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文檔簡介
張曉程機(jī)電11、《電工學(xué)》是大學(xué)工科各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課當(dāng)今世界上,人們衣食住行的基本生活條件現(xiàn)代一切科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開電工及電子技術(shù)的支撐2、與工作關(guān)系:注冊(cè)工程師關(guān)于課程:2課程安排:1.直流電路
2.交流電路
3.變壓器
4.電動(dòng)機(jī)及控制基礎(chǔ)篇28學(xué)時(shí)應(yīng)用篇1.供配電
2.電氣照明
3.弱電系統(tǒng)
4.安全用電及防雷3課程的目的、任務(wù)和學(xué)習(xí)方法:理解基本概念、基本理論和分析方法學(xué)用結(jié)合,舉一反三,融會(huì)貫通每次課約2個(gè)習(xí)題的作業(yè)完整掌握課程體系,培養(yǎng)自學(xué)能力4BerryThe
NewTerm!愿每一位同學(xué)成功!5
第一章直流電路第一節(jié)電路的組成與物理量第二節(jié)電路的基本狀態(tài)第三節(jié)電壓源和電流源第四節(jié)基爾霍夫定律第五節(jié)支路電流法第六節(jié)疊加原理第七節(jié)戴維南定理6第一節(jié)電路組成與物理量一、電路的作用與組成電路的定義:
?某種需要?某些元件?某種方式
7電源:將非電能轉(zhuǎn)換成電能的裝置(干電池,蓄電池,發(fā)電機(jī))或信號(hào)源。中間環(huán)節(jié):把電源與負(fù)載連接起來的部分(連接導(dǎo)線,開關(guān))負(fù)載:將電能轉(zhuǎn)換成非電能的用電設(shè)備(電燈,電爐,電動(dòng)機(jī))1.電路的組成:8電池?zé)襞軪IRU+_負(fù)載電源電路的組成92.電路的作用1)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電爐熱能,水能,核能轉(zhuǎn)電能傳輸分配電能電能轉(zhuǎn)換為光能,熱能和機(jī)械能102)信號(hào)的傳遞和處理放大器話筒揚(yáng)聲器將語音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(信號(hào)源)信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、信號(hào)處理(中間環(huán)節(jié))接受轉(zhuǎn)換信號(hào)的設(shè)備(負(fù)載)111.電流電流方向—正電荷運(yùn)動(dòng)的方向(實(shí)際方向)。電流參考方向—任選一方向?yàn)殡娏髡较?。Iab
=-IbaIab
雙下標(biāo)箭頭abRI表示方法:二、電路的物理量12大寫
I
表示直流電流,小寫i
表示電流的一般符號(hào)☆電流強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量?;?3142.電壓電壓方向—由高電位端指向低電位端(實(shí)際方向)。電壓參考方向—任選一方向位為電壓正方向。表示方法:U+-UabUabUab=-Ubaa.箭頭b.正負(fù)極性c.雙下標(biāo)15☆電路中a、b兩點(diǎn)間的電壓定義為單位正電荷由a點(diǎn)移至b點(diǎn)電場力所做的功?!铍妷旱扔陔娐分袃牲c(diǎn)電位之差。或大寫
U表示直流電壓,小寫u表示電壓的一般符號(hào)16圖中若I=3A,則表明電流的實(shí)際方向與參考方向相同;反之,若I=–3A,則表明電流的實(shí)際方向與參考方向相反。I–
+US電壓、電流的參考方向:當(dāng)電壓、電流參考方向與實(shí)際方向相同時(shí),其值為正,反之則為負(fù)值。電流的參考方向用箭頭表示;電壓的參考方向除用極性“+”、“–”外,還可用雙下標(biāo)或箭頭表示原則上:任意假定。RR017例: 當(dāng)ua=3Vub=2V時(shí)u1=1Vu2=-1V求得的u1為正值,說明電壓的實(shí)際方向與參考方向一致;求得的u2為負(fù)值,說明電壓的實(shí)際方向與參考方向相反。18關(guān)聯(lián)參考方向EIU+—IU+—如果指定流過元件的電流的參考方向由電壓參考方向的正極指向負(fù)極,即電流參考方向與電壓參考方向相一致,則把符合這一關(guān)系的電流和電壓參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向。當(dāng)二者相反時(shí),稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。19
電路中的參考點(diǎn)Ucc+-RCICRBIBIEabce將電路中的某一點(diǎn)選作參考點(diǎn),并規(guī)定其電位為零。電路中其它任何一點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓便是該點(diǎn)的電位。6V2k
270k
1mA0.02mAVe=0Va=UCC=6VVb=Ucc-RBIB=0.6VVc=Ucc-RCIC=4V化簡電路RCICRBIBIEabce+UCC20
電路中電位的概念及計(jì)算電位:電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓,記為“VX”
。
通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。1.電位的概念電位的計(jì)算步驟:
(1)任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn),設(shè)其電位為零;
(2)標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算;
(3)計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。某點(diǎn)電位為正,說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高;某點(diǎn)電位為負(fù),說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。212.舉例求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd
。解:設(shè)a為參考點(diǎn),即Va=0VVb=Uba=–10×6=
60VVc=Uca
=4×20=80VVd
=Uda=6×5=30V
設(shè)b為參考點(diǎn),即Vb=0VVa
=Uab=10×6=60VVc
=Ucb=E1=140VVd
=Udb=E2=90V
bac20
4A6
10AE290V
E1140V5
6A
dUab
=10×6=60VUcb
=E1=140VUdb
=E2=90V
Uab
=10×6=60VUcb
=E1=140VUdb
=E2=90V
22例1:圖示電路,計(jì)算開關(guān)S斷開和閉合時(shí)A點(diǎn)的電位VA2k
+6VA2k
SI2I1(a)233.電動(dòng)勢電動(dòng)勢的方向—電位升高的方向(實(shí)際方向)。電動(dòng)勢的參考方向—任選一方向?yàn)殡妱?dòng)勢的正方向。電動(dòng)勢參考方向的表示方法:a.箭頭b.正負(fù)極性c.雙下標(biāo)E244.功率若p>0,吸收功率;若p<0,發(fā)出功率。某元件的電壓和電流參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向,則25
則某部分電路功率P>0,說明U、I實(shí)際方向與參考方向一致,說明電路吸收電功率,為負(fù)載。
所以,從
P的+或-可以區(qū)分器件的性質(zhì),或是電源,或是負(fù)載。在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí),如果假設(shè)U、I
參考方向關(guān)聯(lián)。
當(dāng)某部分電路功率P<0
時(shí),則說明U、I
實(shí)際方向與參考方向相反,此部分電路發(fā)出電功率,為電源。計(jì)算功率時(shí)應(yīng)注意的問題26開關(guān)閉合IER0+U-Rabdc有載開關(guān)斷開開路ab短接短路第二節(jié)電路的基本狀態(tài)271.開關(guān)閉合負(fù)載端電壓U=IR
特征:一、有載狀態(tài)IR0R+
-EU+
-I①
電流的大小由負(fù)載決定。②在電源有內(nèi)阻時(shí),I
U?;騏=E–IR0電源的外特性EUI0當(dāng)
R0<<R時(shí),則U
E,表明當(dāng)電流(負(fù)載)變化時(shí),電源的端電壓變化不大,即帶負(fù)載能力強(qiáng)。282.功率與功率平衡功率平衡方程式:U=E–IR0負(fù)載取用功率電源產(chǎn)生功率內(nèi)阻消耗功率功率的單位:瓦(W),千瓦(KW)293.額定值與實(shí)際值額定值:電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值。電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載):I<IN
,P<PN(不經(jīng)濟(jì))
過載(超載):
I>IN
,P>PN(設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài):I=IN
,P=PN
(經(jīng)濟(jì)合理安全可靠)
①.額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性;②.額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。例:燈泡:UN=220V
,PN=60W
UN、IN、PN30電器使用時(shí)的實(shí)際值不等于額定值的原因:
a.電器受外界影響——如電壓波動(dòng)。
b.負(fù)載變化時(shí),電流、功率通常不一定處于額定工作狀態(tài)。31特征:開關(guān)斷開二、開路狀態(tài)I=0電源端電壓(開路電壓)負(fù)載功率U
=U0=EP
=01.開路處的電流等于零;
I
=02.開路處的電壓U視電路情況而定。電路中某處斷開時(shí)的特征:I+–U有源電路IRoR+
-EU0+
-32電源外部端子被短接三、短路狀態(tài)
特征:電源端電壓負(fù)載功率電源產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻消耗掉短路電流(很大)U
=0
PE=
P=I2R0P
=01.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(shí)的特征:I+–U有源電路IR0R+
-EU0+
-33一、電壓源1.理想電壓源恒壓源第三節(jié)電壓源和電流源3434伏安特性電壓源模型Ro越大斜率越大2.實(shí)際電壓源UIRO+-EIUEIRO若R0<<RL,U
E,可近似認(rèn)為是理想電壓源。351.理想電流源恒流源二、電流源362.實(shí)際電流源ISROabUabIIsUabI外特性
電流源模型RORO越大特性越陡
若R0>>RL,I
IS
,可近似認(rèn)為是理想電流源。37第四節(jié)基爾霍夫定律
基爾霍夫,GustavRobertIrchhoff(1824—1887),德國物理學(xué)家,1845年在一篇論文的附錄中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)稱為基爾霍夫定律的研究成果,當(dāng)時(shí)他是一位年僅21歲的大學(xué)生。后任海德堡大學(xué)物理學(xué)教授。他還與本生共同創(chuàng)立光譜化學(xué)分析法,從而發(fā)現(xiàn)銫和銣兩種元素(1859年)。提出熱輻射中的基爾霍夫輻射定律。
38
用來描述電路中各部分電壓或各部分電流間的關(guān)系,其中包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律兩個(gè)定律。基爾霍夫電流定律應(yīng)用于結(jié)點(diǎn);基爾霍夫電壓定律應(yīng)用于回路。第四節(jié)基爾霍夫定律39
名詞術(shù)語支路:電路中的每一個(gè)分支。一條支路流過一個(gè)電流,稱為支路電流。結(jié)點(diǎn):三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)?;芈罚河芍方M成的閉合路徑。網(wǎng)孔:內(nèi)部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E112340例:支路:ab、bc、ca、…(共6條)回路:abda、abca、adbca…
(共7個(gè))結(jié)點(diǎn):a、b、c、d
(共4個(gè))網(wǎng)孔:abd、abc、bcd(共3個(gè))adbcE–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I41一、基爾霍夫電流定律(KCL定律)1.定律
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。即:
I入=
I出或:I=0I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E1對(duì)結(jié)點(diǎn)a:I1+I2=I3或I1+I2–I3=0在任一瞬時(shí),任一結(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和為零。符號(hào)規(guī)定:如果規(guī)定流入的電流取正號(hào),則流出的電流即取負(fù)號(hào);反之則反之。42基爾霍夫電流定律(KCL)反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。
實(shí)質(zhì):電流連續(xù)性的體現(xiàn)。或:
I=0霍夫電流定律(KCL定律):I1I2I3I4例或:
I入=
I出43
電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。2.推廣I=?例:廣義結(jié)點(diǎn)I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2
+_+_I5
1
1
5
6V12V44二、基爾霍夫電壓定律(KVL定律)1.定律
在任一瞬間,從回路中任一點(diǎn)出發(fā),沿順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向循行一周,則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。U1+U4=U2+U3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。U1-U2-U3+U4=0即
U=0正負(fù)號(hào)規(guī)定:U與循行方向相同取正,反之為負(fù)。45U1-U2-U3+U4=0可改寫為:
E1-E2-R1I1+R2I2=0或:E1-E2=R1I1-R2I2即-E1+E2=-R1I1+R2I2
E=(RI)
在電阻電路中,在任一回路循行方向上,回路中電動(dòng)勢的代數(shù)和等于電阻上電壓降的代數(shù)和?;鶢柣舴蚨傻膬煞N表示形式:形式一:
U=0形式二:
E=(RI)正負(fù)號(hào)規(guī)定:E、U、IR與循行方向相同取正,反之為負(fù)。46基爾霍夫電壓定律的推廣:可應(yīng)用于回路的部分電路ER+-+-UI
U=UA-UB-UAB=0或UAB=UA-UBE=U+I(xiàn)R或U=E-RI得出:求某兩點(diǎn)的電壓UAB,等于從A點(diǎn)出發(fā)沿任一方向路徑走到B點(diǎn)的各段電壓降代數(shù)和,電壓降方向和行走方向一致取正號(hào),反之取負(fù)。471.列方程前先在電路圖上標(biāo)出電流、電壓或電動(dòng)勢的參考方向,標(biāo)注回路循行方向;
電位升=電位降
E2=UBE+I2R2
U=0
I2R2–E2+
UBE
=02.應(yīng)用
U=0列方程時(shí),項(xiàng)前符號(hào)的確定。3.開口電壓可按回路處理
注意:1對(duì)回路1:E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_4.基爾霍夫定律具有普遍性,適用任何元件構(gòu)成的電路。48由基爾霍夫電壓定律可得(1)UAB+UBC+UCD+UDA=0
即UCD=2V(2)UAB+UBC+UCA=0
即
UCA=-1V例:已知下圖為一閉合電路,各支路的元件是任意的,已知UAB=5V,UBC=-4V,UDA=-3V試求:(1)UCD:(2)UCA解:49(1)UCD
=-UBC-UAB-UDA
即UCD=2V(2)UCA=-UBC-UAB
即
UCA=-1V例:已知下圖為一閉合電路,各支路的元件是任意的,已知UAB=5V,UBC=-4V,UDA=-3V試求:(1)UCD:(2)UCA解法二(走路)50第五節(jié)
支路電流法支路電流法:以支路電流為未知量、應(yīng)用基爾霍夫定律(KCL、KVL)列方程組求解。復(fù)雜電路:凡不能用電阻串并聯(lián)化簡的電路。在計(jì)算復(fù)雜電路的各種方法中,支路電流法是最基本的。51
一般地說,若一個(gè)電路有b條支路,n個(gè)節(jié)點(diǎn),可
列n-1個(gè)獨(dú)立的電流方程和b-(n-1)個(gè)電壓方程。五條支路四個(gè)節(jié)點(diǎn)521.在圖中標(biāo)出各支路電流的參考方向,對(duì)選定的回路標(biāo)出回路循行方向。2.應(yīng)用KCL對(duì)結(jié)點(diǎn)列出(n-1)個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程。3.應(yīng)用KVL對(duì)回路列出
b-(n-1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程(通常可取網(wǎng)孔列出)。4.聯(lián)立求解b
個(gè)方程,求出各支路電流。ba+-E2R2+-R3R1E1I1I3I2對(duì)結(jié)點(diǎn)a:例1
:12I1+I2–I3=0對(duì)網(wǎng)孔1:對(duì)網(wǎng)孔2:I1R1+I3R3=E1I2R2+I3R3=E2支路電流法的解題步驟:53(1)應(yīng)用KCL列(n-1)個(gè)結(jié)點(diǎn)電流方程因支路數(shù)b=6,所以要列6個(gè)方程。(2)應(yīng)用KVL選網(wǎng)孔列回路電壓方程(3)聯(lián)立解出IG支路電流法是電路分析中最基本的方法之一,但當(dāng)支路數(shù)較多時(shí),所需方程的個(gè)數(shù)較多,求解不方便。例:adbcE–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I對(duì)結(jié)點(diǎn)a:I1–I2–IG=0對(duì)網(wǎng)孔abda:IG
RG–I3R3+I1R1=0對(duì)結(jié)點(diǎn)b:I3–I4+IG=0對(duì)結(jié)點(diǎn)c:I2+I4–I
=0對(duì)網(wǎng)孔acba:I2R2–
I4R4–IGRG=0對(duì)網(wǎng)孔bcdb:I4R4+I3R3=E試求檢流計(jì)中的電流IG。RG54支路電流法小結(jié)解題步驟結(jié)論與引申12對(duì)每一支路假設(shè)一未知電流1.假設(shè)未知數(shù)時(shí),正方向可任意選擇。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有1.未知數(shù)=B,4解聯(lián)立方程組對(duì)每個(gè)回路有U0=S#1#2#3根據(jù)未知數(shù)的正負(fù)決定電流的實(shí)際方向。3列電流方程:列電壓方程:2.原則上,有B個(gè)支路就設(shè)B個(gè)未知數(shù)。
(恒流源支路除外)例外?若電路有N個(gè)節(jié)點(diǎn),則可以列出?個(gè)獨(dú)立方程。(N-1)I1I2I32.獨(dú)立回路的選擇:已有(N-1)個(gè)節(jié)點(diǎn)方程,需補(bǔ)足B
-(N
-1)個(gè)方程。
一般按網(wǎng)孔選擇55支路電流法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):支路電流法是電路分析中最基本的方法之一。只要根據(jù)基爾霍夫定律、歐姆定律列方程,就能得出結(jié)果。缺點(diǎn):電路中支路數(shù)多時(shí),所需方程的個(gè)數(shù)較多,求解不方便。下面我們將介紹結(jié)點(diǎn)電壓法。56
在多個(gè)電源同時(shí)作用的線性電路中,任何支路的電流或任意兩點(diǎn)間的電壓,都是各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)所得結(jié)果的代數(shù)和。概念:第六節(jié)疊加原理57+BI2R1I1U1R2AU2I3R3+_+_原電路I2''R1I1''R2ABU2I3''R3+_U2單獨(dú)作用+_AU1BI2'R1I1'R2I3'R3U1單獨(dú)作用疊加原理“恒壓源不起作用”或“令其等于0”,即是將此恒壓源去掉,代之以導(dǎo)線連接。58用疊加原理解題步驟:(1)分解電路,并標(biāo)明各電路參數(shù)參考方向。(3)疊加。(2)求解各分電路。59例:用疊加原理求I2BI2R1I1U1R2AU2I3R3+_+_I2''2
6
AB7.2V3
+_+_A12VBI2'2
6
3
已知:U1=12V,U2=7.2V,R1=2
,R2=6,R3=3
解:I2′=I2"=I2=I2′+I2
=根據(jù)疊加原理,I2=I2′+I2
1A–1A0A60應(yīng)用疊加定理要注意的問題1.疊加定理只適用于線性電路(電路參數(shù)不隨電壓、電流的變化而改變)。2.疊加時(shí)只將電源分別考慮,電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變。暫時(shí)不予考慮的恒壓源應(yīng)予以短路,即令U=0;
暫時(shí)不予考慮的恒流源應(yīng)予以開路,即令I(lǐng)s=0。3.解題時(shí)要標(biāo)明各支路電流、電壓的正方向。原電路中各電壓、電流的最后結(jié)果是各分電壓、分電流的代數(shù)和。=+614.迭加原理只能用于電壓或電流的計(jì)算,不能用來求功率,即功率不能疊加。如:設(shè):則:I3R35.運(yùn)用迭加定理時(shí)也可以把電源分組求解,每個(gè)分電路的電源個(gè)數(shù)可能不止一個(gè)。=+62例題:圖示電路中已知US=10V,IS=2A,R1=4Ω,R2=1Ω,R3=5Ω,R4=3Ω,試用疊加原理求通過理想電壓源的電流I5和理想電流源兩端的電壓U6。US+_ISR1R2R3R4I1I2I4I3I5U6+_解:理想電壓源單獨(dú)作用時(shí)US+_R1R2R3R4I’2I’4I’5U’6+_63例題:圖示電路中已知US=10V,IS=2A,R1=4Ω,R2=1Ω,R3=5Ω,R4=3Ω,試用疊加原理求通過理想電壓源的電流I5和理想電流源兩端的電壓U6。US+_ISR1R2R3R4I1I2I4I3I5U6+_解:理想電流源單獨(dú)作用時(shí)ISR1R2R3R4I’’2I’’4I’’5U’’6+_64例題:圖示電路中已知US=10V,IS=2A,R1=4Ω,R2=1Ω,R3=5Ω,R4=3Ω,試用疊加原理求通過理想電壓源的電流I5和理想電流源兩端的電壓U6。US+_ISR1R2R3R4I1I2I4I3I5U6+_解:二源共同作用時(shí)US+_R1R2R3R4I’2I’4I’5U’6+_I’5=3.25AU’6=-1.75VISR1R2R3R4I’’2I’’4I’’5U’’6+_I’’5=0.35AU’’6=5.35V65第七節(jié)戴維寧定理計(jì)算復(fù)雜電路中的某一支路時(shí),為使計(jì)算簡便些,常常應(yīng)用等效電源的方法。66二端網(wǎng)絡(luò)的概念:××有源二端網(wǎng)絡(luò)二端網(wǎng)絡(luò),就是具有兩個(gè)出線端的部分電路。無源二端網(wǎng)絡(luò):二端網(wǎng)絡(luò)中沒有電源。有源二端網(wǎng)絡(luò):二端網(wǎng)絡(luò)中含有電源。67abRab無源二端網(wǎng)絡(luò)+_ER0ab
電壓源(戴維寧定理)
電流源(諾頓定理)ab有源二端網(wǎng)絡(luò)abISR0無源二端網(wǎng)絡(luò)可化簡為一個(gè)電阻有源二端網(wǎng)絡(luò)可化簡為一個(gè)電源68
戴維寧定理:任何一個(gè)有源二端線性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個(gè)電動(dòng)勢為E的理想電壓源和內(nèi)阻R0串聯(lián)的電源來等效代替。有源二端網(wǎng)絡(luò)RLab+U–IER0+_RLab+U–I等效電源注意:“等效”是指對(duì)外電路RL等效。69等效電源的內(nèi)阻R0等于有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有電源均除去(理想電壓源短路,理想電流源開路)后所得到的無源二端網(wǎng)絡(luò)a、b兩端之間的等效電阻。等效電源的電動(dòng)勢E
就是有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓U0;有源二端網(wǎng)絡(luò)R有源二端網(wǎng)絡(luò)AB相應(yīng)的無源二端網(wǎng)絡(luò)ABABER0+_RAB70例:電路如圖,已知E1=40V,E2
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