡娏鲗?shí)際方向。,定義：單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。,實(shí)際方向只有兩種可能：從A流向B或從B

7、 流向至A,1. 電流的定義與實(shí)際方向,,定義：在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從A點(diǎn) 移動到B點(diǎn)所做的功，或等于兩點(diǎn)之間的電位之差。,規(guī)定：高電位指向低電位的方向，即電位真正降 低的方向?yàn)殡妷簩?shí)際方向。,實(shí)際方向只有兩種可能,1.1 電路的基本概念,2. 電壓的定義與實(shí)際方向,復(fù)雜電路的實(shí)際方向不易判斷；,正弦交流激勵時(shí)，電路中的電壓和電流隨時(shí)間變化。,3.電流和電壓的參考方向 參考方向：是任意指定的電壓（電流）方向。,（1

8、）電流的參考方向（兩種表示方法）,i > 0,i < 0,實(shí)際方向與參考方向一致,實(shí)際方向與參考方向不一致,對于一個(gè)元件，任意指定一個(gè)方向，如圖(a)箭頭所示。,1.1 電路的基本概念,手電筒的電路模型,,例1：I 的真實(shí)方向？,開關(guān),,(1) 應(yīng)用KCL列結(jié)點(diǎn)電流方程,支路數(shù)b =4，但恒流源支路的電流已知，則未知電流只有3個(gè)，所以可只列3個(gè)方程。,(2) 應(yīng)用KVL列回路電壓方程,(3) 聯(lián)立解得：I1= 2A， I

9、2= –3A， I3=6A,例2:試求各支路電流。,對結(jié)點(diǎn) a： I1 + I2 –I3 = – 7,對回路1：12I1 – 6I2 = 42,對回路2：6I2 + 3I3 = 0,當(dāng)不需求a、c和b、d間的電流時(shí)，(a、c)( b、d)可分別看成一個(gè)結(jié)點(diǎn)。,支路中含有恒流源,,1,2,,因所選回路不包含恒流源支路，所以，3個(gè)網(wǎng)孔列2個(gè)KVL方程即可。,（2）電壓的參考方向 （三種表示方法）,u> 0,u < 0,實(shí)際方

10、向與參考方向一致,實(shí)際方向與參考方向不一致,對于一個(gè)元件，任意指定一個(gè)方向，如圖(a)的實(shí)線箭頭所示。,1.1 電路的基本概念,對同一對象， 電壓和電流的參考方向是否一致?,一致為關(guān)聯(lián)參考方向, 不一致為非關(guān)聯(lián)參考方向。,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,1.1 電路的基本概念,3.關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)參考方向,分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向。,參考方向可任意選，但實(shí)際方向是唯一確定的。參考方向的引入僅僅是簡化問題的分析。,

11、注意,參考方向不同時(shí)，其表達(dá)式僅相差一個(gè)負(fù)號。,習(xí)慣取法：負(fù)載取關(guān)聯(lián)參考方向。 電源取非關(guān)聯(lián)參考方向。,默認(rèn)取關(guān)聯(lián),1.1 電路的基本概念,1.1 電路的基本概念,1.4 電功率和電能量 1.電功率,功率的單位：W (瓦),（1）電功率的計(jì)算：單位時(shí)間內(nèi)電場力所做的功。,u, i 取關(guān)聯(lián)參考方向，元件的功率計(jì)算,p=ui,p>0 元件吸收功率,p<0 元

12、件發(fā)出功率,p= -ui,p>0 元件吸收功率,p<0 元件發(fā)出功率,u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向，元件的功率,1.1 電路的基本概念,（2）元件吸收或者發(fā)出功率的判斷,例3： 電路如圖所示，已知電壓U＝50V，電流I1＝－10A，I2＝－6A，I3＝4A。試判斷各元件吸收還是發(fā)出功率，是電源還是負(fù)載？,元件3的功率為：P3＝UI3＝50×4＝200W＞0,解：,元件1的功率為：P1＝UI1＝5

13、0×（－10）＝－500W＜0,元件2的功率為：P2＝－UI2＝－50×（－6）＝300W＞0,元件發(fā)出功率，且元件1是電源；,元件吸收功率，且元件2是負(fù)載；,元件吸收功率，且元件3是負(fù)載。,1.1 電路的基本概念,1.1 電路的基本概念,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,對電路中某一部分，功率的計(jì)算步驟 相同：,（1） 判斷關(guān)聯(lián)參考方向、非關(guān)聯(lián)參考方向；,（2） 計(jì)算功率p ；,（3）由判斷依據(jù)下結(jié)論。,計(jì)算電功率的步

14、驟：,電氣設(shè)備的額定值,能量的吸收和發(fā)出，判斷方法同功率。,額定值是指導(dǎo)用戶正確使用電氣設(shè)備的技術(shù)數(shù)據(jù)。,通常有額定電壓、額定電流和額定功率三個(gè)參數(shù)，分別用UN、IN 和PN表示。,1.1 電路的基本概念,2.電能量,作業(yè),P24：1-1，1-3,1.2 理想電路元件,本節(jié)主要內(nèi)容：,一、介紹九種理想電路元件,二、實(shí)際電壓源、實(shí)際電流源的模型,三、講一道例題,伏安特性?,伏安特性：元件上的電壓與電流之間的關(guān)系。,Voltage Cur

15、rent Relation,VCR,學(xué)習(xí)每一個(gè)元件時(shí)，需要關(guān)注 ~,1.2 理想電路元件,常用的各種二端器件,電阻器,晶體二極管,1.2 理想電路元件,普通金屬膜電阻,繞線電阻,電阻排,變頻器鋁合金線繞電阻,貼片超低阻值電阻,熱敏電阻,壓敏電阻,光敏電阻,電阻成型機(jī),1.2.1 電阻元件,定義及符號,任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。,u～i 關(guān)系（VCR）,,滿足歐姆定律,u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,1.2 理想電路元件,電阻R

16、 電導(dǎo)G 且 R=1/G,物理意義：,單位： 歐姆(?) 西門子(S),阻礙電流能力 導(dǎo)通電流能力,兩個(gè)參數(shù),1.2 理想電路元件,如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)，公式中應(yīng)冠以負(fù)號；,線性電阻是無記憶、雙向性的元件。,歐姆定律只適用于線性電阻( R 為常數(shù)）；,注意：,非關(guān)聯(lián)參考方向下：歐姆定律為,u ? –R i i ? –G

17、 u,1.2 理想電路元件,短路,,開路,,,,o,o,開路和短路,u任意,i任意,1.2 理想電路元件,功率與能量,電阻元件在任何時(shí)刻都是消耗功率的,p ? u i,表明,耗能元件、無源元件,關(guān)聯(lián)參考方向,? i2R ?u2 / R,,1.2 理想電路元件,電容器,電解電容,耦合電容,云母電容,瓷介電容,高壓螺紋穿心電容,電力電容,薄膜電容,貼片電容,高頻電容,電容爆炸,,,電容器,導(dǎo)體由絕緣材料分開就可以構(gòu)成電容器。,,電路符號,1

18、.2.2 電容元件,1.2 理想電路元件,電容器,實(shí)際電容器是在兩個(gè)金屬極板間充以絕緣介質(zhì)（如云母、絕緣紙和電解質(zhì)）構(gòu)成。當(dāng)在電容器兩端施加電壓時(shí)，兩個(gè)金屬極板上分別聚集等量正負(fù)電荷，并在介質(zhì)中建立電場；當(dāng)兩端施加的電壓消失時(shí)，電場能量并不消失，所以電容器具有儲存電場能量的電磁性質(zhì)，儲存的能量來自電源提供的電能。,,1.2.2 電容元件,1.2 理想電路元件,任何時(shí)刻，極板上的電荷量q與電壓 u 成正比。q?u 特性是過原點(diǎn)的直線。

19、,線性電容元件的定義,庫伏特性,F (法拉), 常用?F，pF等表示。,單位,1.2 理想電路元件,電壓電流關(guān)系-VCR,電容元件的微分形式VCR,,直流電路中，電容相當(dāng)于開路，即直流穩(wěn)態(tài)時(shí)， 電容 “隔斷直流”,表明,電流 i 的大小取決于電壓 u 的變化率，電容是動態(tài)元件；,1.2 理想電路元件,u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,某一時(shí)刻的電容電壓與該時(shí)刻以前的所有電流值有關(guān)，稱電容元件為記憶元件；,非關(guān)聯(lián)參考方向下，VCR要加負(fù)

20、號修正！,研究某一初始時(shí)刻t0 以后的電容電壓，需要知道t0以后的電流 i 和t0時(shí)的電壓 u(t0)。,電容的初始值,1.2 理想電路元件,功率和能量,p >0, 電容吸收功率，電容充電； p <0, 電容發(fā)出功率，電容放電。,(1)功率,電容元件是儲能元件、無源元件。,u、 i 取關(guān)聯(lián)參考方向,,(2)電容的能量,,從t0到 t 電容儲能的變化量：,,電容電壓uc一般不能躍變；uc為狀態(tài)變量；,1.2 理想電路元件,

21、貼片型空心線圈,可調(diào)式電感,環(huán)形線圈,立式功率型電感,1.2 理想電路元件,1.2 理想電路元件,1.2.3 電感元件,電路符號,韋安特性,線性電感元件的定義,任何時(shí)刻，通過電感元件的電流 i 與其磁通鏈? 成正比。 ? ~ i 特性為過原點(diǎn)的直線。,H (亨利)，常用?H，mH表示,單位：,描述線圈通有電流時(shí)產(chǎn)生磁場、儲存磁場能量的性質(zhì)。,物理意義:,線圈的電感與線圈的尺寸、匝數(shù)以及附近的介質(zhì)的導(dǎo)磁性能等有關(guān)。,自感電動勢：,,由

22、基爾霍夫電壓定律? U = 0 可得,所以（ 教材P14）：,自感電動勢：,,由基爾霍夫電壓定律? U = 0 可得,所以（ 教材P14）：,電感元件的伏安特性（VCR）,電感元件的伏安特性（VCR）,u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,電感的電壓u 的大小取決于i 的變化率, 稱電感是動態(tài)元件；,直流電路中，穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感相當(dāng)于短路。,表明,1.2 理想電路元件,積分形式的VCR,電感元件是記憶元件

23、；,非關(guān)聯(lián)參考方向下，VCR要加負(fù)號修正！,微分形式VCR,④研究某一初始時(shí)刻t0 以后的電感電流，需要知道t0以后的電壓 u 和t0時(shí)的電流 i(t0)。,電感的初始值,1.2 理想電路元件,電感元件的功率和能量,(1)功率,u、 i 取關(guān)聯(lián)參考方向下,電感元件是無源元件、儲能元件。,,從t0到 t 電感儲能的變化量：,(2)能量,,,電感電流 iL為狀態(tài)變量，且一般不能躍變。,1.2 理想電路元件,實(shí)際電源,干電池,鈕扣電池,干電

24、池和鈕扣電池,干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,鈕扣電池電動勢1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,1.2 理想電路元件,蓄電池示意圖,蓄電池（化學(xué)電源）,電池電動勢2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動勢低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。,1.2 理想電路元件,太陽能電池（光能電源）,一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)從N區(qū)流向P

25、區(qū)的電流。約 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板?一個(gè)50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A,太陽能電池示意圖,太陽能電池板,1.2 理想電路元件,直流穩(wěn)壓源,函數(shù)發(fā)生器,1.2 理想電路元件,發(fā)電機(jī)組,1.2 理想電路元件,1.2.4. 獨(dú)立源,電壓源,一個(gè)二端元件，接到任一電路中，不論流過它的電流如何，其兩端電壓總保持給定的時(shí)間函數(shù)us(t)。,(1) 定義、符號,設(shè)電壓源兩端的電壓為u(t), 則定義可簡

26、述為：,1.2 理想電路元件,其電流由外電路決定。,電壓源的電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；,(2) 電壓源的電壓、電流關(guān)系（VCR）,(3) 電壓源的功率,對于電壓源，一般取非關(guān)聯(lián)參考方向,p>0,吸收功率，充當(dāng)負(fù)載;,p<0,發(fā)出功率，起電源作用。,1.2 理想電路元件,（4）實(shí)際電壓源模型,注意：實(shí)際的電壓源不允許短路。,1.2 理想電路元件,電流源,(1) 定義、符號,設(shè)流過電流源的電流為i(t), 則定義

27、可簡述為：,不論外電路如何，端電流與其端電壓u 無關(guān)，端電流總能保持給定值或一定的時(shí)間函數(shù)的元件,其兩端的電壓受外電路的影響。,（2）電流源的電壓、電流關(guān)系（VCR）,電流源的電流由其本身決定，與外電路無關(guān);,(3) 電流源的功率,對于電流源，一般取非關(guān)聯(lián)參考方向,1.2 理想電路元件,（4）實(shí)際電流源模型,實(shí)際電流源不允許開路。 因其內(nèi)阻大，若開路，電壓很大，可能燒毀電源。,實(shí)際電流源向外提供電流時(shí)，總小于電流源電流。,1.2

28、 理想電路元件,1.2 理想電路元件,1.2.5 受控源,電路中的受控現(xiàn)象,ic=b ib,,,,?ib,微變等效電路,,,晶體管的B、E之間可用rbe等效代替。,晶體管的C、E之間可用一受控電流源ic=?ib等效代替。,1.2 理想電路元件,常用電路符號,受控電壓源,受控源的定義,受控電流源,電壓或電流不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某處的電壓(或電流)控制的電源，稱受控（電）源。,被控量,控制量,1.2 理想電路元件,受控源的分

29、類和符號,VCVS,CCVS,VCCS,CCCS,根據(jù)控制量和被控制量是電壓u 或電流i，受控源可分四種類型：,1.2 理想電路元件,受控源與獨(dú)立源的比較,獨(dú)立源是給定的、獨(dú)立的，而受控源由控制量決定。,獨(dú)立源起“激勵”作用，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流受另一處的電壓或電流的控制關(guān)系。,受控源的處理方式,受控源的控制量一般不能消失。,一般情況下，可先當(dāng)獨(dú)立源處理；,,例1-4：圖示電路中，電流源,，VCCS的控制系數(shù),，求u=

30、？,解：,1.2 理想電路元件,作業(yè),P25：1-10,1.3 基爾霍夫定律,本節(jié)主要內(nèi)容：,一、基爾霍夫電流定律（KCL）,二、基爾霍夫電壓定律（KVL),三、講兩道例題，做習(xí)題1-10,1848年，提出：基爾霍夫電流定律， 簡稱 KCL；基爾霍夫電壓定律， 簡稱KVL；,基爾霍夫(克希荷夫） (Kirchhoff)1824 —1887 德國物理學(xué)家柏林科學(xué)院院士,被稱為“電路求解大師”,1.3

31、基爾霍夫定律,1.3.1 幾個(gè)概念,支路：電路中的每一個(gè)分支。,結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。,b=6,n=4,回路：由支路構(gòu)成的閉合路徑（6個(gè)）。,1.3 基爾霍夫定律,1.3.2 基爾霍夫電流定律（KCL）,在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。,流出該結(jié)點(diǎn)的支路電流取“+”號,否則取“-”號。,規(guī)定：,對結(jié)點(diǎn)①和結(jié)點(diǎn)②應(yīng)用KCL定律，可得：,,或,1.3 基爾霍夫定律,廣義KCL定律,包含幾個(gè)結(jié)點(diǎn)的閉合面,KC

32、L對廣義結(jié)點(diǎn)同樣適用,——廣義結(jié)點(diǎn),,1.3 基爾霍夫定律,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。,1.3.3 基爾霍夫電壓定律（KVL),即： ? U = 0,在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。,對回路1：,對回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 –E1 = 0,或 I2 R2

33、+I3 R3 –E2 = 0,基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。,1．列方程前標(biāo)注回路循行方向；,電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2,? U = 0 I2R2 – 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. 開口電壓可按回路處理,注意：,對回路1：,電位升 = 電位降 E2 =

34、UBE + I2R2,對回路1：,I2 =?,? U = 0 I2R2 – E2 +E 1+I2R1 = 0,對左側(cè)回路,I2 =?,1.3 基爾霍夫定律,1.3.4 基爾霍夫定律的應(yīng)用,例1-5：已知電流I1＝2A，I2＝1A，R6＝5Ω。試按照圖中所標(biāo)的參考方向求電壓U。,解：,對結(jié)點(diǎn)a應(yīng)用KCL可得,,由廣義KCL可得,根據(jù)歐姆定律可得所求電壓,1.3 基爾霍夫定律,例1-6：已知US1＝30V，US2＝80V，I1＝3A

35、，R1＝10Ω，R2＝20Ω。（1）試求元件3支路電壓U3和流過的支路電流I3，并指出它是電源還是負(fù)載。,1.3 基爾霍夫定律,例1-6,對回路Ⅰ應(yīng)用KVL,,,對結(jié)點(diǎn)a應(yīng)用KCL,,得,得,,對回路Ⅱ應(yīng)用KVL,,得,習(xí)題1-10. 解：,I2=1A U2= 6v,習(xí)題1-9 解：（1） I = 1A,Uab=10×1 = 10 VUbc= 5vUac= 10+5= 15 VUcd= 10

36、5;1 = 10 V Ude = – 3VUae=15+10+(– 3)=22V,習(xí)題1-9,（2） I = –2A,Uab=10×（– 2） = – 20 VUbc= 5vUac = – 20+5= – 15 VUcd=10×（– 2） = – 20 VUde = – 3VUae=（ – 15）+（ – 20）+(– 3)= – 38V,本章作業(yè),P26：1-1， 1-3， 1-8， 1-9，1-10