電工技術(shù)第1章1

電工技術(shù)

中北大學(xué)電工電子教學(xué)中心電工技術(shù)課程多媒體課件一、《電工技術(shù)》課程性質(zhì)－－技術(shù)基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)一切電氣、電子工程的理論基礎(chǔ)

內(nèi)容－－電路基本理論和基本分析方法，磁路的基本理論和分析方法，電路及磁路的工程應(yīng)用，即：電動(dòng)機(jī)及其控制

研究對(duì)象－－電路模型

課程主線－－已知激勵(lì)求響應(yīng)

緒論二、本課程的特點(diǎn)在物理學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)學(xué)，結(jié)合工程實(shí)際來抽象的研究電路的分析計(jì)算方法。討論問題的側(cè)重點(diǎn)不是元件的內(nèi)部機(jī)理，而是重在外部關(guān)系，即元件端口上電流電壓間是什么關(guān)系。另外由若干個(gè)元件組成電路整體之后，各變量之間是什么關(guān)系。是一門突出分析計(jì)算方法的理論課。前面說過，已知電路參數(shù)和外激勵(lì)，如何求取電路中的響應(yīng)是電路分析的主線。高等教育的指導(dǎo)思想是重在導(dǎo)而不在教，聽課要記好筆記，要多看一些參考書，教材僅僅是一本參考書。要重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，電路理論也是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。實(shí)驗(yàn)課不僅是為了驗(yàn)證理論，更重要的是技能的訓(xùn)練。要掌握概念，多做練習(xí)，這是學(xué)好門課程的基本保證。三、在學(xué)習(xí)的時(shí)候還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：1電路的基本概念和基本定律1.1電路組成與電路模型的概念1.2電流、電壓及其參考方向1.3電路的功與功率計(jì)算1.4基爾霍夫定律1.5電阻、電感、電容目錄1.6電源下頁上頁返回一、基本內(nèi)容：電路模型的基本概念；電壓、電流的參考方向；功率的計(jì)算方法；電阻、電感、電容、電源等電路元件；基爾霍夫定律及電路元件。1電路的基本概念和基本定律下頁上頁返回通過學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)對(duì)電路理論有根本的認(rèn)識(shí)，理解電路模型的概念，掌握電壓、電流參考方向的意義；深刻理解功率的計(jì)算方法；熟練掌握基爾霍夫定律及其相關(guān)知識(shí)；掌握R、L、C無源元件的伏安關(guān)系和能量關(guān)系，掌握兩種電源及受控源的特性。二、教學(xué)要求：1電路的基本概念和基本定律下頁上頁返回局部規(guī)律

基本規(guī)律整體規(guī)律電路參數(shù)CLR電源受控源電流源電壓源KCLKVL

1.1電路組成與電路模型的概念

1.1.1電路與電路組成

定義:電路是電流流通的路徑，是由若干的電氣設(shè)備按照一定的方式用導(dǎo)線連接起來構(gòu)成的電流的通路。

電源:

提供電能的裝置負(fù)載:

取用電能的裝置中間環(huán)節(jié)：傳送、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐...輸電線下頁上頁返回直流電源直流電源:

提供能源信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號(hào)源:

提供信息放大器揚(yáng)聲器話筒

1.1電路組成與電路模型的概念

1.1.1電路與電路組成下頁上頁返回

電路一般由電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)組成。電源：供應(yīng)電能的裝置，可以把熱能、水能等非電能轉(zhuǎn)化為電能1.1電路組成與電路模型的概念

負(fù)載：是用電設(shè)備，是吸收電能或接收信號(hào)的裝置器件，它們將電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。<廣義地說，后一電路是前一電路的負(fù)載>1.1.1電路與電路組成中間環(huán)節(jié)：連接電源和負(fù)載，用于傳輸電能和電信號(hào)基本功能1）傳輸分配和轉(zhuǎn)換電能2）信息的傳輸和處理1.1電路組成與電路模型的概念

1.1.1電路與電路組成1.1電路組成與電路模型的概念

為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路,一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。1.1.2

電路模型理想電路元件消耗能量的元件如：電阻儲(chǔ)存能量的元件如：電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件

電容儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件提供能量的元件（電源）電壓源電流源無源元件有源元件例：熒光燈電路

uS燈管輝光啟動(dòng)器燈絲鎮(zhèn)流器uSLRLIR燈管通電后，發(fā)生電能向熱能和光能轉(zhuǎn)換的過程，可以用電阻R作為電路模型，鎮(zhèn)流器接入電路時(shí)將發(fā)生電能向磁場(chǎng)能和熱能轉(zhuǎn)換兩種過程，所以可以用一個(gè)電感L和電阻RL的串聯(lián)組合作為它的電路模型，外加電源如果忽略內(nèi)阻，電路模型就是一個(gè)電壓源。

1.1電路組成與電路模型的概念

下頁上頁返回1.1.3網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)

在電工領(lǐng)域內(nèi)，電路與網(wǎng)絡(luò)并無明確區(qū)別，但習(xí)慣上常將比較復(fù)雜的電路稱為網(wǎng)絡(luò)。

1.1電路組成與電路模型的概念

若網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各元件都是無源元件，稱為無源網(wǎng)絡(luò)，習(xí)慣用N0表示，含有源元件的網(wǎng)絡(luò)則為有源網(wǎng)絡(luò)，習(xí)慣用N表示。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)還可以和其它網(wǎng)絡(luò)或元件連接成更大的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的連接端稱為端鈕。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)端鈕的個(gè)數(shù)，網(wǎng)絡(luò)可以分為二端網(wǎng)絡(luò)、三端網(wǎng)絡(luò)、四端網(wǎng)絡(luò)等，圖示分別為二端網(wǎng)絡(luò)、四端網(wǎng)絡(luò)下頁上頁返回的框圖。如果對(duì)于所有時(shí)間t，從一個(gè)端鈕流入的電流等于從另一端鈕流出的電流，那么這兩個(gè)端鈕構(gòu)成一個(gè)端口，如圖（a）中1－1/為一對(duì)端口，圖（b）中1－1/也為一對(duì)端口，2－2/為另一對(duì)端口。（a）圖為一端口網(wǎng)絡(luò)，（b）圖為二端口網(wǎng)絡(luò)或雙口網(wǎng)絡(luò)。

NI（a）I11/NI1（b）I111/I2I222/

1.1電路組成與電路模型的概念

下頁上頁返回

用現(xiàn)代電路理論來分析電路時(shí)，常常把具有一定功能的電路視為一個(gè)系統(tǒng)。從一般意義上講，系統(tǒng)是由若干互相關(guān)聯(lián)的單元或設(shè)備所組成，并用來達(dá)到某種目的的有機(jī)整體。

系統(tǒng)繁簡(jiǎn)不一，例如由發(fā)電、輸電、配電、用電等多種設(shè)備組成的電網(wǎng)可視為一個(gè)系統(tǒng)，是大系統(tǒng)。

1.1電路組成與電路模型的概念

1.1.3網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)下頁上頁返回系統(tǒng)是由一些元件或部件為完成一定功能，按照一定方式或規(guī)律組合起來的整體。電路也是一個(gè)系統(tǒng)電路、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)之間可以理解為復(fù)雜程度不同。電路最簡(jiǎn)單，系統(tǒng)最復(fù)雜。1.1電路組成與電路模型的概念

1.1.3網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)

R1

、R2

為電橋的比例臂，R3為可變電阻，Rt為熱敏電阻，其阻值與溫度有著一定的函數(shù)關(guān)系，P為電流計(jì)，用以檢測(cè)它所在的支路有無電流。例：溫度檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)在某一溫度下把電橋調(diào)平衡后，如果溫度發(fā)生了變化，則Rt的變化使電橋失去平衡，電流計(jì)有電流通過。這個(gè)電流的極性和大小與溫度有一定的函數(shù)關(guān)系，可反映出溫度的升降數(shù)值。

1.1電路組成與電路模型的概念

電橋檢測(cè)溫度系統(tǒng)

R1USR2GR3RtP下頁上頁返回激勵(lì)：一個(gè)電路系統(tǒng)中，電源或信號(hào)源的電壓、電流。外界對(duì)電路的能量輸入,即電源的作用響應(yīng)：由激勵(lì)引起的結(jié)果.在電路中產(chǎn)生的電壓或電流,即電源作用下在電路中產(chǎn)生的結(jié)果激勵(lì)和響應(yīng)的關(guān)系：作用和結(jié)果的關(guān)系，往往對(duì)應(yīng)著輸入與輸出的關(guān)系。已知激勵(lì)和電路參數(shù)求取電路中的響應(yīng)是電路分析的主線。把一個(gè)系統(tǒng)用圖示框圖來抽象地描述，其中e(t)為激勵(lì)，r(t)為響應(yīng)。

1.1電路組成與電路模型的概念

下頁上頁返回1.2電流、電壓及其參考方向變量：與能量直接關(guān)聯(lián)的物理量，如電流、電壓、功率等。參數(shù)：影響響應(yīng)的結(jié)構(gòu)性因素，如前述的R、L、C等。

1.2.1變量與參數(shù)的概念和符號(hào)規(guī)定

電路中所發(fā)生的一切現(xiàn)象是通過數(shù)學(xué)式子描述的，這些數(shù)學(xué)式子統(tǒng)稱為數(shù)學(xué)模型。描述電路性態(tài)的數(shù)學(xué)模型是由電路參數(shù)和變量組成的代數(shù)方程或微分方程，如在電阻上有u=Ri

；在電感上有u=Ldi/dt

等。下頁上頁返回1.2電流、電壓及其參考方向變量的符號(hào)應(yīng)采用國標(biāo)規(guī)定的符號(hào)，即直流量用大寫的斜體字母表示，而小寫的斜體字母既可以表示時(shí)變量也可以是廣義意義上的變量。如下表。類別變量電流電壓電動(dòng)勢(shì)功率直流量IUEP時(shí)變量或廣義變量iuep下頁上頁返回名稱電流電壓功率電能電荷電阻電導(dǎo)單位AVWJCΩS名稱電感電容周期頻率磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度單位HFsHzWbT；GsA·m-11.2電流、電壓及其參考方向參數(shù)在線性定常電路中是常數(shù)，規(guī)定用大寫的斜體字母書寫，如R=1Ω、L=3H、C=4F等，參數(shù)的單位為正體字母。而變量單位的符號(hào)應(yīng)采用國際符號(hào)，不能用中文符號(hào)。常見變量單位符號(hào)見下表。下頁上頁返回1.2電流、電壓及其參考方向1.2.2電流、電壓、電位（1）電流(current)：定義：電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流電流的大小用電流強(qiáng)度表示：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量。恒定電流（直流電流）：

Q是在時(shí)間T內(nèi)通過導(dǎo)體截面S的電量。

下頁上頁返回（1）電流(current)：形式：iI注意區(qū)分大小寫單位：安培（A），還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（

A）、納安（nA）等

1kA＝103A1mA＝10-3A

1

A＝10-6A1nA＝10-9A方向：電流的實(shí)際方向：正電荷的移動(dòng)方向

1.2電流、電壓及其參考方向1.2.2電流、電壓、電位

電流的參考方向

箭頭雙下標(biāo)Iab（ab）選定的參考方向與實(shí)際電流方向一致，那么電流為正值，選定的參考方向與實(shí)際電流方向相反，電流為負(fù)值。Iba=-Iab1.2電流、電壓及其參考方向注意：在參考方向選定后，電流值才有正負(fù)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。abRI1.2電流、電壓及其參考方向下頁上頁返回1.2電流、電壓及其參考方向1.2.2電流、電壓、電位（2）電位、電壓電位隨參考點(diǎn)選的不同而不同，這叫做電位的相對(duì)性。電位在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把單位正電荷從電場(chǎng)中某點(diǎn)移到無限遠(yuǎn)處所做的功。在電路中任選一點(diǎn)作為參考點(diǎn)（o），任意點(diǎn)（a）到參考點(diǎn)的電壓僅由該點(diǎn)的位置決定，我們把此電壓稱為該點(diǎn)的電位。記為ua在電力工程中規(guī)定大地為零電位參考點(diǎn)，在電子電路中，通常以與機(jī)殼聯(lián)結(jié)的公共導(dǎo)線為參考點(diǎn)，下頁上頁返回用接機(jī)殼的符號(hào)“⊥”來表示，稱之為“地”。在電子電路中，電源的一端通常都是接“地”的，為了作圖簡(jiǎn)便和圖面清晰，習(xí)慣上常常不畫電源而在電源的非接地端標(biāo)注電壓大小，如圖示。

1.2電流、電壓及其參考方向US1R1acdR2R3R4R5US2bUS1US2acdbR4R1R2R3R5下頁上頁返回電壓是描述電場(chǎng)力移動(dòng)電荷時(shí)做功的物理量。電場(chǎng)力把單位正電荷從a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)所做的功，稱為該兩點(diǎn)間的電壓，記為Uab，下標(biāo)ab表示電壓方向?yàn)橛蒩指向b。在電場(chǎng)內(nèi)兩點(diǎn)間的電壓也常稱為兩點(diǎn)間的電位差，即Uab＝Va－Vb。若b點(diǎn)為參考點(diǎn)，則ab兩點(diǎn)間的電壓等于a點(diǎn)的電位。

1.2電流、電壓及其參考方向下頁上頁返回1.2.2電流、電壓、電位電壓和電位的單位：伏特（V），還有毫伏（mV），千伏（kV）等電壓的方向?qū)嶋H方向：高電位指向低電位參考方向：（下一頁）1.2電流、電壓及其參考方向電壓參考方向

箭頭、雙下標(biāo)Uab（a為高電位

b為低電位）選定的參考方向與實(shí)際電壓方向一致，那么電壓為正值；反之，電壓為負(fù)值。+、-（高低）1.2電流、電壓及其參考方向注意：在參考方向選定后，電壓值才有正負(fù)之分。例：abRU+–若U=5V，則電壓的實(shí)際方向從a指向b；若U=–5V，則電壓的實(shí)際方向從b指向a。1.2電流、電壓及其參考方向下頁上頁返回（3）電動(dòng)勢(shì)定義：是衡量電源內(nèi)局外力克服電場(chǎng)力移動(dòng)電荷時(shí)做功的物理量，它在數(shù)值上等于局外力把單位正電荷在電源內(nèi)部由低電位端移到高電位端所做的功單位：伏特實(shí)際方向：低電位到高電位大?。赫?fù)兩極之間的開路電壓注意區(qū)分電動(dòng)勢(shì)和源電壓1.2電流、電壓及其參考方向1.2.2電流、電壓、電位強(qiáng)調(diào)電位有相對(duì)性和單值性

參考點(diǎn)選取的不同，電位不同；參考點(diǎn)確定后，電位僅有唯一值電壓有絕對(duì)性

兩點(diǎn)間電壓的大小與參考點(diǎn)的選取無關(guān)電壓和電位的計(jì)算與所選路徑無關(guān)參考點(diǎn)電位為零原則上參考點(diǎn)可任選

1.2電流、電壓及其參考方向關(guān)聯(lián)參考方向電壓、電流同向——關(guān)聯(lián)反向——非關(guān)聯(lián)

uu非關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)1.2.3.電流、電壓的參考方向1.2電流、電壓及其參考方向負(fù)載消耗或吸收的電能即電場(chǎng)力移動(dòng)電荷q所做的功。由電壓電流定義，可表示為

τ為電流通過負(fù)載的時(shí)間。

1.3電路的功與功率計(jì)算1.3.1電路的功與功率功率是能量轉(zhuǎn)換的速率，用字母p表示

如果電壓電流都是恒定值，以上兩式分別為。

和

下頁上頁返回1.3電路的功與功率計(jì)算1.3.2功率的計(jì)算電壓電流關(guān)聯(lián)參考方向aIRUbaIRUb電壓電流非關(guān)聯(lián)參考方向P=–UIP=UI下頁上頁返回表明吸收功率或消耗功率（起負(fù)載作用）若P0表明元件發(fā)出功率（起電源作用）若P0電阻消耗功率肯定為正電源的功率可能為正（吸收功率），也可能為負(fù)（輸出功率）在此規(guī)定下，功率有正有負(fù)1.3電路的功與功率計(jì)算下頁上頁返回電源的功率IUab+-P=UIP=–UIIUab+-電壓電流非關(guān)聯(lián)參考方向電壓電流關(guān)聯(lián)參考方向1.3電路的功與功率計(jì)算下頁上頁返回含源網(wǎng)絡(luò)的功率IU+－含源網(wǎng)絡(luò)P=UI電壓電流關(guān)聯(lián)參考方向P=–UI電壓電流非關(guān)聯(lián)參考方向IU+－含源網(wǎng)絡(luò)1.3電路的功與功率計(jì)算下頁上頁返回（a）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×2=10W，P>0，吸收10W功率。（b）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P<0，產(chǎn)生10W