谢楠 电工技术基础 2024/2025 教案 PDF

2024/2025 学年第一学期 《电工技术基础》课程 教 案 学 院： 机电工程学院 授课班级： 机电一体化 24 级 43 班 授课教师： 谢楠 总 学 时 ： 48 详案 教学过程 课程导入： 在现代科学技术的应用中，电工电子设备种类日益繁多，规模和结构亦是日新月异， 这些设备绝大多数都是由...

2024/2025 学年第一学期 《电工技术基础》课程 教 案 学 院： 机电工程学院 授课班级： 机电一体化 24 级 43 班 授课教师： 谢楠 总 学 时 ： 48 详案 教学过程 课程导入： 在现代科学技术的应用中，电工电子设备种类日益繁多，规模和结构亦是日新月异， 这些设备绝大多数都是由各种不同的电路所组成。虽然电路的结构各异，但是它们与最基 本的电路之间仍然存在许多基本的共性，遵循着相同的规律。本项目的任务是：对电气设 备进行电路模型的建构和掌握电路分析的基本规律。 1.1 电路和电路模型 1.1.1 电路 电路是电流的通路。它是为了实现某种功能，由各种电工、电子元器件按一定的方式 连接起来的整体。较复杂的电路又称为“电网络”。“电路”和“网络”这两个术语通常是相互 通用的。 图 1.1 手电筒电路 图 1.1 是手电筒电路，是实际应用中最简单的电路实例。在手电筒电路中，用导线将 电池、开关、小灯泡连接起来，为电流电路提供了路径。图中干电池为电路的电源，为电 路提供电能，小灯泡为负载，消耗电能（或将电能转换为其他形式的能量），导线和开关 为中间环节。当开关闭合时，电路接通，小灯泡发光。反之，电路断开，小灯泡熄灭。电 动机电路、电视机电路、计算机电路、雷达导航电路显然是较为复杂的电路。但不管电路 结构如何，电路的基本组成部分都离不开 3 个环节：电源、负载和中间环节。 电路的作用 工程应用中的实际电路，按照功能的不同可分为两大类。 （1）电力电路实现电能的传输和转换。如图 1.2 所示的电力系统。 图 1.2 电力电路 （2）信号电路实现信号的处理和传递。如图 1.3 所示的扩音机中话筒是电信号的信号源。 图 1.3 信号电路 1.1.2 电路模型 为了便于用数学方法分析电路，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。  1.2 电路的基本物理量 1.2.1 电流及其参考方向 电荷有规则的运动形成电流。电流的大小定义为单位时间内通过导体横截面的电荷量 ， 又称为电流强度，用符号 i 表示，即 （1-1） 电流的单位：单位是安培（库仑/秒），简称“A”表示；另外还有毫安.(mA)、微安(μA) 等单位,它们的换算关系如下： 1 A=103 mA=106 μA 电流 主要 分为两类。大小和方向都不 随 时间 变 化的电流，称为 直 流电流（ direct current，简称 DC），简称直流，用大写字母 I 表示。 大小和方向均随时间的变化而变化的电流，称为交流电流（alternating current，简称 AC），简称交流，用小写字母 i 或者 i（t）表示。 电流是有方向的。习惯上，规定正电荷移动的方向（负电荷移动的反方向）为各支路 电流的实际方向。 在分析电路时，对于较复杂的电路，往往难于确定电流的实际方向。因此，引入了“参 考方向”的概念。 参考方向是一个假想的电流方向。在分析计算电路时，先任意选定某一方向作为电流 的参考方向，用实线箭头标在电路图上（也可用双下标表示），如图 1.7 所示。iab 表示参 考方向是由 a→b，而 iba 表示参考方向由 b→a。此时，iab=-iba。本书电流的参考方向一般用实 线箭头表示。 实际方向 实际方向 a b a b 参考方向 参考方向 i （iab ） i （iab ） （a ） （b ） 图 1.7 电流的参考方向 （a）实际方向与参考方向一致 （b）实际方向与参考方向相反 1.2.2 电位、电压、电动势及其参考方向 （1）电压 电压是用来表述电场力做功的物理量。电荷在电场力作用下，顺着或逆着电场力的方 向运动，电场力做功，将电能转变为其他形式的能量。 由物理学知识可知，电场力将单位正电荷从电场中的一点移至另一点所做的功，称为 电压。用数学表达式可表示为： 式中，uab 用来衡量电场力做功本领的大小，即电压；dq 为由 a 点移动到 b 点的电荷； dw 为移动过程中电荷所减少的电能。 电功的单位为 焦耳 （ J ），电量的单位用库 伦（ C） 描述 时，电 压 的单位为 伏特 （V）。电压的单位还有千伏（kV）和毫伏（mV），各种单位之间的换算关系为： （2）电位 空间各点位置的高度都是相对于海平面或某个参考高度而言的。同样地，电路中的电 位也具有相对性。 在电路中任取一点 0 作为参考点，则由某点 a 到参考点 0 的电压 ua0 就称为 a 点的电位 用 Va 表示。 电位参考点可以任意选取。通常选择大地、设备外壳或者接地点作为参考点。一个连 通的系统中，只能选择一个参考点。参考点的电位为零。 电路中，电位一经选定，其余各点的电位都将有唯一确定的数值。任意两点间的电压 就等于这两点的电位差。即 （1-3） 选取不同的参考点，同一点的电位值也会随之而变，但两点之间的电压与参考点的位置 无关。 （3）电压的参考方向 电压也是有方向的。习惯上，规定电压的实际方向是从高电位点指向低电位点，即电 压降低的方向。 同电流一样，在进行电路分析前，通常很难确定电压的实际方向。这就需要人为假设 一电压方向，把这种人为任意假设的电压方向称为电压的“参考方向”（也称“参考极性”）， 其标注方法有 3 种：箭头、双下标或正负极性，如图所示 。“+”、“-”的标注方法，又称参 考极性标注法，“+”号表示参考高电位点（正极），“-”号表示参考低电位点（负极）。uab 的双下标 ab 即表示参考方向是由 a 点指向 b 点。本书一般情况下采用参考极性标注法。 特别注意：选定参考方向后，才能对电路进行分析计算。 u （uab ） a b + - 选定参考方向后，电压就成为代数量。当电压的实际方向与参考方向一致（极性一 致）时，电压为正值（u＞0），否则为负（u＜0）。 （4）电动势及其参考方向 电动势就是用来描述电源力做功的物理量。在电源中，电动势 e 在数值上等于将单位 正电荷由电源负极经电源内部移动到电源正极所做的功，即增加的电能，可表示为： 习惯上把电动势的实际方向规定为电能增加的方向，即电位升高（从低电位点到高电 位点）的方向，亦即由电源的负极指向正极。 对于一个实际电源而言，当没有电流流过，即内部没有电能消耗时，其电动势和端电 压（正负极之间的电压）必定大小相等，方向相反。 （5）关联参考方向 i i a b a b + u - - u + （a）关联参考方向 （b）非关联参考方向 在同一电路中，电流参考方向和电压参考方向可以各自独立地选定。但为了分析计算 方便，通常选定同一元件的电流参考方向与电压参考方向一致。 1.2.3 电功率与能量 在电路分析中，通常用电流 i 和电压 u 的乘积来描述功率。 在 u、i 为关联参考方向下，元件上吸收的功率定义为： 在 u、i 为非关联参考方向下，元件上吸收的功率定义为： 无论 u、i 是否为关联参考方向，若 p＞0，则该元件吸收功率（供自己消耗），为耗能 元件；若 p＜0，则该元件输出功率（供给其他元件），为储能元件。 【例 1.4】在图 1.14 所示电路中，方框泛指电路中的一般元件。试求出各元件吸收的 功率。 4A 5A -2A + - - -5V 4V -5V - + + （a） （b） （c） （d） 图 1.14 例 1.4 电路 解： （1）在图 1.14（a）中，所选 u、i 为关联参考方向，元件吸收的功率为： 此时元件吸收的功率为-12W，即元件发出的功率为 12W。 （2）在图 1.14（b）中，所选 u、i 为非关联参考方向，元件吸收的功率为： 此时元件吸收的功率为 20W。 （3）在图 1.14（c）中，所选 u、i 为非关联参考方向，元件吸收的功率为： 此时元件吸收的功率为-20W，即元件发出的功率为 20W。 （4）在图 1.14（d）中，所选 u、i 为关联参考方向，元件吸收的功率为： 此时元件吸收的功率为 10W。  头脑风暴 电源与负载的判别 电压和电流都是代数量，所以功率也是代数量，有正、有负。在电源与负载判别分析 的时候我们一般都会选定 i 与 u 参考方向一致(关联参考方向)时，也就是 p=ui 进行分析计算， 如果求得 p>0，表示电路实际消耗功率，这段电路(或元件)是负载；如果 p