电工学教案.

《电工学（唐介）》教案孙艳机械与电子工程系目录课题：第1章直流电路.....................................................................................................................1课题：第2章电路的瞬态分析.........................................................................................................4课题：第3章交流电路.....................................................................................................................7课题：第4章供电与用电.................................................................................................................10课题：第5章变压器.......................................................................................................................13课题：第6章电动机.......................................................................................................................16课题：第7章电气自动控制...........................................................................................................191课题：第1章直流电路教学目的：1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.掌握支路电流法、叠加原理和戴维宁定理等电路的基本分析方法；4.了解实际电源的两种模型及其等效变换；5.了解非线性电阻元件的伏安特性。重难点：1.正确应用电路的基本定律；2.支路电流法、叠加原理和戴维宁定理；3.实际电源的两种模型及其等效变换。教学方法：讲授法学时：4学时。教学过程：1.1电路的作用和组成一、什么是电路？电路就是电流流通的路径；是由某些元器件为完成一定功能、按一定方式组合后的总称。二、电路的作用一是实现能量的输送和转换；二是实现信号的传递和处理。三、电路的组成电源：将非电形态的能量转换为电能。负载：将电能转换为非电形态的能量。导线等：起沟通电路和输送电能的作用。从电源来看，电源本身的电流通路为内电路，电源以外的电流通路称为外电路。当电路中的电流是不随时间变化的直流电流时，这种电路称为直流电路。当电路中的电流是随时间按正弦规律变化的交流电流时，这种电路称为交流电路。1.2电路的基本物理量1.电流：dAdqit直流电路中：QIt电流的实际方向：规定为正电荷运动的方向。2.电位：电场力将单位正电荷从电路的某一点移至参考点时所消耗的电能。参考点的电位为零。直流电路中电位用V表示，单位为伏特（V）。参考点的选择：①选大地为参考点。②选元件汇集的公共端或公共线为参考点。3.电压：电场力将单位正电荷从电路的某一点移至另一点时所消耗的电能。电压就是电位差。直流电路中电压用U表示，单位为伏特（V）。US是电源两端的电压，UL是负载两端的电压。4.电动势：电源中的局外力（非电场力）将单位正电荷从电源负极移至电源正极时所转换而来的电能称为电源的电动势。符号：E或e，单位：V。电动势的实际方向：由低电位指向高电位。25.电功率：定义：单位时间内所转换的电能。符号：P（直流电路）。单位：W（瓦特）。6.电能：定义：在时间t内转换的电功率称为电能：WPt。符号：W（直流电路）。单位：J（焦耳）。1.3电路的状态一、通路：当电源与负载接通，电路中有了电流及能量的输送和转换。电路的这一状态称为通路。通路时，电源向负载输出电功率，电源这时的状态称为有载或称电源处于负载状态。各种电气设备在工作时，其电压、电流和功率都有一定的限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力的，称为电气设备的额定值。二、开路：当某一部分电路与电源断开，该部分电路中没有电流，亦无能量的输送和转换，这部分电路所处的状态称为开路。电源既不产生也不输出电功率，电源这时的状态称为空载。开路的特点：开路处的电流等于零；开路处的电压应视电路情况而定。三、短路：当某一部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路，这一部分电路所处的状态称为短路或短接。短路的特点：短路处的电压等于零；短路处的电流应视电路情况而定。1.4电路中的参考方向原则上参考方向可任意选择。在分析某一个电路元件的电压与电流的关系时，需要将它们联系起来选择，这样设定的参考方向称为关联参考方向。1.5理想电路元件一、理想有源元件：1.电压源：可提供一个固定的电压US，称为源电压。电压源的特点：输出电压U等于源电压US，是由其本身所确定的定值，与输出电流和外电路的情况无关。输出电流I不是定值，与输出电压和外电路的情况有关。2.电流源：可提供一个固定的电流IS，称为源电流。电流源的特点：输出电流I等于源电流IS，是由其本身所确定的定值，与输出电压和外电路的情况无关。输出电压U不是定值，与输出电流和外电路的情况有关。当电压源和电流源的电压和电流实际方向不同时，它们的作用也是不一样，可以起电源作用也可以起负载作用。二、理想无源元件：1.电阻元件：当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁场能的储存，这一部分电路可用电阻元件来代替。2.线性电阻与非线性电阻：3.电阻消耗的功率：22UPUIRIR1.6基尔霍夫定律一、基尔霍夫电流定律（KCL）：3电路中3个或3各以上电路元件的连接点称为结点。两结点之间的每一条分支电路称为支路。由于电流的连续性，流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。即，在电路的任何一个结点上，同一瞬间电流的代数和为零。基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中任意结点，而且还可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面——广义结点。二、基尔霍夫电压定律（KVL）：由电路元件组成的闭合路径称为回路。在电路的任何一个回路中，沿同一方向绕行，同一瞬间电压的代数和为零。基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中任一闭合的回路，而且还可以推广应用于任何一个假想闭合的一段电路。1.7支路电流法支路电流法解题的一般步骤：（1）确定支路数，选择各支路电流的参考方向。（2）确定结点数，列出独立的结点电流方程式。（3）确定余下所需的方程式数，列出独立的回路电压方程式。（4）解联立方程式，求出各支路电流的数值。1.8叠加定理叠加定理是分析线性电路最基本的方法之一。在含有多个有源元件的线性电路中，任一支路的电流和电压等于电路中各个有源元件分别单独作用时在该支路产生的电流和电压的代数和。应用叠加定理时应注意：（1）在考虑某一有源元件单独作用时，应令其他有源元件中的US=0，IS=0。即应将其他电压源代之以短路，将其他电流源代之以开路。（2）最后叠加时，一定要注意各个有源元件单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否与总电流和电压的参考方向一致，一致时前面取正号，不一致时前面取负号。（3）叠加定理只适用于线性电路。（4）叠加定理只能用来分析和计算电流和电压，不能用来计算功率。1.9等效电源定理等效电源定理是将有源二端网络用一个等效电源代替的定理。一、戴维宁定理：一有源二端网络对于外电路来说，可以等效成一个理想电压源和电阻串联的电路。其中电压源电压大小等于此二端网络的开路电压，电阻等于此二端网络的等效电阻。二、诺顿定理：一有源二端网络对于外电路来说，可以等效成一个理想电流源和电阻并联的电路。其中电流源电流大小等于此二端网络的短路电流，电阻等于此二端网络的等效电阻。戴维宁等效电源和诺顿等效电源既然都可以用来等效代替同一个有源二端网络，因而在对外等效的条件下，相互之间可以等效变换。1.10非线性电阻电路线性电阻的电阻值是一常数，线性电阻两端的电压和通过它的电流成正比。非线性电阻的电阻值不是常数，随电压或电流值的变化而变化，电压与电流不成正比。求解含有非线性电阻的电路时，常采用图解分析法。课后习题：1.7.1，1.8.1，1.8.2，1.9.2。4课题：第2章电路的瞬态分析教学目的：1.了解瞬态分析的基本概念；2.了解储能元件电容和电感的特征；3.掌握换路定则及初始值的求法；4.了解RC电路和RL电路的瞬态分析；5.掌握一阶电路瞬态分析的三要素法。重难点：1.换路定则及初始值的求法；2.一阶电路瞬态分析的三要素法。教学方法：讲授法学时：4学时。教学过程：2.1瞬态分析的基本概念一、稳态和瞬态：电路的结构和元件的参数一定时，电路的工作状态一定，电压和电流不改变。这时电路所处的状态称为稳定状态，简称稳态。换路：当电路在接通、断开、改接以及参数和电源发生突变时，都会引起电路工作状态的变化。换路后，旧的工作状态被破坏、新的工作状态在建立，电路将从一个稳态变化到另一个稳态，这种变化往往不能瞬间完成，而是有一个瞬态过程。电路在瞬态过程中所处的状态称为瞬态状态，简称瞬态。换路后为什么会有瞬态过程？换路是引起瞬态过程的外因；电容中的电场能和电感中的磁场能的不能突变是引起瞬态过程的内因。二、激励和响应：电路从电源（包括信号源）输入的信号统称为激励。激励有时又称输入。电路在外部激励的作用下，或者在内部储能的作用下产生的电压和电流统称为响应。响应有时又称输出。按在产生响应原因的不同，响应可分为：（1）零输入响应：电路在无外部激励的情况下，仅由内部储能元件中所储存的能量引起的响应。（2）零状态响应：在换路时储能元件未储存能量的情况下，由激励所引起的响应。（3）全响应：在储能元件已储有能量的情况下，再加上外部激励所引起的响应。在线性电路中：全响应=零输入响应+零状态响应。按照激励波形的不同，零状态响应和全响应可分为阶跃响应、正弦响应和脉冲响应等。阶跃响应即在直流电源作用下的响应。在阶跃激励作用下的响应称为阶跃响应。2.2储能元件一、电容：电容是用来表征电路中电场能量储存这一物理性质的理想元件。qCu，duiCdt，电容的瞬时功率dupuiCudt。u的绝对值增大时，电容从外部输入功率，把电能转换成电场能；u绝对值减小时，电容向外部输出功率，电场能又转换成了电能。若外部不能向电容提供无穷大的功率，电场能就不可能发生突变。因此，电容的电压u不可能发生突变。5两个电容串联时，等效电容为12111CCC；两个电容并联时，等效电容为12CCC。二、电感：电感是用来表征电路中磁场能量储存这一物理性质的理想元件。N，Li，diuLdt，电感的瞬时功率dipuiLidt。i的绝对值增大时，电感从外部输入功率，把电能转换成磁场能；i的绝对值减小时，电感向外部输出功率，磁场能又转换成电能。若外部不能向电感提供无穷大的功率，磁场能就不可能发生突变。因此，电感的电流i不可能发生突变。无互感存在的两电感线圈串联时，等效电感为12LLL；并联时等效电感为12111LLL。2.3换路定则由于电容中的电场能和电感中的磁场能不能突变，所以换路瞬间，电容上的电压和电感上的电流不可能突变。换路定则：电容电压和电感电流在换路后的初始值应等于换路前的终了值。00CCuu，00LLii。换路定则仅适用于换路瞬间。2.4RC电路的瞬态分析一、RC电路的零输入响应：换路后外部激励为零，在内部储能作