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电工学教程 多媒体课件 王蕴珊

电工学教程 多媒体课件 王蕴珊. 第 1 章电路及其分析方法. 本章要求 : 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. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。. 第 一 章 电路及其分析方法. 1.1 电路的作用与组成部分. 1.2 电路模型. 1.3 电压和电流的参考方向. 1.4 电源有载工作、开路与短路. 1.5 基尔霍夫定律. 1.6 电阻的串并联. 1.7 支路电流法. 1.8 叠加原理. 1.9 电压源与电流源等效变换.

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  1. 电工学教程 多媒体课件 王蕴珊

  2. 第1章电路及其分析方法 本章要求: 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. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。

  3. 第一章 电路及其分析方法 1.1电路的作用与组成部分 1.2电路模型 1.3电压和电流的参考方向 1.4电源有载工作、开路与短路 1.5基尔霍夫定律 1.6电阻的串并联 1.7支路电流法 1.8叠加原理 1.9电压源与电流源等效变换 1.10戴维宁定理

  4. 1.11电路中电位的计算 1.12电路中的暂态分析

  5. 电灯 电动机电炉 ... 升压 变压器 输电线 降压 变压器 发电机 话筒 扬声器 放大器 第1章 电路及其分析 1.1电路的作用与组成部分 电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。 1. 电路的作用 (1) 实现电能的传输、分配与转换 (2)实现信号的传递与处理

  6. 电灯 电动机电炉 ... 升压 变压器 输电线 降压 变压器 发电机 2. 电路的组成部分 负载: 取用 电能的装置 电源:提供 电能的装置 中间环节：传递、分 配和控制电能的作用

  7. 话筒 扬声器 直流电源 放大器 2.电路的组成部分 信号处理： 放大、调谐、检波等 信号源: 提供信息 直流电源: 提供能源 负载 电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。

  8. I S + + E – U R Ro – 1. 2电路模型 为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。 手电筒的电路模型 理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。 开关 例：手电筒 手电筒由电池、灯 泡、开关和筒体组成。 导线 电池 灯泡

  9. I S + + E – U R Ro – 手电筒的电路模型 电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro； 开关 灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R； 导线 电池 灯泡 筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。 今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。 开关用来控制电路的通断。

  10. 物理量 单 位 实 际 方 向 kA 、A、mA、μA 电流 I 正电荷运动的方向 高电位 低电位 kV 、V、mV、μV 电压 U (电位降低的方向) 低电位 高电位 kV 、V、mV、μV 电动势E (电位升高的方向) 1.3电压和电流的参考方向 电荷的定向移动形成电流。电流大小：单位时间内通过导体截面的电量。 1. 电路基本物理量的实际方向 物理中对基本物理量规定的方向

  11. I a + + E R U _ _ b I U – + 箭 标 a b a R 正负极性 b Iab Uab 双下标 双下标 2. 电路基本物理量的参考方向 (1) 参考方向 在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。 (2) 参考方向的表示方法 电流： 电压：

  12. + U I R – + U R I – (3)实际方向与参考方向的关系 实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。 U、I 参考方向相同时， U、I 参考方向相反时， U = I R U = – IR 表达式中有两套正负号： 　① 式前的正负号由U、I参考方向的关系确定； ② U、I值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。 通常取U、I参考方向相同。

  13. + I 2A U 6V R –2A – (a) (b) + I U 6V R – 例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。 解：对图(a)有, U = IR 对图(b)有, U = – IR

  14. I/A U/V o 线性电阻的伏安特性 ★ 线性电阻的概念： 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。 电路端电压与电流的关系称为伏安特性。 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。

  15. I + + E - U R R0 I - U E 电源的外特性 I 0 1.4电源有载工作、开路与短路 1.4.1 电源有载工作 开关闭合,接通电源与负载 特征: ①电流的大小由负载决定。 U = IR 负载端电压 或 U = E – IR0 ② 在电源有内阻时，I  U 。 当R0<<R 时，则U  E，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。

  16. I + + E - U R R0 I - 1.4.1电源有载工作 开关闭合,接通电源与负载。 特征: ①电流的大小由负载决定。 U = IR 负载端电压 或 U = E – IRo ② 在电源有内阻时，I  U 。 P = PE–  P UI = EI – I²Ro ③ 电源输出的功率由负载决定。 负载 取用 功率 电源 产生 功率 内阻 消耗 功率 负载大小的概念: 负载增加指负载取用的 电流和功率增加(电压一定)。

  17. 电源与负载的判别 1.根据 U、I 的实际方向判别 电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出， （发出功率）； 负载： U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。 （吸收功率）。 2.根据 U、I 的参考方向判别 U、I 参考方向相同，P =UI  0，负载； P = UI 0，电源。 U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。

  18. 例： 灯泡：UN = 220V，PN = 60W 电阻： RN = 100，PN =1 W 1. 额定值反映电气设备的使用安全性； 2. 额定值表示电气设备的使用能力。 电气设备的额定值 额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三种运行状态 额定工作状态： I = IN，P = PN (经济合理安全可靠) 过载(超载)：I > IN，P > PN (设备易损坏) 欠载(轻载)： I < IN，P < PN (不经济)

  19. I + + E - U0 R Ro - I = 0 电源端电压( 开路电压 ) U= U0 = E 负载功率 P= 0 I 有 源 电 路 + U – 1.4.2电源开路 开关 断开 特征: 电路中某处断开时的特征: 1. 开路处的电流等于零； I= 0 2. 开路处的电压 U 视电路情况而定。

  20. I + + E - 特征: U0 R R0 - 短路电流（很大） U= 0 电源端电压 P= 0 负载功率 电源产生的能量全被内阻消耗掉 PE = P = I²R0 I 有 源 电 路 + U – 1.4.3电源短路 电源外部端子被短接 电路中某处短路时的特征: 1.短路处的电压等于零； U= 0 2. 短路处的电流 I 视电路情况而定。

  21. a I R Uab + E _ b 广义欧姆定律 (支路中含有电动势时的欧姆定律) 当 Uab>E时， I >0 表明方向与图中假设方向一致 当 Uab<E 时， I <0 表明方向与图中假设方向相反

  22. R1 E1 A - + R3 R2 I - + E2 例1： 已知：E1=4V，E2=6V，R1=2Ω， R2=4Ω，R3=2Ω， 求：VA 解：

  23. +6V 2k I1 2k A S I2 (a) 2K 2k A + I2 I1 6V – (b) 例2: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A 点 的电位VA 解: (1)当开关S断开时 电流I1 = I2 = 0， 电位VA = 6V。 (2) 当开关闭合时,电路 如图（b） 电流I2 = 0， 电位 VA = 0V。 电流在闭合 路径中流通

  24. I1 I2 a R2 + R1 + I3 E2 E1 R3 - - 3 b 2 1 1. 5基尔霍夫定律 支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。 结点：三条或三条以上支路的联接点。 回路：由支路组成的闭合路径。 网孔：内部不含支路的回路。

  25. a I1 I2 R1 R2 IG G c d R4 R3 I3 I4 b I – + E 例1： 支路：ab、bc、ca、… （共6条） 结点：a、 b、c、d (共4个） 回路：abda、abca、 adbca … （共7 个） 网孔：abd、 abc、bcd （共3 个）

  26. I3 I1 I2 a R2 + R1 + E2 E1 R3 - - b 1.5.1基尔霍夫电流定律(KCL定律) 1．定律 在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。 即: Ｉ入=Ｉ出 或: Ｉ= 0 对结点 a： I1+I2 = I3 或 I1+I2–I3= 0  实质: 电流连续性的体现。 基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。

  27. IA A I IB C + + 2 _ _ 12V B 6V IC 5 5 1 1 2．推广 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。 I =? 广义结点 例: I = 0 IA + IB + IC = 0

  28. I3 I1 I2 a R2 + R1 + E2 E1 R3 2 1 - - b 1.5.2基尔霍夫电压定律（KVL定律) 1．定律 在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。 在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。 即：  U = 0 对回路1： E1 = I1 R1 +I3 R3 或 I1 R1 +I3 R3 –E1 = 0 对回路2： I2 R2+I3 R3=E2 或 I2 R2+I3 R3 –E2 = 0 基尔霍夫电压定律（KVL） 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。

  29. B + + – + – 1 E2 E1 UBE R2 R1 I2 _ E 注意： 1．列方程前标注回路循行方向； 2．应用 U = 0列方程时，项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。 3. 推广：开口电压可按回路处理 对回路1： 电位升 = 电位降 E2 =UBE + I2R2  U = 0 I2R2 – E2 +UBE= 0

  30. a I1 I2 R1 R2 I6 c d R4 R3 I3 I4 b I – + E 例： 应用  U = 0列方程 对网孔abda： I6 R6 – I3 R3 +I1 R1 = 0 R6 对网孔acba： I2 R2 –I4 R4 – I6 R6 = 0 对网孔bcdb： I4 R4 + I3 R3 –E = 0 对回路 adbca，沿逆时针方向循行： – I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 – I2 R2 = 0 对回路 cadc，沿逆时针方向循行： – I2 R2 – I1 R1 + E= 0

  31. I + + U1 R1 – U + U2 R2 – – I + U R – 1.6电阻串并联联接的等效变换 1.6.1电阻的串联 特点: 1)各电阻一个接一个地顺序相联； 2)各电阻中通过同一电流； 3)等效电阻等于各电阻之和； R =R1+R2 两电阻串联时的分压公式： 应用： 降压、限流、调节电压等。

  32. I + I1 I2 R1 R2 U – I + U R – 1.6.2 电阻的并联 特点: (1)各电阻联接在两个公共的结点之间； (2)各电阻两端的电压相同； (3)等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和； (4)并联电阻上电流的分配与电阻成反比。 两电阻并联时的分流公式： 应用： 分流、调节电流等。

  33. 1 0.8 0.4 0.4 R12 2 1 2 1 1 0.8 1 R12 2.4 1.4 2.684 1 2 2 例1： 对图示电路求总电阻R12 1 2 2 1 D R12 C 2 1 2 1 由图： R12=2.68

  34. ＋ e d IL c U ＋ b RL UL a － － 例1.6.1： 图示变阻器分压电路， RL=50Ω，U=220V，变阻器规格100Ω3A， 均分四段abcde，求： 负载变阻器的电流负载电压，讨论使用的安全问题。 解: (1)在a点： UL=0，IL=0， (2)在C点：R与RL混联

  35. ＋ e d IL c U ＋ b RL UL a － － (3)在d点：R与RL混联 (4)在e点：略

  36. Ib Ia Ib Ic A A a D C RO RO Rab Rca D C Rbc c B b B Ia a Ra Rc Rb c b Ic ★ 电阻星形联结与三角形联结的等换 Y-等效变换 电阻Y形联结 电阻形联结

  37. Ia Ib Ic Ib Ia a a Ra 等效变换 Rc Rab Rca Rbc Rb C b Ic C b 电阻Y形联结 电阻形联结 电阻星形联结与三角形联结的等效变换 等效变换的条件： 对应端流入或流出的电流(Ia、Ib、Ic)一一相等，对应端间的电压(Uab、Ubc、Uca)也一一相等。 经等效变换后，不影响其它部分的电压和电流。

  38. Ia Ib Ic Ib Ia a a Ra 等效变换 Rc Rab Rca Rbc Rb C b C Ic b 电阻Y形联结 电阻形联结 条 件 电阻星形联结与三角形联结的等效变换 据此可推出两者的关系

  39. Ib Ia Ic Ia Ib a a 等效变换 Ra Rab Rc Rca Rbc Rb c c b b Ic Y  Y 电阻星形联结与三角形联结的等效变换

  40. Ia Ib Ic Ib Ia a a Ra 等效变换 Rab Rc Rca Rbc Rb c c b b Ic 电阻星形联结与三角形联结的等效变换 将Y形联接等效变换为形联结时 若 Ra=Rb=Rc=RY 时，有Rab=Rbc=Rca= R = 3RY； 将形联接等效变换为Y形联结时 若 Rab=Rbc=Rca=R 时，有Ra=Rb=Rc=RY =R/3

  41. a a I1 I1 4 Ra 4 8 Rc c d 4 c d 5 5 Rb 4 b b – + – + 12V 12V 例2： 计算下图电路中的电流 I1 。 解：将联成形abc的电阻变换为Y形联结的等效电阻

  42. a a I1 I1 Ra 2 4 4 8 c d 4 c d Rc 2 Rb 1 5 5 4 b b – + – + 12V 12V

  43. I + - + E RL U R0 U – I ★ 1.9 电压源与电流源及其等效变换 1 电压源 电压源是由电动势 E 和内阻 R0 串联的电源的电路模型。 电压源模型 理想电压源 U0=E 由上图电路可得: U = E – IR0 电压源 若 R0 = 0 O 理想电压源 : UE 若 R0<< RL ，U E ， 可近似认为是理想电压源。 电压源的外特性

  44. U E I + RL + I O U E 外特性曲线 _ _ 理想电压源（恒压源） 特点: (1) 内阻R0= 0 (2) 输出电压是一定值，恒等于电动势。 对直流电压，有 U E。 (3) 恒压源中的电流由外电路决定。 例1： 设E = 10 V，接上RL后，恒压源对外输出电流。 电压恒定，电 流随负载变化 当 RL= 1  时， U = 10 V，I = 10A 当 RL = 10  时， U = 10 V，I = 1A

  45. I + U U R0 IS R0 － RL U 电流源模型 I 2 电流源 电流源是由电流 IS 和内阻 R0 并联的电源的电路模型。 理想电流源 U0=ISR0 电流源 由上图电路可得: O IS 若 R0 =  电流源的外特性 理想电流源 : IIS 若 R0 >>RL ，I IS，可近似认为是理想电流源。

  46. I + U RL IS _ 理想电流源（恒流源) U I O IS 外特性曲线 特点: (1) 内阻R0=  ； (2) 输出电流是一定值，恒等于电流 IS； (3) 恒流源两端的电压 U 由外电路决定。 例1： 设IS = 10 A，接上RL后，恒流源对外输出电流。 当 RL= 1  时， I = 10A ，U = 10 V 当 RL = 10  时， I = 10A ，U = 100V 电流恒定，电压随负载变化。

  47. I I + – U + + E R0 IS R0 RL U RL U R0 – – 电压源 电流源 E = ISR0 等效变换条件: 3 电压源与电流源的等效变换 由图a： U = E－ IR0 由图b： U = ISR0 – IR0

  48. a a + – a a – + E E IS R0 IS R0 R0 R0 b b b b 注意事项： ① 电压源和电流源的等效关系只对外电路而言， 对电源内部则是不等效的。 例：当RL=  时，电压源的内阻 R0中不损耗功率， 而电流源的内阻 R0中则损耗功率。 ② 等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。 ③ 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。 ④ 任何一个电动势 E 和某个电阻 R 串联的电路， 都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。

  49. a a a + + + 2 2 2 + - U 5V U + - U 3 + – 2V 5A 5V 3    b b (c) (a) (b) a a a + + + + – 2 3 5A U U 5V U + –  5V  b  b (b) b (c) (a) 例1: 求下列各电路的等效电源 解:

  50. – + 1 1 1 2V 2A 3 2 6 I 3 6 1 I 2A 2A 2 + – + – 12V 6V (b) (a) – – + + 2 2 2V 2V 2 2 I 2 2 I + – 8V 4A (d) (c) 试用电压源与电流源等效变换的方法 计算2电阻中的电流。 例2: 解: 由图(d)可得

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