1、电工技术基础理实一体电工技术基础理实一体化教学课件化教学课件 第1章 电路分析基础第1章 电路分析基础原子核 原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电。绕原子核高速旋转的电子带负电。自然界物质的电结构：电子原子核 导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受原子核的束缚力很弱，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，即导体的特点就是内部具有大量的自由电子。原子核 半导体的外层电子数一般为4个，其导电性界于导体和绝缘体之间。原子核 绝缘体外层电子数通常为8个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为8个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导
2、电。当外界电场的作用力超过原子核对外层电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一旦被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成为导体。1、绝缘体是否在任何条件下都不导电？、绝缘体是否在任何条件下都不导电？2、半导体有什么特殊性？、半导体有什么特殊性？半导体的导电性虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体在外界条件发生变化时，其导电能力将大大增强；若在纯净的半导体中掺入某些微量杂质后，其导电能力甚至会增加上万乃至几十万倍，半导体的上述特殊性，使它在电子技术中得到了极其广泛地应用。负载：由实际元器件构成的电流的通路。电源：电路中提供电能的装置。如发
3、电机、蓄电池等。在电路中接收电能的设备。如电动机、电灯等。中间环节：电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件，如连接导线、开关设备、测量设备以及各种继电保护设备等。电力系统中电力系统中：电子技术中电子技术中：电源负载实体电路中间环节 与实体电路相对应、由理想元件构成的，称为实体电路的。电路模型负载电源开关连接导线SRL+UIUS+_R0白炽灯的电白炽灯的电路模型可表路模型可表示为：示为：实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。iR R L的的电电特性可用特性可用表征表征的电的电特性可用特性可用表征表征由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此
4、L 可以忽略。理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。RC+US只具耗能的电特性只具有储存电能的电特性输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定L只具有储存磁能的电特性IS无源二端元件 有源二端元件 必须指出，电路在进行上述模型化处理时是有条件的：实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研究，并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行。这种电路称为元件的电路。1.电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略。如R，L、C这些只具有单一电磁特性的理想电路元件。2.2.任何时刻从集中参数元件一端流入的电流恒等于从它另一
5、端流出的电流，并且元件两端的电压值完全确定。工程应用中，实际电路的几何尺寸远小于工作电磁波的波长，因此都符合模型化处理条件，均可按集中假设为前提，有效地描述实际电路，从而获得有意义的电路分析效果。（1）电流 电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【A】等，它们之间的换算关系为：i dqdt=（1-1）I Q t=（1-2）电荷有规则的定向移动形成电流。电流的大小用电流强度表征，定义式为：大小、方向均不随时间变化的稳恒直流电可表示为：在电工技术分析中，仅仅指出电流的大小是不够的，通常以正电荷移动的方向规定为电流的正方向。直流情况下（2）电压 高中物理课对电压的定义是：电场
6、力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。电压的国际单位制是伏特V，常用的单位还有毫伏mV和千伏【KV】等，换算关系为：电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向高电位指向低电位，因此电压又称作电压降 从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：（3）电流、电压的参考方向对电路进行分析计算时应注意：列写电路方程式之前，首先要在电路中标出电流、电压的参考方向。电路图上电流、电压参考方向的标定，原则上任意假定，但一经选定，在整个分析计算过程中，这些参考方向就不允许再变更aIUbaIU
7、b 实际电源上的电压、电流方向总是的，实际负载上的电压、电流方向是的。因此，假定某元件是电源时，应选取非关联参考方向，假定某元件是负载应选取关联参考方向。在电路图上预先标出电压、电流的，目的是为解题时列写方程式提供依据。因为，只有参考方向标定的情况下，方程式各电量前的正、负号才有意义。I 为什么要在电为什么要在电路图中预先标出路图中预先标出参考方向？参考方向？+USR0RI 设参考方向下US=100V，I=5A，则说明电源电压的实际方向与参考方向一致；电流为负值说明其实际方向与图中所标示的参考方向相反。参考方向一经设定，在分析和计算过程中不得随意改动。方程式各量前面的正、负号均应依据参考方向写
8、出，而电量的是以计算结果和参考方向二者共同确定的。1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算电路提供方便和依据。应用参考方向时，是指在参考方向下，电压、电流数值前面的正负号，如某电流为“5A”，说明其实际方向与参考方向，某电压为“100V”，说明该电压实际方向与参考方向指参考方向下电路方程式中各量前面的是指电压、电流为，“”指的是电压、电流参考方向。日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度度=1KWh=1KVAh（1）电能 电能的转换是在电流作功的
9、过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】1度电的概念1000W的电炉加热1小时；100W的电灯照明10小时；40W的电灯照明25小时。电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。（2）电功率 电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P”表示：国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】用电器额定工作时的电压叫额定电压，；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上
10、，作为用电器正常工作条件下的最高限值。提高电能效率能大幅度节约投资。据专家测算，建设1千瓦的发电能力，平均在7000元左右；而节约1千瓦的电力，大约平均需要投资2000元，不到建设投资的1/3。通过提高电能效率节约下来的电力还不需要增加煤等一次性资源投入，更不会增加环境污染。（3）效率 电气设备运行时客观上存在损耗，在工程应用中，常把输出功率与输入功率的比例数称为效率，用“”表示：所以，提高电能效率与加强电力建设具有相同的重要地位，不仅有利于缓解电力紧张局面，还能促进资源节约型社会的建立。1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作1010小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？2
11、、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？3、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？检验学习结检验学习结果果电路由哪几部电路由哪几部分组成？试述电分组成？试述电路的功能？路的功能？为何要引入参考为何要引入参考方向？参考方向方向？参考方向和实际方向有何和实际方向有何联系与区别？联系与区别？何谓电何谓电路模型？路模型？理想电路元件理想电路元件与实际元器件与实际元器件有
12、何不同？有何不同？如何判断元如何判断元件是电源还是件是电源还是负载？负载？学好本课程，应注意抓好四个主要环节：还要处理好三个基本关系：电气设备工作条件下的称为额定值 电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。IUS(RSRL)（1）通路 U=USIRS RLS USRS（2）开路U=USI 0S USRSRLU=0IUS/RS（3）短短路路RLS USRS右下图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。+UI元 件由图可知UI为关联参考方向，因此:举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还
13、是负载。+UI元 件UI非关联参考，因此:元件吸收正功率，说明元件是负载。I为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。检验学习结检验学习结果果1.电源外特电源外特性与横轴相交性与横轴相交处的电流处的电流=？电流工作状态电流工作状态？2.该电阻允许该电阻允许加的最高电压加的最高电压=？允许通过的最？允许通过的最大电流大电流=？3.额定电流为额定电流为100A的发电机，只接了的发电机，只接了60A的照明负载，还的照明负载，还有有40A电流去哪了？电流去哪了？4.电源的开路电压电源的开路电压为为12V,短路电流为短路电流为30A,则电源的则电源的US=?RS=？UI0U0I=?“1W、100
14、”1.电阻元件R0UI 由电阻的伏安特性曲线可得，电阻元件上的电压、电流关系为关系，即：因此，电阻元件称为即时元件。即时 电阻元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。即元件通过电流就会发热，消耗的能量为：2.电感元件和电容元件L线性电感元件的韦安特性线性电感元件的韦安特性0i 对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为微分(或积分)的关系，即：显然，只有电感元件上的电流 电感元件图符号时，电感两端才有电压。因此，我们把电感元件称为动态元件。动态元件可以储能，储存的磁能为：（1）电感元件（2）电容元件0q qu 对线性电容元件而言，任一瞬时，其电压、电流的关系也是微分(或积分)的关系，即：电
15、容元件的工作方式就是充放电。C 电容元件图符号因此，只有电容元件的极间电压时，电容支路才有电流通过。电容元件也是动态元件，其储存的电场能量为：3.电源元件 任何电源都可以用两种电源模型来表示，输出电压比较稳定的，如发电机、干电池、蓄电池等通常用电压源模型(理想电压源和一个电阻元件相串联的形式)表示；柴油机组柴油机组汽油机组汽油机组蓄电池蓄电池 输出电流较稳定的：如光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型(理想电流源和一个内阻相并联的形式)表示。US+_R0ISR0（1）电压源（2）电流源理想电压源的外特性0UI电压源模型的外特性0UI电压源模型输出端电压I 理想电压源内阻为零，因此输出电压恒定
16、；实际电源总是存在内阻的，因此实际电压源模型电路中的负载电流增大时，内阻上必定增加消耗，从而造成输出电压随负载电流的增大而减小。因此，实际电压源的外特性稍微向下倾斜。US USR0URL 理想电流源的内阻 R0I(相当于开路)，因此内部不能分流，输出的电流值恒定。理想电流源的外特性0I IU电流源模型的外特性0I IUU+_RLR0IISI电流源模型 实际电流源的内阻总是有限值，因此当负载增大时，内阻上分配的电流必定增加，从而造成输出电流随负载的增大而减小。即实际电流源的外特性也是一条稍微向下倾斜的直线。Us=Is R0内阻改并联Is=UsR0 两种电源模型之间等效变换时，电压源的数和电流源的
17、数值遵循欧姆定律的数值关系，但变换过程中内内阻不变阻不变。bI IR0Uab+_US+_aIS R0US bI IR0Uab+_a当外接负载相同时，两种电源模型对外部电路的电压、电流相等。内阻改串联检验学习结检验学习结果果+Li=0uL=0C1.uL=0时，时，WL是否为是否为0？ic=0时时，WC是否为是否为0？2.画出图中电感画出图中电感线圈在直流情况下线圈在直流情况下的等效电路模型？的等效电路模型？3.电感元件在直电感元件在直流时相当于短路流时相当于短路，L 是否为零是否为零？电容元件在直流电容元件在直流时相当于开路，时相当于开路，C是否为零？是否为零？4.理想电源和实理想电源和实际电源
18、有何区别？际电源有何区别？理想电源之间能否理想电源之间能否等效互换？实际电等效互换？实际电源模型的互换如何源模型的互换如何？10V+2A2 II=?RUIR2R1UII1I2R1R2IUU1U2串联各电阻中通过的电流相同。并联各电阻两端的电压相同。如果两个串联电阻有：R1R2，则如果两个并联电阻有：R1R2，则1、电阻的串联与并联 Rab=R1+R6+(R2/R3)+(R4/R5)R1R2R3R4R5R6ab由a、b端向里看，R2和R3，R4和R5均连接在相同的两点之间，因此是并联关系，把这4个电阻两两并联后，电路中除了a、b两点不再有结点，所以它们的等效电阻与R1和R6相串联。电阻混联电路的
19、等效电阻计算，关键在于正确找出电路的连接点，然后分别把两两结点之间的电阻进行串、并联简化计算，最后将简化的等效电阻相串即可求出。m=3abl=3n=2112332网孔网孔=2+_R1US1+_US2R2R3例例支路：共？条回路：共？个节点：共？个网孔：？个I3I1I2I5I6I4R3US4US3_+R6+R4R5R1R2_3、基尔霍夫第一定律（KCL）基尔霍夫定律包括结点电流定律和回路电压两个定律，是一般电路必须遵循的普遍规律。基尔霍夫电流定律是将物理学中的“液体流动的连续性”和“能量守恒定律”用于电路中，它指出：。数学表达式：I1I2I3I4a 若以结点的电流为，结点的电流为，则根据KCL，
20、对结点 a 可以写出：求左图示电路中电流i1、i2。i1i4i2i3整理为：i1+i3=i2+i4可列出KCL：i1 i2+i3 i4=0i1i2+10+(12)=0 i2=1A 4+7+i1=0 i1=3A 7A4Ai110A-12Ai2I=?I1I2I3IU2+_U1+_RU3+_RRR广义节点广义节点I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4先标绕行方向#1#2例例#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2 K
21、VL方程式的常用形式，是把变量和已知量区分放在方程式两边，显然给解题带来一定方便。USI IUR+_+_ABCUA+_UAB+_UB+_5、负载获得最大功率的条件RLSUSIR0RLSUSIR0检验学习结检验学习结果果10K10I2I31KA41K2K10mA6mAA5A4=？A5=？212V+_16V+_155I并联：并联：R10串联：R10KA4=7mAA5=3mAn=2b=3Uab=0 I=0结点？结点？支路？支路？Uab=？I=？a 点电位ab1 5Aab1 5A1、电位的概念 b点电位12V12V6K4K20K12Vbabadc6K4Kc20K12V6K4K20K12V12Vbacd
22、d2、电位的计算10 V2 +5 V+3 II=10+53+2=3 AVC=3 3=9 VVD=3 2=6 VUCD =VC VD=15 VVD=5 VVC=10 VUCD=VC VD=15 V检验学习结检验学习结果果求下图电路中开求下图电路中开关关S闭合和断开闭合和断开时时B点的电位。点的电位。试述电压和电位的试述电压和电位的异同，若电路中两点异同，若电路中两点电位都很高，则这两电位都很高，则这两点间电压是否也很高点间电压是否也很高？A24VBCDS12VA26K4V12VBS4K2K 在多个电源同时作用的线性电路中，任何支路的电流或任意两点间的电压，都是各个电源单独作用时所得结果的代数和。
23、IR1R2ISUSIR1R2USIR1R2IS12V+_BAI237.2V+_212V+_6BA37.2V+_26I2I2+-I4A20V10 10 10 I4A10 10 10+-I20V10 10 10 1.1.叠加定理只适用于线性电路（电路参数不随电压、电流的变化而改变）。2.叠加时只将电源分别考虑，电路的结构和参数不变。暂时不予考虑的恒压源应予以短路，即令U=0；暂时不予考虑的恒流源应予以开路，即令Is=0。3.解题时要标明各支路电流、电压的正方向。原电路中各电压、电流的最后结果是各分电压、分电流的代数和。4.叠加定理只能用于电压或电流的计算，不能用来求功 率，即功率不能叠加。如：5.
24、运用叠加定理时也可以把电源分组求解，每个 分支电路的电源个数可能不止一个。R3I3=+检验学习结检验学习结果果从叠加定理的学从叠加定理的学习中，可以掌握习中，可以掌握哪些基本分析方哪些基本分析方法？法？电流和电压可以应电流和电压可以应用叠加定理进行分析用叠加定理进行分析和计算，功率为什么和计算，功率为什么不行？不行？线性线性有源有源二端二端网络网络 ababR0US+-ABAB已知：R1=20、R2=30 R3=30、R4=20 U=10V求：当 R5=16 时，I5=?R1R3+_R2R4R5UI5R5I5R1R3+_R2R4U有源二端网络I520+_AB30302010V16USR0+_AB20+_+_30302010V R0=RAB=20/3030/20 =12+12=24 20303020A2V24+_16I5B由全电路欧姆定律可得：US=(30/50)RS+30 US=(50/100)RS+50有源VU0二端网络U0150V200KR检验学习结检验学习结果果戴维南定理适用戴维南定理适用于哪些电路的分析于哪些电路的分析和计算？是否对所和计算？是否对所有的电路都适用？有的电路都适用？应用戴维南定理应用戴维南定理求解电路的过程中求解电路的过程中，电压源、电流源，电压源、电流源如何处理？如何处理？
