2022年电工学第二章教案 .pdf
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1、名师精编精品教案第 2 章电路电路是电工技术和电子技术的基础,是学习电力电路、电子电路以及控制和测量电路的基础。2.1 电路与基尔霍夫定律2. 1. 1 电路一、电路与电路图1电路 是电流流经的路径,它是由某些电气设备和元器件按一定的方式组合起来的。2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,并由相应的电路参数符号来表示。3电路图, 把任何一个实际电路画成一个由元件符号组成的示意图形,比较复杂的电路有时也称为网络。二、电路的作用与组成1电路的作用主要有两个:一是传输和转换电能,如图2. 1. 1( a )所示。二是传递和处理信号,如图2. 1. 1( b )所示。2电路的组成
2、 主要包括电源、负载和中间环节三个部分。2. 1. 2 基尔霍夫定律(KCL )一、基本概念1支路 ,每一分支电路,支路中不存在电路的分叉,支路中所有的电路元件都是串联的,各元件通过同一个电流,称为支路电流。2结点 ,电路中三条或三条以上支路的联结点。3回路 ,电路中由一条或多条支路所构成的闭合路径。4网孔 ,没有被围支路的回路。二、基尔霍夫电流定律(KCL )基尔霍夫电流定律可以表述如下:在电路中的任何结点上,任一瞬间,流入结点的支路电流之和恒等于流出结点的支路电流之和。也就是说结点上的所有支路电流之和恒等于零精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -
3、 - -第 1 页,共 18 页名师精编精品教案(流入为正,流出为负)。即i0 基尔霍夫电流定律也可以推广到电路的任意闭合面中使用。三、基尔霍夫电压定律(KVL )基尔霍夫电压定律可以表述如下:在电路中的任何回路中,任一瞬间,沿假设的回路循行方向,所有电路元件上电压降的代数和恒等于零,即u0 2.2 电阻电路2. 2. 1 交、直流纯电阻电路一、直流电阻电路1电压与电流URI2消耗的功率为22UPUII RR二、交流电阻电路1电压和电流,iRuR。设电流为参考量,即2 siniIt。根据欧姆定律可得电阻两端的电压为iRuR=tUtIRRsin2sin2式中IRUR为电阻两端电压降的有效值。2瞬
4、时功率 ,交流电路中任一瞬间的功率称为瞬时功率,其值为这一时刻的电压和电流瞬时值的乘积,即)2cos1(sin22tIUtIUiupRRR3平均功率, 指在按正弦规律周期性变化的交流电路中,瞬时功率在一个周期内的平均值,即平均功率RP。RIRUUItdtUITuidtTpdtTPTTTR200220sin2111精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 18 页名师精编精品教案2. 2. 2 电阻的串、并联电路一、 电阻的串联1串联: 如果电路中有两个或多个电阻一个接一个地顺序相联,并且在这些电阻中流过同一电流,则称该联接方法为电
5、阻的串联。2等效电阻3两个串联电阻上的分压二、电阻的并联1并联: 如果电路中有两个或多个电阻联接在两个公共结点之间,则该联接方法就称为电阻的并联。2等效电阻 的倒数等于各个并联电阻的倒数之和。3两个并联电阻上的分流*2.2. 3 线性电路分析方法综述一、等效变换法1电阻串、并联等效分析法该方法通过电阻串并联等效化简原电路,使得原电路的总电压、总电流易于求解,再通过并联电阻的分流关系和串联电阻的分压关系,来求解电路中其他各部分的参数。电阻串、并联等效分析法特别适用于单电源电路的求解。例 2.2.1 已知电路如图2.2.6所示,求等效电阻aoR; 若外加电压aoU为 100V, 求boU、coU、
6、doU和eoU。211abboaoRRR50111100boUV ,2511150coUV,5.1211125coUV,25.61115 .12coUV2电源模型等效变换法在多电源电路的分析中,如果出现多个实际电源模型呈现串、并联状态时, 可以将并联的实际电源模型转化为电流源模型加以合并,而将串联的实际电源模型转化为电压源模型加以合并,从而求解电路。例 2.2.2 在图 2.2.7(a)所示电路中,利用电源模型等效变换简化方法,求电流I1、I2精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 18 页名师精编精品教案和I3。3562122
7、IA343263IA3戴维宁定理分析法戴维宁定理可以叙述如下:任何一个有源的二端网络都可以等效为一个电压源和一个电阻相串联的形式, 此电压源的电压等于该二端网络的端口开路电压,电阻等于该二端网络内部所有独立电源置零(电压源短路,电流源断路)后的端口输入电阻。在一个电路中, 如果仅需求出某一支路电流,而除去该支路后余下的电路为有源二端网络,就可以用戴维宁定理求解。例 2.2.3 试用戴维宁定理求图2.2.8(a)所示电路中的电流Ig。abgabgRRUI二、叠加定理分析法1叠加定理 :线性电路中,任一支路中的电压或电流都是电路中各个独立电源单独作用时,在该处产生的电压或电流分量的代数和。2应用
8、:叠加定理可以用于多独立电源电路的分析中。各独立电源单独作用,就是指电路中只留下一个独立电源,而将其他独立电源置零(电压源短路,电流源断路)。3注意 :叠加定理不能用于求解功率问题,因为功率是电压与电流的乘积,不是线性量,所以不能叠加。例 2.2.4 电路如图2.2.9(a)所示, 试用叠加定理求电流I,并计算 9电阻上吸取的功率。三、电路分析的一般方法1支路电流法支路电流法是以支路电流为未知量,通过列写各结点的KCL 方程及各回路的KVL方程,来求解电路的方法。例 2.2.5 电路如图2.2.10所示,试用支路电流法求各支路电流。2结点电压法结点电压法就是以一个结点为参考结点(即零电位点),
9、而以其他结点电位也就是其他结点与参考结点间的电压为未知量,利用 KVL 定律,推出各支路电流, 然后列各结点的KCL方程,从而求解结点电压,进而求解电路的方法。例 2.2.6 应用结点电压法求图2.2.11 所示电路中的支路电流,并求电源输出功率以及负载电阻上消耗的功率精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 18 页名师精编精品教案*2. 2. 4 非线性电阻的概念一、线性电阻:如果电阻两端的电压与通过的电流成正比,则该电阻的电阻值使一个常数,不随电压或电流而改变, 这种电阻称为线性电阻。线性电阻两端的电压与其中的电流的关系遵循
10、欧姆定律,即URI。二、非线性电阻如果电阻不是一个常数,而是随着电压或电流或其它物理量如温度变动,则该电阻就称为非线性电阻。 非线性电阻两端的电压与其中的电流的关系不遵循欧姆定律,一般不能用数学公式表示,而是用电压与电流的关系曲线(伏安特性曲线)( )Uf I或()If U来表示。三、 非线性电阻元件的电阻有两种表示方式一种是静态电阻R(又称直流电阻) ,它等于工作点Q 处的工作电压U 和工作电流I的比值,即QQURI。另一种是动态电阻r(又称交流电阻) ,它等于工作点Q 附近的电压微变量dU与电流微变量dI的比值,即dUrdI。四、含非线性电阻元件电路的分析计算方法1把有非线性电阻元件的分支
11、电路从总电路中去除,剩下一个含有两个端点的线性电路(两端网络) ,再等效地化简为一个实际的电压源,并列出其端电压U和电流I的关系1UERI2应用图解法2.3 实际的电阻性负载举例2.3.1 电阻性负载及电阻值的额定值(与原书2.2.1 一致)一、额定值NNNIPU二、电阻器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 18 页名师精编精品教案按电阻值是否可变可分成固定电阻及可变电阻,按电阻材料及制作方式可分为线绕电阻、薄膜电阻(碳膜、金属膜、合成膜)及合成电阻选用小型电阻器时要注意其标称电阻值及额定功率。目前固定电阻器的电阻值均采用色
12、带标志,一般用4 条色带。第1 及第 2 色带表示该电阻器标称电阻值的第1 位数和第2位数,第 3 色带为倍率( 10 的整数次幂) ,第 4 色带为标称电阻值的允许误差。精度高的电阻器用5 条色带,此时第1、2、3 条色带分别表示其标称电阻值的第1、2、3 位数,第4色带为倍率,第5 色带为允许误差。色带标志含义见表2.2.1,色带标志举例见图2.2.5。表 2.2.1 电阻器色带标志含义小型电阻器的外形尺寸及体积反映了其额定功率大小,通常其额定功率 (W)有 120、116、18、1 4、12、1、2、5、10 等几种,选用时应根据工作电流数值算出其正常功耗(2I R)然后再加一倍余量,来
13、确定所选用的功率等级。颜色第 1 色带数字第 2 色带数字第 3 色带数字第 4 色带数字黑0 0 100棕1 1 1011红2 2 1022橙3 3 103黄4 4 104绿5 5 1050.5蓝6 6 106紫7 7 107灰8 8 108白9 9 109金10-15银10-210无色20精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 18 页名师精编精品教案2. 4 电感电路2. 4. 1 磁场与电感一、磁场基本物理量1磁场强度IHdl2磁感应强度磁感应强度B (又称磁通密度)是表示磁场内某点的磁场强弱及方向的物理量,它也是一个空
14、间矢量。其大小为:FBlI3磁导率BH4磁通BS二、磁性材料1非铁磁材料对磁场强弱的影响很小,它们的磁导率与真空的磁导率近似相等,为一常数2铁磁材料铁、钴、镍以及这些金属的合金具有很高的磁导率,可对周围的磁场产生较大的影响,它们通常称为铁磁材料。铁磁材料具有高磁导率、有磁饱和现象、磁滞现象等特征。铁磁材料在交变磁化的过程中会有能量损耗而导致铁磁材料发热,一种是磁滞损耗,是因为材料内部的分子本身具有磁性,在外部交变磁场作用下反复取向而产生的,在单位体积内的磁滞损耗与材料性质有关,并与磁滞回线所包围面积成正比。另一种为涡流损耗,是因为外部交变磁场在材料中感应出交变电动势,并在材料内部形成旋涡状的感
15、应电流,称为涡流,由于铁磁材料的电阻很小,会有很大的涡流,使材料发热并有很高的温升。三、电磁感应1电感电感是用来表征电路中具有磁场储能这一物理性质的理想元件。NLii精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 18 页名师精编精品教案SNLl电感线圈的横截面积为S (2m) ,长度为l(m) ,匝数为N,介质的磁导率为(/Hm) ,则其电感为:2电感线圈中储存的磁场能量212LWLi3感应的电动势ddieNLdtdt2. 4. 2 交、直流纯电感电路一、直流纯电感电路电路稳定后L上直流压降为零,可以把纯电感L看作是短路的。二、交流纯
16、电感电路1电感的端电压设:sin2 sinmiItItsincossin(90 )mmmdItdiueLLLItUtdtdt2电感的电压与电流之间有如下的关系:(1)电压与电流的频率相同;(2)电压在相位上超前电流90,即电流在相位上滞后电压90(3)电压和电流之间的关系分别用最大值和有效值表示为:mmLmULIX I,LUX I2LXLfL称为电感的电抗,简称感抗,单位也是欧姆() 。3纯电感电路的瞬时功率为sin(90 )sinsin 2LLmLmLLpuiUIttU It4平均功率即有功功率等于零0011sin 20TTPpdtUItdtTT5无功功率一般把互换功率的最大值定义为电感线圈
17、的无功功率LQ,即精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 18 页名师精编精品教案22LLLLLUQU IX IX,式中LQ的单位是乏(var) 。2. 4. 3 带铁心的电感线圈电路一、直流铁心线圈电路1UIR,铁心不会发热。2其功率损耗也只是电阻损耗(又称为铜损耗)2PI R二、交流铁心线圈电路1主磁通,dtdNe2漏磁通,dtdNe。3交流铁心线圈的电压与电流之间的关系为:Rieeu因为漏磁通远小于主磁通,另外线圈电阻R 亦很小,为了分析简便,可以忽略漏磁通及线圈电阻的影响。所以有:dtdNeu设sinmt,则sin(90
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