1、,電工學(xué),郭四海 E-mail: 聯(lián)系電話秦曾煌 主編電工學(xué)上下冊， 劉明 主編新編電工學(xué)(電工技術(shù))題解 Principles and ApplicationsOf ElectricalEngineering Giorgio,Rizzoni.,參考書目,上篇 電工技術(shù),電路理論 直流電路 交流電路 暫態(tài)電路 磁路理論 磁路 變壓器 電磁鐵 電機(jī)原理與控制 異步電動(dòng)機(jī)的原理、 特性、 使用及控制 安全用電及工業(yè)測量,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

2、路與短路,1.6 基爾霍夫定律,1.7 電路中電位的概念及計(jì)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(yīng)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(jì)算電路中各點(diǎn)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(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換,(2)實(shí)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(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。,2. 電路的組成部分,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)：傳遞、分 配和控制電能的作用,直流電源:

3、 提供能源,信號處理： 放大、調(diào)諧、檢波等,負(fù)載,信號源: 提供信息,2.電路的組成部分,電源或信號源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。,3.電路的結(jié)構(gòu),電路=電源+中間環(huán)節(jié)+負(fù)載 電力系統(tǒng)： (發(fā)電機(jī))+(變壓器、輸電線)+(電爐、電動(dòng)機(jī)) 擴(kuò)音機(jī)：(話筒) + (放大器) + (揚(yáng)聲器) 結(jié)構(gòu)模型：激勵(lì)響應(yīng),即尋找xo = f (xi) 的關(guān)系,1. 2 電路模型,實(shí)際電路都是根據(jù)人們的需要將實(shí)際的電路元件或器件搭接起來，以完成人們的預(yù)想要求。如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電阻器及電容器等但是，實(shí)際元器件的電磁特性十分復(fù)雜。 為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路,一

4、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)際電路相對應(yīng)的電路模型。 由理想電路元件組成的電路就是電路的電路模型。,1. 2 電路模型,手電筒的實(shí)際電路,例：手電筒,手電筒由電池、燈 泡、開關(guān)和筒體組成。,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等。,手電筒的電路模型,電池,導(dǎo)線,燈泡,開關(guān),電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢 E 和內(nèi)阻Ro；,燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，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(jì)，認(rèn)為是無電阻的理想導(dǎo)體。,開關(guān)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

5、。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,電流 概念:電荷有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng) 大小:單位時(shí)間通過導(dǎo)體橫截面 的電荷量 方向:正電荷移動(dòng)的方向 單位:安培(A) 毫安(mA) 微安(A),i =dq / dt I = q / t (直流),電流的正方向,習(xí)慣上規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向(或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向)為電流的正方向。電流的正方是客觀存在！,在分析問題前，有時(shí)無法預(yù)知電流的實(shí)際方向；而交流電路的電流方向又時(shí)刻發(fā)生變化，也無法指定其電流方向。,在分析電路時(shí)，一般先選定某一方向作為電流的正方向稱為參考方向,當(dāng)所選電流正方向與實(shí)際電流正方向一致時(shí)，所得電流的數(shù)值

6、為正，反之為負(fù)。,(2) 參考方向的表示方法,電流：,電壓：,(1) 參考方向,在分析與計(jì)算電路時(shí)，對電量任意假定的方向。,電路基本物理量的參考方向,實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值； 實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。,實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系,注意： 在參考方向選定后，電流 ( 或電壓 ) 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 。,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 。,電壓,概念：電荷在導(dǎo)體中作定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定要受到力的作

7、用。如果這個(gè)力源是電場，則電荷運(yùn)動(dòng)就要消耗電場能量，或者說電場力對電荷作了功。為衡量電場力對電荷作功的能力，引入一新的物理量電壓 大?。篴、b兩點(diǎn)間電壓 Uab 在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所作的功。也就是單位正電荷在移動(dòng)過程中所失去的電能。,電壓,方向：正電荷在電場的作用下，從高電位向低電位移動(dòng)。規(guī)定這時(shí)正電荷的的移動(dòng)方向?yàn)殡妷旱恼较颉?在分析電路之前，可以任意選擇某一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较颉．?dāng)實(shí)際電壓方向與參考方向一致時(shí)，電壓值為正，反之為負(fù)。 單位：伏特(V) 千伏(kV) 毫伏(mV),如圖為 關(guān)聯(lián)方向 定義的 電壓和電流,電壓,關(guān)聯(lián)方向 當(dāng)a、b兩點(diǎn)間所選擇的電壓參考

8、方向由a指向b時(shí)，也選擇電流的參考方向經(jīng)電路由由a指向b，這種參考方向的定義方式成為關(guān)聯(lián)方向。,電動(dòng)勢,正電荷從高電位a向低電位b移動(dòng)，a端的正電荷逐漸減少會使其電位逐漸降低。 為維持導(dǎo)體中的電流能夠連續(xù)不斷地流過，且應(yīng)使得導(dǎo)體a、b兩端的電壓不致喪失，就要將b端的正電荷移至a端。但電場力的作用方向恰好與此相反，因此就必須要有另一種力去克服電場力而使b端的正電荷移至a端。電源中必須具有這種力電源力(非靜電力)。,大小：電源電動(dòng)勢Eab的數(shù)值等于電源力把單位正電荷從電源的低電位b端經(jīng)電源內(nèi)部移到電源高電位b端所作的功，也就是單位正電荷從電源低電位端移到高電位端多獲得得能量。 方向：電動(dòng)勢的實(shí)際方

9、向是由電源低電位端指向電源高電位端。在分析問題時(shí)可設(shè)參考方向。 單位：電動(dòng)勢與電壓的單位相同。為伏特(V) 標(biāo)量性：電動(dòng)勢與電壓和電流都是標(biāo)量。,電動(dòng)勢,例題,U=2.8V,I=0.28A,如圖所示,E=3V,電動(dòng)勢為E=3V 方向由負(fù)極指向正極,電壓為U=2.8V 由指向 電流為I=0.28A 由流向 其參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)方向。,電動(dòng)勢,1.4 歐姆定律,U、I 參考方向相同時(shí)，,U、I 參考方向相反時(shí)，,表達(dá)式中有兩套正負(fù)號： 式前的正負(fù)號由U、I 參考方向的關(guān)系確定；, U、I 值本身的正負(fù)則說明實(shí)際方向與參考 方向之間的關(guān)系。,通常取 U、I 參考方向相同。,U = I R,U = IR,

10、解：對圖(a)有, U = IR,例：應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。,對圖(b)有, U = IR,應(yīng)用歐姆定律對如下各圖列出表達(dá)式，并求出電阻值。,例,對于(a)圖,對于(b)圖,對于(c)圖,對于(d)圖,例,計(jì)算圖中電阻R的值，已知Uab=-12V,解：a點(diǎn)電位比b點(diǎn)電位低12V n點(diǎn)電位比b點(diǎn)電位低7V m點(diǎn)電位比b點(diǎn)電位高3V 于是： n點(diǎn)電位比m 點(diǎn)電位低7+3=10V 即 Unm =-10V,電路端電壓與電流的關(guān)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(diǎn)的直線。,1.5

11、電源有載工作、開路與短路,最簡單的電路為直流電路，本節(jié)討論電路的工作狀態(tài)、開路狀態(tài)和短路狀態(tài)，所討論的內(nèi)容有電流、電壓及功率等方面的特性。,本節(jié)討論問題的理論依據(jù)是歐姆定律,如圖電路：,E 為電源的電動(dòng)勢,U 為電源的端電壓,R0 為電源的內(nèi)阻,R 為電路負(fù)載電阻,1.5 電源有載工作、開路與短路,開關(guān)閉合,接通電源 與負(fù)載,負(fù)載端電壓,U = IR,特征:,1.5.1 電源有載工作, 電流的大小由負(fù)載決定。, 在電源有內(nèi)阻時(shí)，R0 U 。,或 U = E IR0,當(dāng) R0R 時(shí)，則U E ，表明當(dāng)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)。,開關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。,負(fù)載端電壓,U

12、= IR,特征:,1.5.1 電源有載工作, 電流的大小由負(fù)載決定。, 在電源有內(nèi)阻時(shí)， R0 U 。,或 U = E IRo,UI = EI IRo,P = PE P,負(fù)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(fù)載決定。,負(fù)載大小的概念: 負(fù)載增加指負(fù)載取用的 電流和功率增加(電壓一定)。,電源與負(fù)載的判別,U、I 參考方向不同，P = UI 0，電源； P = UI 0，負(fù)載。,U、I 參考方向相同，P =UI 0，負(fù)載； P = UI 0，電源。,1. 根據(jù) U、I 的實(shí)際方向判別,2. 根據(jù) U、I 的參考方向判別,電源： U、I 實(shí)際方向相反，即電流從“

13、+”端流出， （發(fā)出功率）；,負(fù)載： U、I 實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。 （吸收功率）。,例題,R01,E1,U,I,已知:電路中，U=220V，I=5A，內(nèi)阻R01= R02= 0.6。 求:(1)電源的電動(dòng)勢E1和負(fù)載的反電動(dòng)勢E2 ； (2)說明功率的平衡關(guān)系。,R02,E2,R01,E1,U,I,解：(1) 對于電源 U=E1-U1= E1-IR01 即 E1 =U +IR01 =220+50.6=223V U=E2+U2= E2+IR02 即 E2 =U -IR01 =220-50.6=217V,R02,E2,例題,(2)由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02 等號兩

14、邊同時(shí)乘以 I，則得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02 代入數(shù)據(jù)有 223 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,其中E1I是電源產(chǎn)生的功率；E2I是負(fù)載取用的功率；I2R01是電源內(nèi)阻上損耗的功率；I2R02是反電動(dòng)勢電源(負(fù)載)內(nèi)阻上損耗的功率。 可見電路具有功率平衡特性。,例題,電氣設(shè)備的額定值,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

15、安全可靠),【思考與練習(xí)】,額定值為1W、100的碳膜電阻，在使用時(shí)電流和電壓不得超過多大值？,答：由功率P與電阻R的關(guān)系公式 P = I2 R 或 P= U2/R,有一臺直流發(fā)電機(jī)，其名牌上標(biāo)有40kW、230V、174A。試問：什么是發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行、輕載運(yùn)行、滿載運(yùn)行和過載運(yùn)行？負(fù)載的大小，一般指什么而言？,答：空載運(yùn)行 指發(fā)電機(jī)對外開路，無功率輸出； 輕載運(yùn)行 指發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載取用功率小于或遠(yuǎn)小于額定功率的40kW，或輸出電流小于或遠(yuǎn)小于174A； 滿載運(yùn)行 發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載取用功率基本與發(fā)電機(jī)額定功率(40kW)相當(dāng)； 過載運(yùn)行 負(fù)載從發(fā)電機(jī)取用的功率大于發(fā)電機(jī)的額定功率，這種情況對發(fā)

16、電機(jī)的運(yùn)行有較大危害。,負(fù)載的大小 一般指負(fù)載從電源取用功率的大小。 顯然，此時(shí)R愈小負(fù)載愈大，反之亦然。,【思考與練習(xí)】,特征:,開關(guān) 斷開,1.5.2 電源開路,I = 0,電源端電壓 ( 開路電壓 ),負(fù)載功率,U = U0 = E,P = 0,1. 開路處的電流等于零； I = 0 2. 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:,電源外部端子被短接,1.5.3 電源短路,1. 短路處的電壓等于零； U = 0 2. 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:,1. 6 基爾霍夫定律,根據(jù)歐姆定律分析電路，已是中學(xué)物理中常用的分析方法，但對某些電路有

17、時(shí)是無能為力的，,基爾霍夫定律分為兩個(gè)部分，即： 1.基爾霍夫電流定律(KCL) 應(yīng)用于節(jié)點(diǎn) 2.基爾霍夫電壓定律(KVL) 應(yīng)用于回路,為此本節(jié)討論基爾霍夫定律，它亦是分析與計(jì)算電路的基本方法。,1. 6 基爾霍夫定律,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)。,回路：由支路組成的閉合路徑。,網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路。,名詞、概念,1. 支路：電路中的每一個(gè)分支，稱為支路。它是由若干個(gè)二端元件串聯(lián)而成。,2. 節(jié)點(diǎn)：電路中三條或三條以上的支路相聯(lián)結(jié)的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。,a,b,c,d,一條支路中各部分都流過一個(gè)相同的電流，稱為支路電流。,如

18、圖中的ab、,acb,及adb共3條支路。,如圖中的I1、,I2,及I3共3個(gè)電流。,圖中共有a、,b兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。,回路：是由一條或多條支路所組成的閉合電路。,網(wǎng)孔：網(wǎng)孔是回路，但認(rèn)定的網(wǎng)孔一定要比其他網(wǎng)孔包含有新的支路。,如圖電路: adbca、abca 和 abda 共三個(gè)回路。,a,b,c,d,如圖電路: 當(dāng)認(rèn)定adbca和abca 是網(wǎng)孔時(shí)， abda 就不能認(rèn)為是網(wǎng)孔，它所包含的支路都已被前兩個(gè)網(wǎng)孔所包含。,名詞、概念(2),a,c,d,當(dāng)然，當(dāng)認(rèn)定adba和abca 是網(wǎng)孔時(shí)， acbda 就不是網(wǎng)孔，因其支路都已被前兩個(gè)網(wǎng)孔所包含。,同樣，當(dāng)認(rèn)定acbda 和 adba 是網(wǎng)孔時(shí)，

19、abca 就不再認(rèn)定是網(wǎng)孔，其支路也已被前兩個(gè)網(wǎng)孔所包含。,因此，不能認(rèn)為所有的回路都是網(wǎng)孔。,b,名詞、概念(3),例1：,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)）,1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL定律),1定律,即: 入= 出,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。, 實(shí)質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,或: = 0,對結(jié)點(diǎn) a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,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)

20、系。,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 = 0,IA + IB + IC = 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。,1.6.2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律),1定律,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+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

21、壓間相互制約的關(guān)系。,如電路中dabd回路，沿逆時(shí)針繞行方向da段電阻上為電壓降 Uda=I2R2 ab段電阻上亦為電壓降 Uab=I3R3 而bd段電源部分為電壓升， 即 Ubd=E2 由KVL可得： E2 =I2R2 +I3R3,a,c,d,b,c,R1,R2,R3,E2,a,c,d,b,c,R1,R2,R3,E2,E1,ac段(+ I1 R1), cb段(- E1), bd段(+ E2), da段(- I2 R2),表達(dá)式為:Va= Va+I1R1-E1+ +E2-I2R2,即 ( E Ii Ri),應(yīng)用上式的方法之一為數(shù)電壓法：從回路中任一 點(diǎn) a 數(shù)起，沿回路繞行一周再數(shù)回到a點(diǎn)，電

22、位值不變(如adbca回路). 還可以敘述為：沿任一回路繞行一周，回路各段的電壓降代數(shù)和恒為零。,公式為:末點(diǎn)電位=起點(diǎn)電位+數(shù)電壓一周 (上升+,下降-),應(yīng)用基爾霍夫定律時(shí)，要認(rèn)清研究對象，對電路中的各個(gè)電流和各段電壓及各電源的電動(dòng)勢選好參考方向。,對于KCL的應(yīng)用，要選好節(jié)點(diǎn)，對與該節(jié)點(diǎn)有關(guān)的電流列出方程有方向和數(shù)值兩套符號。,I3,I1,對于節(jié)點(diǎn)A，設(shè)流入為正，流出為負(fù)，則 (I1)(-I2)(I3)(-I4)=0,即： I1I2I3I4=0,注意：,應(yīng)用基爾霍夫定律時(shí)，要認(rèn)清研究對象，對電路中的各個(gè)電流和各段電壓及各電源的電動(dòng)勢選好參考方向。,對于KVL的應(yīng)用，要選好回路，從回路的任

23、一點(diǎn)起沿回路繞行一周列出電壓方程同樣有方向和數(shù)值兩套符號。,設(shè)如圖回路，選順時(shí)針為繞行方向，電壓上升為正，電壓下降負(fù)，則 -(U1)(U2)+(-U3)-(-I4 R4)=0,U1,U2,注意：,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：,例：,對網(wǎng)孔abda：,對網(wǎng)孔acba：,對網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,對回路 adbca，沿逆時(shí)針方向循行：, I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0,應(yīng)用 U = 0列方程,對回路 cadc，沿逆時(shí)針方向循行：, I2 R2 I1 R1 + E = 0,1.7 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