电工基础教案

第一章电路的基本概念和基本定律§1-1电路和电路模型学习目标：掌握电路的作用和构成及电路模型的概念。1-1手电筒电路一、电路：电流通过的路径称为电路。实际电路通常由各种电路实体部件（如电源、电阻器、电感线圈、电容器、变压器、仪表、二极管、三极管等）组成。每一种电路实体部件具有各自不同的电磁特性和功能，按照人们的需要，把相关电路实体部件按一定方式进行组合，就构成了一个个电路。电路的基本组成部分都由电源、负载、连接导线和辅助设备组成。1.电源：把其他形式的能转换成电能的装置及向电路提供能量的设备，如干电池、蓄电池、发电机等。2.负载：把电能转换成为其它能的装置也就是用电器即各种用电设备，如电灯、电动机、电热器等。3.导线：把电源和负载连接成闭合回路，常用的是铜导线和铝导线。4.辅助设备：用来控制电路的通断、保护电路的安全，使电路能够正常工作，如开关，熔断器、继电器等。二、电路的作用1.实现电能的传输和转换。2.实现信号的处理。三、实际电路元件和理想电路元件1.实际电路元件构成电路的设备和器件，称为实际电路元件，其中提供电能的设备称为电源，如各种电池、发电机、信号发生器等；吸收电能的设备称为负载，如各种电阻器、电感线圈、电容器、晶体管等。人们设计制作某种器件是要利用它的主要物理性质，如制造一个电阻器是要利用它的电阻，即对电流呈现阻力的性质。但事实上，不可能制造出理想的器件。一个实际的电阻器有电流流过时，还会产生磁场，因而还兼有电感的性质，因此，必须在一定条件下对实际器件进行理想化，忽略它的次要性质，用一个足以表征其主要性质的模型来表示。如图1-1中灯泡的电感是极其微小的，可把它看作一个理想电阻元件；一个新的干电池，其内阻与灯泡电阻相比可以忽略不计，把它看成一个电压恒定的理想电压源；连接导线短的情况下，它的电阻完全可以忽略不计，可作为理想导体。于是，理想电阻元件就构成了灯泡模型，理想电压源就构成了干电池的模型，而理想导体就构成了连接导线的模型。2.理想电路元件只显示单一电磁现象的电路元件，称为理想电路元件。包括：①理想电源元件，包括独立电压源与电流源。②理想负载元件，包括电阻器、电容器以及电感器。③理想耦合元件，包括耦合电感器、理想变压器等。四、电路模型用理想电路元件构成的模型模拟实际电路，使得模型中出现的电磁现象与实际电路中反映出来的现象十分近似的过程称为建模，组成的电路称为电路模型，又因为理想电路元件都有精确的数学定义，所以，电路模型也可叫做数学模型。例如，图1-1所示手电筒电路及它的电路模型。IS＋US－CLR图1.1无源和有源的理想电路元件的电路模型(a)电阻元件(b)电感元件(c)电容元件(d)理想电压源(e)理想电流源小结：1.电路：电流通过的路径称为电路。2.电路的组成：电源、负载、连接导线和辅助设备3.电路图：用统一规定的设备和元件的图形符号画出的电路模型称为电路。（a）手电筒电路（b）电路模型电池小灯泡开关导线＋US－SR图1.2手电筒电路及其电路模型R0§1-2电路的基本物理量学习目标：熟悉电流、电压、电功率等电路物理量的概念，掌握其国际单位制，深刻领会参考方向的问题。一、问题的提出：前面我们讲了电路的结构和作用，当电路工作时如何对电路进行分析，采用什么物理量来表示，本节将讲解电路的基本物理量。二、电流及其参考方向：1．电流:单位时间内通过导体横截面的电量。在稳恒直流电路中，电流的大小和方向不随时间变化；tQI在交流电路中，电流的大小和电荷移动的方向按正弦规律变化。I=△q/△t2.电流单位：安培(A)，1A＝10³mA＝106μA，1kA＝10³A3.电流方向：规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。4.电流的参考方向：人为任意假设的电流的实际方向。在连接导线上用箭头表示，或用双下标表示。当电流的实际方向与参考方向相符时，此电流为正值；相反时，为负值。(a)(b)(c)(d)i参考方向实际方向iababi参考方向实际方向ibaba三、电压及其参考方向1.定义：电场力把单位正电荷从电场中a点移到b点所做的功，称其为a点到b点间的电压。用Uab表示。QWUaabb2.电压单位：伏特（V），1V＝10³mV＝106μV，1kV＝10³V3.电压方向：规定把电位降低的方向作为电压的实际方向。4.电压的参考方向:人为任意假设的电压的实际方向。四、关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向取为一致。若不一致则称为非关联参考方向五、电动势1.电源力：在电源内部，由于其他形式能量的作用产生一种对电荷的作用力。2.电动势：电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功，用E表示。电动势与电压有相同的单位。3.电动势的方向：由电源的负极指向正极。4.电动势与电压的关系：按照定义，电动势E及其端纽间的电压U的参考方向选择的相同，则E=-U;如选择的相反，则E=U.六、电功和电功率QWE1.电功电流能使电动机转动，电炉发热，电灯发光，说明电流具有做功的本领。电流做的功称为电功。W=UQ电功单位：焦耳(J)，常用单位为度，１度＝１千瓦×１小时2.电功率单位时间内电流做的功称为电功率。电功率用P表示，即UItUQtWP关联参考方向：P=UI非关联参考方向：P=-UI功率单位：瓦特(W)3.功率方向：P〉0元件吸收功率，处于负载状态，P〈0元件发出功率，处于电源状态，4．电能：一段时间内电流所做的功。用W表示W=Pt=UIt单位：焦耳（J）或度1度=1KW·h=3.6×106J小结：1．电流：带电离子的定向运动。方向：正电荷运动的方向单位：安培(A)2.电压：电场力把单位正电荷从电场中a点移到b点所做的功方向：电位降低的方向单位：伏特（V）3.关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向取为一致4.电动势：电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功5.电功率：关联参考方向：P=UI非关联参考方向：P=-UIP〉0元件吸收功率，P〈0元件发出功率§1-3电路元件学习目标：掌握电阻元件特性，熟悉理想电压源和理想电流源的外特性；熟悉和掌握实际电源的两种电路模型——电压源模型和电流源模型的概念，能够区别两种理想电源和和实际电源模型之间的不同之处。一．电阻元件：（1）定义：阻碍导体中自由电子运动的物理量，表征消耗电能转换成其它形式能量的物理特征。U=RI（2）电阻单位：欧姆（Ω），1MΩ＝103KW=106Ω。（3）电阻的分类：根据其特性曲线分为线形电阻和非线形电阻。①线性电阻的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线。R=常数；②非线性电阻的伏安特性曲线是一条曲线。如下图（4）电导：表示元件的导电能力，是电阻的倒数，用G表示，单位为西门子（S）。G=1/R二．独立电源把其它形式的能转换成电能的装置称为有源元件，可以采用两种模型表示，即电压源模型和电流源模型。（一）理想电压源（电压源）UI0UI0实际电路设备中所用的电源，多数是需要输出较为稳定的电压，即设备对电源电压的要求是：当负载电流改变时，电源所输出的电压值尽量保持或接近不变。但实际电源总是存在内阻的，因此当负载增大时，电源的端电压总会有所下降。为了使设备能够稳定运行，工程应用中，我们希望电源的内阻越小越好，当电源内阻等于零时，就成为理想电压源。1.特点：（1）电压源的端电压US是恒定值，与流过它的电流无关，（2）通过电压源的电流是任意的，取决于其相连接的外电路有关。（3）理想电压源视为零值时，它相当于短路2.特性曲线（二）理想电流源（电流源）实际电路设备中所用的电源，并不是在所有情况下都要求电源的内阻越小越好。在某些特殊场合下，有时要求电源具有很大的内阻，因为高内阻的电源能够有一个比较稳定的电流输出。1.特点：⑴电流源的电流IS是恒定值，与其两端的电压无关，⑵电流源的端电压由与之相连接的外电路决定。⑶理想电流源视为零值时，相当于开路2.特性曲线：三、实际电源模型实际电源既不同于理想电压源，又不同于理想电流源。即上面所讲的理想电压源和理想电流源在实际当中是不存在的。实际电源的性能只是在一定的范围内与理想电源相接近。（一）实际电压源模型实际电源总是存在内阻的。当实际电源的电压值变化不大时，一般用一个理想电压源与一个电阻元件的串联组合作为其电路模型，U=E–IR0（二）实际电流源模型当实际电源供出的电流值变化不大时，常用一个理想电流源与一个电阻元件的并联组合作为它的电路模型，RoUIsIRoUIoIIoIs（三）两种电源模型的等效变换“等效”就是指作用效果相同。一台拖拉机带一辆拖车，使其速度为10m/s；五匹马拉相同的一辆拖车，速度也是10m/s，我们就说，拖拉机和五匹马对这辆拖车的作用是“等效”的，但拖拉机决不意味就是五匹马。即“等效”仅仅指对等效部分之外的事物作用效果相同，对其内部特性是不同的。一个实际的电源既可以用与内阻相串联的电压源作为它的电路模型，也可以用一个与内阻相并联的电流源作为它的电路模型。因此，这两种实际电源的电路模型，在一定条件下也是可以等效互换的。提出问题：将一个与内阻相并的电流源模型等效为一个与内阻相串的电压源模型，或是将一个与内阻相串的电压源模型等效为一个与内阻相并的电流源模型，等效互换的条件是什么？图a图b图a电源端口的伏安关系图b电源端口的伏安关系RoURoEIIRoEUoRUIsI比较以上两式，如果满足等效条件，等式右端的两项必须对应相等oRRoRoEIs或oRRoIsRoE注意事项：（1）转换前后E与Is的方向，Is应该从电压源的正极流出。（2）进行电路计算时，理想电压源串电阻和理想电电流源并电阻两者之间均可等效变换，Ro不一定是电源内阻。（3）理想电压源和理想电流源不能等效互换。（4）理想电压源和理想电流源并联，理想电流源不起作用，对外电路提供的电压不变。理想电压源和理想电流源串联，理想电压源不起作用，对外电路提供的电流不变。（5）与理想电压源并联的电阻不影响理想电压源的电压，电阻可除去，不影响其它电路的计算结果；与理想电流源串联的电阻不影响理想电流源的电流，电阻可除去，不影响其它电路的计算结果；但在计算功率时电阻的功率必须考虑。（6）等效转换只适用于外电路，对内电路不等效。小结：1.实际电源具有两种电路模型：一是由电阻元件与理想电压源相串联构成的电压源模型，二是由电阻元件与理想电流源相并联构成的电流源模型。理想电压源视为零值时，它相当于短路，理想电流源视为零值时，相当于开路；而实际的电压源不允许短路，实际的电流源也是不允许开路的。2.两种电源模型的等效变换条件：oRRoRoEIs或oRRoIsRoE§1-4基尔霍夫定律学习目标：理解基尔霍夫定律只取决于电路的联接方式，与其接入电路的方式无关这一特点，明确基尔霍夫定律是各种电路都必须遵循的普遍规律；理解基尔霍夫定律的内容，牢固掌握基尔霍夫定律的内容及初步学会基尔霍夫定律的简单应用。一、电路的几个名词（1）支路:电路中流过同一电流的一个分支称为一条支路。（2）节点:三条或三条以上支路的联接点称为节点。(3)回路:由若干支路组成的闭合路径,其中每个节点只经过一次,这条闭合路径称为回路。(4)网孔:网孔是回路的一种。将电路画在平面上,在回路内部不另含有支路的回路称为网孔。（5）支路电流和支路电压：电路中的各条支路中的电流和支路的端电压。如图所示：支路有6条，节点有a、b、c、d4个，回路有8个，网孔有3个。二、基尔霍夫电流定律：又叫节点电流定律，简称KCL1．定义：电路中任意一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和，等于流出节点的电流之和。或：在任一电路的任一节点上，电流的代数和永远等于零。基尔霍夫电流定律依据的是电流的连续性原理。2．公式表达：入出ii或nkki10规定：流入节点电流为正，流出节点电流为负。KCLA054231IIIII3．广义节点：基尔霍夫电流定律可以推广应用于任意假定的封闭面。对虚线所包围的闭合面可视为一个节点，该节点称为广义节点。即流进封闭面的电流等于流出封闭面的电流。如图所示0321III三、基尔霍