电工学简明教程第二版与答案

《电工学简明教程第二版与答案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工学简明教程第二版与答案（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 1 章 电路及其分析方法,第 1 章 电路及其分析方法,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,1.6 电阻的串联与并联,1.5 基尔霍夫定律,1.11 电路中电位的计算,1.9 电压源与电流源及其等效变换,1.7 支路电流法,1.8 叠加定理,1.10 戴维宁定理,1.12 电路的暂态分析,1.1 电路的作用与组成部分,第 1 章 电路及其分析方法,电路的基本概念及其分析方法是电工技术和电子技术的基础。,本章首先讨论电路的基本概念和基本定律，如电路模型、电压和电流的参考方向、基尔霍夫定律、 电源的工作状态以及电路中电位的计算等。这些内容是分析与计

2、算电路的基础。,然后介绍几种常用的电路分析方法，有支路电流法、叠加定理、电压源模型与电流源模型的等效变换和戴维宁定理。,最后讨论电路的暂态分析。介绍用经典法和三要素法分析暂态过程。,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器件按一定方式组合而成的。,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,1电路的作用,2电路的组成部分,电源：提供 电能的装置,负载：取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,直流电源: 提供能源,负载,信号源: 提供信息,2电路的组成部分,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

3、生的电压和电流称为响应。,信号处理： 放大、调谐、检波等,1.2 电路模型,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。,例如：一个白炽灯在有电流通过时,消耗电能 (电阻性）,产生磁场 储存磁场能量 (电感性）,忽略 L,为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,电源,负载,连接导线,电路实体,电路模型,1.2 电路模型,用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。,开关,1.3 电压和电流的参考方向,对电路进行分析计算时，不仅要算出电压、电流

4、、功率值的大小，还要确定这些量在电路中的实际方向。,但是，在电路中各处电位的高低、电流的方向等很难事先判断出来。因此电路中各处电压、电流的实际方向也就不能确定。为此引入参考方向的规定。,习惯上规定,电压的实际方向为：,由高电位端指向低电位端；,电流的实际方向为：,正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向；,电动势的实际方向为：,由低电位端指向高电位端。,1.3 电压和电流的参考方向,电压、电流的参考方向：,当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。,例如：图中若 I = 3 A，则表明电流的实 际方向与参 考方向相同 ；反之，若 I = 3 A，则表明电流的实际方与参考方向相反

5、 。,在电路图中所标电压、电流、电动势的方向，一般均为参考方向。,电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、“”外，还用双下标或箭头表示。,任意假定。,欧姆定律：通过电阻的电流与电压成正比。,表达式,U、I 参考方向相同,U = IR,U、I 参考方向相反,图 B 中若 I = 2 A，R = 3 ，则 U = (2) 3 V = 6 V,电流的参考方向 与实际方向相反,图 A,或,图 B,I,+,电压与电流参 考方向相反,1.4 电源有载工作、开路与短路 1.4.1 电源有载工作,E,I,U,1电压与电流,R0,R,a,b,c,d,电源的外特性曲线,当 R0 R 时， 则 U

6、E,说明电源带负载能力强,+,_,+,_,U = RI,或 U = E R0I,1.4.1 电源有载工作,1.4.1 电源有载工作,1电压与电流,U = RI,U = E R0I,2功率与功率平衡,UI = EI R0I2,P = PE P,电源产 生功率,内阻消 耗功率,电源输 出功率,功率的单位：瓦特(W) 或千瓦(kW),电源产 生功率,=,负载取 用功率,+,内阻消 耗功率,功率 平衡式,E,I,U,R0,R,a,b,c,d,+,_,+,_,1.4.1 电源有载工作,3电源与负载的判别,根据电压、电流的实际方向判别，若,U 和 I 的实际方向相反，则是电源，发出功率；,U 和 I 的实

7、际方向相同，是负载，取用功率。,根据电压、电流的参考方向判别,P = UI 为负值，是电源，发出功率；,若电压、电流的参考方向相同,P = UI 为正值，负载，取用功率。,1.4.1 电源有载工作,3电源与负载的判别,例 1,已知：图中 UAB = 3 V， I = 2 A,解 P = UI = (2) 3 W= 6 W,求：N 的功率，并说明它是电源还 是负载,因为此例中电压、电流的参考方向相同,而 P 为负值，所以 N 发出功率，是电源。,想一想，若根据电压电流 的实际方向应如何分析？,1.4.1 电源有载工作,4额定值与实际值,U,+,I,P,电源输出的电流和功 率由负载的大小决定,额定

8、值是为电气设备在给定条件下正常运行而规定的允许值。,电气设备不在额定 条件下运行的危害：,不能充分利用设备的能力；,降低设备的使用寿命甚至损坏设备。,S1,S2,S3,1.4 电源有载工作、开路与短路,1.4.2 电源开路,电源开路时的特征,I = 0,U = U0 = E,P = 0,当开关断开时，电源则处于开路(空载)状态。,1.4.3 电源短路,U,IS,U = 0,I = IS = E/R0,P = 0,PE = P = R0IS2,E,R0,R,b,c,d,+,_,电源短路时的特征,a,当电源两端由于某种原因连在一起时，电源则被短路。,为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或自动断路器

9、，用以保护电路。,U = 0,I 视电路而定,1.4 电源有载工作、开路与短路,1.4.3 电源短路,由于某种需要将电路的某一段短路，称为短接。,U,I,E,R0,R,+,_,R1,1.5 基尔霍夫定律,结点 电路中三条或三条 以上支路连接的点,支路 电路中的每一分支,回路 由一条或多条支路 组成的闭合路径,如 acb ab adb,如 abca adba adbca,如 a,b,网孔 不包含之路独立的回路 abca adba,1.5.1 基尔霍夫电流定律(KCL),(直流电路中）, I = 0, i = 0,(对任意波形的电流）,在任一瞬间，流向某一结点电流的代数和等于零。,基尔霍夫电流定律

10、是用来确定连接在同一结点上的各支路电流之间的关系。,根据电流连续性原理，电荷在任何一点均不能堆积(包括结点)。故有,数学表达式为,能量守恒,1.5.1 基尔霍夫电流定律(KCL),若以流向结点的电流为负，背向结点的电流为正，则根据KCL，结点 a 可以写出,I1 I2+ I3 + I4 = 0,例 上图中若 I1= 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。,9 ( 2）+ I3 + 8 = 0,解,把已知数据代入结点 a 的 KCL 方程式，有,式中的正负号由KCL根据电流方向确定,由电流的参考方向与实际方向是否相同确定,I3 电流为负值，是由于电流参考方向与实际方向相反所致

11、。,I3 = 19 A,IA,IB,IAB,IBC,ICA,KCL 推广应用,即 I = 0,IC,IA + IB + IC = 0,可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。,A,B,C,对 A、B、C 三个结点应用 KCL 可列出：,IA = IAB ICA,IB = IBC IAB,IC = ICA IBC,上列三式相加，便得,1.5.2 基尔霍夫电压定律(KVL),基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。,由于电路中任意一点的瞬时电位具有单值性，故有,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,或 E = U = RI,1.

12、5.2 基尔霍夫电压定律(KVL),I2,左图中，各电压参考方向均已标出，沿虚线所示循行方向，列出回路 c b d a c KVL 方程式。,U1 U2 + U4 U3 = 0,上式也可改写为 U4 U3 = E2 E1,根据电压参考方向，回路 c b d a c KVL方程式，为,+,_,R1,E1,+,_,E2,R2,U2,I1,U1,c,a,d,b,+,_,U3,+,U4,_,即 U = 0,即 U = E,或 I2 R2 I1R1 = E2 E1,即 IR = E,KVL 推广应用于假想的闭合回路,E IR U = 0,U = E IR,或,根据 KVL 可列出,根据 U = 0,UA

13、B = UA UB,UA UB UAB = 0,U1 + U2 U3 U4 + U5 = 0,例 1 图中若 U1= 2 V，U2 = 8 V，U3 = 5 V，U5 = 3 V，R4 = 2 ，求电阻 R4 两端的电压及流过它的电流。,解 设电阻 R4 两端电压的极性及流过它的电流 I 的参考方向如图所示。,(2) + 8 5 U4+ (3) = 0,U4 = 2 V,I = 1 A,沿顺时针方向列写回路 的 KVL 方程式，有,代入数据，有,U4 = IR4,1.6 电阻的串联与并联 1.6.1 电阻的串联,1.6.1 电阻的串联,电路中两个或更多个电阻一个接一个地顺序相连，并且在这些电阻

14、中通过同一电流，则这样的连接方法称为电阻的串联。,分压公式,等效电阻,R = R1 + R2,1.6.2 电阻的并联,分流公式,电路中两个或更多个电阻连接在两个公共的结点之间，则这样的连接法称为电阻的并联。在各个并联支路(电阻)上受到同一电压。,等效电阻,例 1,图示为变阻器调节负载电阻 RL 两端电压的分压电路。 RL = 50 ，U = 220 V 。中间环节是变阻器，其规格是 100 、3 A。今把它平分为四段，在图上用 a, b, c, d, e 点标出。求滑动点分别在 a, c, d, e 时，负载和变阻器各段所通过的电流及负载电压，并就流过变阻器的电流与其额定电流比较说明使用时的安

15、全问题。,解,UL = 0,IL = 0,(1)在 a 点：,解,(2)在 c 点：,等效电阻 R 为 Rca 与 RL 并联， 再与 Rec 串联，即,UL = RLIL = 50 1.47 V = 73.5 V,注意，这时滑动触点虽在变阻器的中点，但是输出电压不等于电源电压的一半，而是 73.5 V。,RL,UL,U,+,a,b,c,d,e,+,解,(3)在 d 点：,注意：因 Ied= 4A 3A，ed 段有被烧毁的可能。,解,(4)在 e 点：,1.7 支路电流法,支路电流法是以支路电流(电压)为求解对象，直接应用 KCL 和 KVL 列出所需方程组，而后解出各支路电流(电压)。它是计算复杂电路最基本的方法。,凡不能用电阻串并联等效化简的电路，称为复杂电路。,支路电流法求解电路的步骤,A,1确定支路数 b ，假定各支路电流的参考方向；,2应用 K