电工电子技术基础

第二篇
1.1 1.2
电路分析基础知识 电气设备的额定值及电路的工作状态
1.3 基本电路元件和电源元件 1.4 电路定律及电路基本分析方法 1.5 1.6 1.7
第二篇
电路中的电位及其计算方法 叠加定理 戴维南定理
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1.1 电路分析基础知识
1、导体、绝缘体和半导体
自然界物质的电结构：
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第1章 电路分析基础 第2章 正弦交流电路 第3章 三相交流电路 第4章 磁路与变压器 第5章 异步电动机及其控制
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理解电流、电压参考方向的问 题；掌握基尔霍夫定律及其具体 应用；了解电气设备额定值的定 义；熟悉电路在不同工作状态下 的特点；深刻理解电路中电位的 概念并能熟练计算电路中各点的 电位。
10Hale Waihona Puke Baidu
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想想 练练
1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10 小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？ 3600000J，1度电 2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少 伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？ 若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多 少瓦？额定功率有变化吗？ 220V，60W；15W，不变。 3、某电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间 内通过该电阻的电量为3个库仑，求在这1分钟内电阻上通 过的电流和电流所做的功各为多少？ 3A，1080J
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1.2 电气设备的额定值及电路的工作状态 1. 电气设备的额定值
电气设备长期、安全工作条件下的最高限值称为额定值。
电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等 因素，由制造厂家给出的技术数据。
2. 电路的三种工作状态
S RS ＋ US － I＝0 ＋ U=US － RL S I＝US÷(RS＋RL) S I＝US/RS ＋ RS ＋ U=0 US － － （c）短路 ＋ RS ＋ U=US－IRS US － －
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（2）电功率
电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。 电功率用“P ”表示： W UIt P UI t t
国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】 电功率是用来表示电流做功快慢的物理量。 用电器正常工作时的电压叫额定电压，在额定电压下的 电功率叫做额定功率。 实际加在用电器两端的电压叫实际电压，在实际电压下 的电功率叫实际功率。 只有在实际电压恰好与额定电压相等时，实际功率才等 于额定功率。
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4. 电路中的电压、电流及其参考方向 （1）电流
电荷有规则的定向移动形成电流。计量电流大小的物 理量称为电流强度，简称电流。定义式为： dq …… （1-1） i= dt 若电流的大小、方向均不随时间变化，则表达式为： Q …… （1-2） I= t 电流的国际单位制是安培【A】，较小的单位还有毫安 【mA】和微安【μA】等，它们之间的换算关系为：
US I
+ –
R
I
R0 设参考方向下US=100V，I=－5A，则说 明电源电压的实际方向与参考方向一致； 电流为负值说明其实际方向与图中所标示的参考方向相反。
参考方向一经设定，在分析和计算过程中不得随意改动。 方程式各量前面的正、负号均应依据参考方向写出，而电量 的真实方向是以计算结果和参考方向二者共同确定的。
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2、电路的组成与功能
电路 ——由实际元器件构成的电流的通路。
电源：电路中提供电能的装置。如发电机、蓄电 池等。
电路组成 负载：在电路中接收电能的设备。如电动机、电
灯等。 中间环节：电源和负载之间不可缺少的连接、控 制和保护部件，如连接导线、开关设 备、测量设备以及各种继电保护设备 等。
b 关联参考方向
实际电源上的电压、电流方向总是非关联的，实际负载上的 电压、电流方向是关联的。因此，假定某元件是电源时，应选 取非关联参考方向，假定某元件是负载应选取关联参考方向。
为什么要在电 路图中预选标出 参考方向？
在电路图上预先标出电压、电流的参考 方向，目的是为解题时列写方程式提供依 据。因为，只有参考方向标定的情况下， 方程式各电量前的正、负号才能确定。
必须指出，电路在进行上述模型化处理时是有条件的。 前提是：实际电路中各部分的基本电磁现象可以分别研 究，并且相应的电磁过程都集中在电路元件内部进行， 这种电路称为集总参数元件的电路。
集总参数元件的特征
1. 在元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行， 其次要因素可以忽略的理想化电路元件。如前面提到的 无源电路元件R，只具有耗能的电特性；L只具有储存磁 场能量的电特性；C只具有储存电场能量的电特性。 2.对于集总参数元件，任何时刻，从元件一端流入的电 流，恒等于从元件另一端流出的电流，并且元件两端的 电压值是完全确定的。
注意：物理量用小字表示变量，用大写表示恒量。 从工程应用的角度来讲，电路中的电压是产生电流的根 本原因；在数值上，电压等于电路中两点电位的差值。 电压的国际单位制是伏特【V】，常用的单位还有毫伏 【mV】和千伏【KV】等，它们之间的换算关系为： 1V=103mV=10－3KV 电工技术的问题分析中，通常规定电压的参考正方向由 高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。
解：UI非关联参考，因此:
P UI 10 (100) 1000W
I
U 元件
+
元件吸收正功率，说明元件是负载。
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U U0
“1W、100Ω”
1. 电源外特性 与横轴相交处 的电流=？电 流工作状态？ 2. 该电阻允许加 的最高电压=？ 允许通过的最大 电流=？
0
5. 电能、电功率和效率
（1）电能
电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电 流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：
W UIt
式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】
日常生产和生活中，电能（或电功）也常用 度作为量纲：1度=1KW•h=1KV•A•h
1000W的电炉加热1小时； 1度电的概念 100W的电灯照明10小时； 40W的电灯照明25小时。
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思考 回答
1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？ 2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、 减”及“相同、相反”这几对词的不同之处 “加、 吗？ 电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算 电路提供方便和依据。
应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下， 电压、电流数值前面的正负号，如某电流为“－5A”， 说明其实际方向与参考方向相反，某电压为“＋100V”， 说明该电压实际方向与参考方向一致；“加、减”指参 考方向下电路方程式中各量前面的加、减号；“相同” 是指电压、电流为关联参考方向，“相反”指的是电压、 电流参考方向非关联。
I=?
I
3.额定电流为100A
的发电机，只接了 60A的照明负载，还 有40A电流去哪了？
4.电源的开路电压为
12V,短路电流为30A, 则电源的US=?RS=？
1.3 基本电路元件和电源元件 1. 电阻元件
R
u
电阻元件图符号
i 因此，电阻元件称为即时元件。即时 元件上的电压、电流关系遵循欧姆定律。电阻元件通过电 流就要发热，消耗的能量为： u2 P ui i2R R
绝缘体外层电子数通常为8个， 且距离原子核较近，因此受到原 子核很强的束缚力而无法挣脱， 我们把外层电子数为8个称为稳 定结构，这种结构中不存在自由 电子，因此不导电。
1、绝缘体是否在任何条件下都不导电？ 2、半导体有什么特殊性？
当外界电场的作用力超过原子核对外层 电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样 也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这 种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一 旦被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成 为导体。 半导体的导电性虽然介于导体和绝缘体之间，但半 导体在外界条件发生变化时，其导电能力将大大增强 ；若在纯净的半导体中掺入某些微量杂质后，其导电 能力甚至会增加上万乃至几十万倍，半导体的上述特 殊性，使它在电子技术中得到了极其广泛地应用。
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（3）电流、电压的参考方向
对电路进行分析计算时应注意：列写电路方程式之前，首 先要在电路中标出电流、电压的参考方向。电路图上电流、 电压参考方向的标定，原则上任意假定，但一经选定，在整 个分析计算过程中，这些参考方向就不允许再变更。
a
＋
I
电源 元件
a
＋
I
负载 元件
U －
U －
b 非关联参考方向
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理想电路元件分有无源和有源两大类
无源二端元件 有源二端元件
+ R L C – US IS
电阻元件 只具耗能 的电特性
电感元件 只具有储 存磁能的 电特性
电容元件 只具有储 存电能的 电特性
理想电压源 输出电压恒 定，输出电 流由它和负 载共同决定
理想电流源 输出电流恒 定，两端电 压由它和负 载共同决定
1A=103mA=106μA=109nA
在电工技术的问题分析中，仅仅指出电流的大小是不够 的，通常规定以正电荷移动的方向为电流的参考正方向。
（2）电压
高中物理学中对电压的定义：电场力把单位正电荷从电 场中的一点移到另一点所做的功。表达式为：
u ab
dwab dq
直流情况下 U ab
Wab Q
（3）效率
电气设备运行时客观上存在损耗，在工程应用中，常把 输出功率与输入功率的比例数称为效率，用“η”表示：

P2 P2 100% 100% P1 P2 P
提高电能效率能大幅度节约投资。据专家测算，建设 1千瓦的发电能力，平均在7000元左右；而节约1千瓦的电 力，大约平均需要投资2000元，不到建设投资的1/3。通 过提高电能效率节约下来的电力还不需要增加煤等一次性 资源投入，更不会增加环境污染。 所以，提高电能效率与加强电力建设具有相同的重要 地位，不仅有利于缓解电力紧张局面，还能促进资源节约 型社会的建立。
实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取 模型化处理可获得有意义的分析效果
白炽灯电路
消耗电能的电 特性可用电阻 元件表征
R L
由于白炽灯中耗能 的因素大大于产生 磁场的因素，因此 L 可以忽略。 白炽灯的电 路模型可表 示为：
i
产生磁场的电 特性可用电感 元件表征
R
理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性惟 一、精确，可定量分析和计算。
RL
RL
（a）开路
（b）通路
右下图电路，若已知元件吸收功率为－20W， 电压U=5V，求电流I。 U
I
分析：
+
元件
由图可知UI为关联参考方向，因此: P 20 I 4A U 5 • 举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=－100A， 电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。
原子结构中：正电荷
原子核中有质子和中 子，其中质子带正电， 中子不带电。 原子核 绕原子核高速旋转 的电子带负电。
=
负电荷
电子
原子核
原子核
原子核
导体的外层电子数很少且距 离原子核较远，因此受原子核 半导体的外层电 的束缚力很弱，极易挣脱原子 子数一般为4个，其 核的束缚游离到空间成为自由 导电性界于导体和绝 电子，即导体的特点就是内部 缘体之间。 具有大量的自由电子。
电路的功能
电力系统中：
电路可以实现电能的传 输、分配和转换。
电子技术中：
电路可以实现电信号的传 递、存储和处理。
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3、电路模型和电路元件
中间环节
开关 电 源 连接导线 负 载 R0 S
I
+
RL
+ _ US
电源
U
–
负 载
实体电路
电路模型
与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图，称 为实体电路的电路模型。
电路由哪几部分 组成？试述电路 的功能？ 为何要引入参考 方向？参考方向 和实际方向有何 联系与区别？
理想电路元件 与实际元器件 有何不同？
如何判断元件 是电源还是负 载？ 何谓电路 模型？
学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、 认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本 关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。
电阻产品实物图 由电阻的伏安特性曲线可得，任一瞬时，电阻元件上电 压和电流的关系为即时对应关系，即：R u
i 0 线性电阻元件伏安特性
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2. 电感元件
L
Ψ
电感元件图符号
电感产品实物图 对线性电感元件而言，任一瞬时，其电压和电流的关系为 微分(或积分)的动态关系，即： u L di L dt 显然，只有电感元件上的电流 发生变化时，电感两端才有电压。因此，我们把电感元件称 为动态元件。动态元件可以储能，储存的磁能为： 1 WL Li 2 2