电气工程学基础第一讲

电气工程学基础第一讲第一页，共一百零九页，2022年，8月28日第二章电工学与电子技术基础知识

主要内容：直流电路单相交流电路三相交流电路电子技术基础

第二页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路几个常用概念：

电路：电流通过的路径；内电路：电源内部的一段电路；组成：由电源、负载、连接导线和开关等组成；外电路：负载、连接导线和开关等；

直流电路：由线性电阻和直流电源构成的电路；

合闸：接通电路；

分闸：断开电路。

第三页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路几个常用概念：

电路、组成、内电路、外电路、直流电路、合闸、分闸第四页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路一、基本物理量1.电流⑴电流：电荷流动形成电流

⑵电流大小：电流强度

I——电流强度，单位为安培（A）；t——通过电荷量Q所用的时间，秒（s）。Q——通过导体截面的电荷量，库伦（C）；第五页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路但紫外线、X射线、宇宙线以及火焰等会使气体分子电离，产生电子和正、负离子，从而使气体具有导电性。

⑶电流方向：规定正电荷流动的方向。⑷电流种类：金属导体中电流：自由电子（载流子）；电解质溶液中电流：正离子和负离子；气体中电流：没有可以自由移动的电荷，气没体有导电性，是良好的绝缘体；第六页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路2.电位、电压

⑴电位：（在电场中定义→电路中）

电场中某点的电位，在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移动到无限远处的过程中，电场力所做的功。

⑵参考点：在电场中电位等于零的点。

（通常以大地或无限远处为参考点）

电位>0→正值电位<0→负值⑶电压：电场中两点之间的电位差

第七页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路U——两点之间的电位差，即电压，伏特（V）A——电场力所做的功，焦耳（J）⑷电压大小：⑸电压正方向：从高电位指向低电位

3.电动势

⑴电动势：电场中，将单位正电荷从低电位移向高电位时外力克服电场力所作的功。

⑵电动势大小：第八页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路E——电动势，伏特（V）A——外力所做的功，焦耳（J）⑶电动势的正方向：规定由低电位指向高电位，即电位升高的方向。4.电阻⑴电阻：在电场力作用下，电流在导体中流动时受到的阻力。

电动势第九页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路⑷电阻大小：R——导体的电阻，欧姆（）；S——导体截面积，平方米（m2）；L——导体长度，米（m）；——导体电阻率，欧姆米（·m）；当导线的截面S和电阻率不均匀时：二、电路及连接3

第十页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路1.串联电路⑴电阻串联

电阻首尾依次相连电流只有一条通路各电阻流过的电流都相等

⑵电源串联

第十一页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路前一个电源的负极→后一个电源的正极2.并联电路⑴电阻并联

若干个电阻并排连接起来

各电阻两端的电压都相等

第十二页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路⑵电源并联

所有电源正极连接在一起→电源的正极所有电源负极连接在一起→电源的负极

→

获得较大的输出电流。3.混联电路

三、欧姆定律第十三页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路四、电流的热效应、短路1.电流的热效应

⑴热效应：

电流通过导体时自由电子碰撞，电能转换为热能。⑵热效应大小：Q——导体产生的热量，焦耳（J）

W——消耗的电能，（KW·h)、焦耳（J）I——导体中通过的电流，安培（A）R——电路的电阻，欧姆（）t——电流通过导体的时间，秒（s）第十四页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路2.短路

电源通向负载的两根导线不经过负载直接接通。危害：电路中电流过大，损坏设备。3.断路

电源通向负载时，部分电路断开，该条电路电流“0”

第十五页，共一百零九页，2022年，8月28日第一节直流电路---补充2.组成：由电源、负载、连接导线和开关等组成一、电路及组成1.电路：电流通过的路径电池灯泡负载电源EIRU+_+_电路模型第十六页，共一百零九页，2022年，8月28日电源：将非电能转换成电能的装置，例如：发电机、干电池负载：将电能转换成非电能的装置，例如：电动机、电炉、灯中间环节：连接电源和负载的部分，其传输和分配电能的作用。例如：输电线路二、电压和电流的参考方向第十七页，共一百零九页，2022年，8月28日二、电压和电流的参考方向第十八页，共一百零九页，2022年，8月28日1.电路的物理量电流I电压U电动势EEIRU+_+_2.电路中各物理量的方向物理量方向：实际方向参考方向实际方向：物理中对电量规定的方向参考方向：

在分析计算时，对电量人为规定第十九页，共一百零九页，2022年，8月28日物理量的实际方向第二十页，共一百零九页，2022年，8月28日

举例问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？E1ABRE2IR+_+_AB：电流方向第二十一页，共一百零九页，2022年，8月28日(1)在解题前先设定一个方向，作为参考方向；解决方法：(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系、的代数表达式；第二十二页，共一百零九页，2022年，8月28日例:已知：E=2V,R=1Ω问：当U分别为

3V和

1V时，IR=?解：(1)假定电路中物理量的参考方向如图所示(2)列电路方程abU+_+_IRE

R(3)数值计算第二十三页，共一百零九页，2022年，8月28日abU+_+_IRE

R实际方向与参考方向一致实际方向与参考方向相反第二十四页，共一百零九页，2022年，8月28日三、电路元件1.电阻元件：

①电阻：具有对电流起阻碍作用性质。单位②线性电阻：电阻值与它所通过的电流和所施加电压无关，即电阻值固定不变。或：满足欧姆定律的电阻为线性电阻。（1）电阻（一般物理特性）：第二十五页，共一百零九页，2022年，8月28日线性电阻③伏安特性曲线：电路元件U、I之间函数关系I(A)U(V)0ui非线性电阻第二十六页，共一百零九页，2022年，8月28日④电阻的功率在关联参考方向下，电阻元件上消耗的功率为：（2）正弦交流电路中：

uiR+-

①根据欧姆定律

：第二十七页，共一百零九页，2022年，8月28日②电流、电压的关系

频率相同相量关系：大小关系相位相同第二十八页，共一百零九页，2022年，8月28日③功率瞬时功率p：瞬时电压与瞬时电流的乘积

uiR+-

（耗能元件）结论：

随时间变化

与

成比例第二十九页，共一百零九页，2022年，8月28日平均功率（有功功率）：P：一个周期内的平均值

uiR+-第三十页，共一百零九页，2022年，8月28日2.电感元件Lui+-eФuei+-+-参考方向：电压、电流、磁通、电动势⑴电感（一般物理特性）：第三十一页，共一百零九页，2022年，8月28日①电感中电流、电压的关系uei+-+-当(直流)时,在直流电路中电感相当于短路第三十二页，共一百零九页，2022年，8月28日②电感的储能电感是一种储能元件,储存的磁场能量为：⑵:正弦交流电路中：uL+-①基本关系式：设第三十三页，共一百零九页，2022年，8月28日则②电压与电流关系第三十四页，共一百零九页，2022年，8月28日

频率相同相位相差900（u领先i90

0）大小关系：

感抗（Ω）

相量关系：第三十五页，共一百零九页，2022年，8月28日设：则：第三十六页，共一百零九页，2022年，8月28日②电感电路中的功率瞬时功率

p

：uL+-i第三十七页，共一百零九页，2022年，8月28日P<0+P>0P<0+PP>0储存能量释放能量可逆的能量转换过程

平均功率P（有功功率）：第三十八页，共一百零九页，2022年，8月28日结论：纯电感不消耗能量，只和电源进行能量交换无功功率Q：定义：电感瞬时功率所能达到的最大值，用以衡量电感电路中能量交换的规模。第三十九页，共一百零九页，2022年，8月28日3.电容元件C

:++++----+q-qui+-单位：F、F、pFQ

的单位：乏、千乏

(var、kvar)（1）电容C（一般物理特性）：单位电压下存储的电荷+电容符号有极性无极性_第四十页，共一百零九页，2022年，8月28日①电容上电流、电压的关系uiC+-当

(直流)时,在直流电路中电容相当于断路第四十一页，共一百零九页，2022年，8月28日②电容的储能电容是一种储能元件,储存的电场能量为：（2）电路中必须有提供能量的器件或装置①基本关系式:uC+-第四十二页，共一百零九页，2022年，8月28日②电容电路中电流、电压的关系设：第四十三页，共一百零九页，2022年，8月28日

频率相同相位相差

900（u落后i900）大小关系：相量关系：第四十四页，共一百零九页，2022年，8月28日设：则：③电容电路中的功率第四十五页，共一百零九页，2022年，8月28日瞬时功率pui+-第四十六页，共一百零九页，2022年，8月28日充电p放电放电P<0释放能量充电P>0储存能量平均功率

P第四十七页，共一百零九页，2022年，8月28日电容元件：是不消耗能量的，在电源与元件之间无功功率Q：即电容元件无功功率取负值只发生能量的交换电感无功功率取正值，以资区别。第四十八页，共一百零九页，2022年，8月28日1.常用的直流电源：2.常用的交流电源：干电池、蓄电池正弦交流电源产生多种波形的各种信号发生器交流稳压电源直流稳流电源直流发电机直流稳压电源3.电源的电路模型四、电源第四十九页，共一百零九页，2022年，8月28日电源的电路模型：独立电流源独立电压源4.独立电压源(1)模型：理想电压源实际电压源模型(2)理想电压源第五十页，共一百零九页，2022年，8月28日理想电压源的特点（恒压源）特点：电源中的电流由外电路决定伏安特性IUabUSUSI+_abUab+_输出电压不变，其值恒等于电压源Uab

US第五十一页，共一百零九页，2022年，8月28日(3)实际电压源①电路模型：由理想电压源和内阻组成IUUSUIRO+-US+_第五十二页，共一百零九页，2022年，8月28日②电压源的工作状态：

带载开路短路电压源有载工作（开关合上）IUROUSRdc+-ba+_伏安特性IUUSR0«R第五十三页，共一百零九页，2022年，8月28日a.电压与电流关系

b.功率与功率平衡PS=USI---是电压源产生的功率P=UI-----是电源输出的功率

P0=R0I2---是电源内阻上所损耗的功率c.电源与负载的判别

第五十四页，共一百零九页，2022年，8月28日IUROUSRdc+-ba+_电源：Ｕ和Ｉ的实际方向相反

电流从电源“+”端流出负载：Ｕ和Ｉ的实际方向相同

电流从电源“+”端流入电压源开路（开关断开）I=0P=0

U=U0=US

第五十五页，共一百零九页，2022年，8月28日电压源短路IUROUSRdc+-ba+_P=0

U=0I=IS=US/R0

五、电路中电位的概念1.电压的概念：两点间的电压就是两点的电位差第五十六页，共一百零九页，2022年，8月28日其它各结点对参考点的电压，便是该结点的电位参考点：在电路中任选一结点，设其电位为零（用标记）Va=5V

a

点电位：ab15Aab15AVb=-5V

b

点电位：第五十七页，共一百零九页，2022年，8月28日2.电位和电压的区别⑴电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各⑵两点间电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变

点的电位也将随之改变。第五十八页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

一、交流电1.定义：电动势、电压及电流的大小和方向都随时间按照一定规律做周期性变化。2.正弦交流电：按正弦规律变化

TutuTt交流电路中：e(t)、u(t)、i(t)均按正弦规律变化第五十九页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

Tut二、交流电中三要素i1.瞬时值和最大值

或第六十页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

⑴定义：交流电路中

e、u和i

⑵最大值（振幅）：Em、Im、Um

2.周期、频率和角频率（快慢）

⑴周期T：交流电每交变一次（或一周）所需的时间⑵频率f：每秒内交流电交变的周期数或次数,Hz、kHz

⑶角频率:单位时间内变化的角度,rad/s⑶有效值:E、I、U

⑷关系:

第六十一页，共一百零九页，2022年，8月28日3.相位、初相位和相位差

⑴相位:

⑵初相位:

通常|i|，即在主值范围取值

⑶相位差：在任一瞬间两个同频率的正弦交流电的相位之差注意：同相、超前、滞后

⑷关系:

第六十二页，共一百零九页，2022年，8月28日

两个同频率正弦量间的相位差(初相差)

：

t第六十三页，共一百零九页，2022年，8月28日领先于

落后于第六十四页，共一百零九页，2022年，8月28日例：若购得一台耐压为300V的电器，是否可用于

220V的线路上?

电器~220V最高耐压

=300V有效值

U=220V最大值

Um

=220V=311V电源电压电器最高耐压低于电源电压的最大值，所以不能用第六十五页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

三、

正弦量的表示方法i2.正弦量的相量表示法1.种类瞬时值表达式相量波形图第六十六页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

（1）回顾复数第六十七页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

根据欧拉公式：代入上式可得：（指数形式）（极坐标形式）第六十八页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

（2）正弦量的相量表示法为了与一般的复数相区别，把表示正弦量的复数称为相量，并在大写字母头上打“.”。例：正弦电压用相量表示：第六十九页，共一百零九页，2022年，8月28日四、正弦稳态电路的功率1.瞬时功率p:第二节单相交流电路

恒定量+正弦量，其频率是电压或电流的2倍第七十页，共一百零九页，2022年，8月28日2.平均功率

⑴定义：

有功功率P第二节单相交流电路

⑵功率因数:第七十一页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

3.无功功率

⑴定义：交换功率的最大值Q，乏（var）

⑵意义：大小反映网络与外电路交换功率的大小

由储能元件电容和电感的性质决定的第七十二页，共一百零九页，2022年，8月28日第二节单相交流电路

4.视在功率⑴定义：反映电气设备的容量，是满足电路的有功功率和无功功率两者的需要时，要求外部提供的功率容量，S伏安（VA）。

第七十三页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路

三相交流电路：由三个频率相同、振幅相同、相位彼此相差120的正弦电动势作为供电电源的电路。一、三相交流电路的优点发电方面：比单相电源可提高效率50％输电方面：比单相输电节省钢材25％

配电方面：三相变压器比单相经济且便于接入负载

用电设备：结构简单、成本低、运行可靠、维护方便第七十四页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路二、对称三相电源的产生三相同步发电机A、B、C始端

X、Y、Z末端三相绕组在空间互差120°转子以均匀角速度转动在三相绕组中产生感应电压，形成对称三相电源

1.瞬时值表达式第七十五页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路2.波形图3.相量表示

4.对称三相电源的特点

第七十六页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路5.对称三相电源的相序

正序(顺序)：A—B—C—A负序(逆序)：A—C—B—A

三个振幅相等、频率相同、相位差120°的一组正弦电源称为对称三相正弦电源。它们分别称为A相、B相和C相6.对称三相电源按照各相电压经过正峰值的先后次序来说:第七十七页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路三、三相电源的联接1.星形联接(Y联接)

将三相电源的末端X、Y、Z接在一起(N中点)，将各相的首端A、B、C以及中点N与四根输电线（分别称为相线和中线）联接。从相线与中线之间得到三个相电压：从三根相线之间得到三个线电压:⑴Y联接：第七十八页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路

各相电动势的参考方向，选定自绕组的末端→始端第七十九页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路相电压：火线对零线间的电压（对称）第八十页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路CABN流过相线的线电流等于流过每相电源的相电流线电压是相电压的√3倍⑵相电压与线电压关系：对称第八十一页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路线电压：火线间的电压CABN注意规定的正方向线电压也对称线电压有效值用UL表示第八十二页，共一百零九页，2022年，8月28日2.三角形联接(联接)第三节三相交流电路各相的始端和末端依次相连，再由A、B、C引出三根相线与负载相连接法无中线

各相负载上的电压Uab、Ubc、Uca=电源的线电压=UL

负载对称→线电流对称

第八十三页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路3.三相三线制与三相四线制

三相四线制

三相三线制：中线接地四、三相负载及其联接负载有两种接法星形接法三角形接法第八十四页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路1.

Y－Y联接的三相电路Y形三相负载连接到Y形对称三相电源;当三相负载相同时，即ZA=ZB=ZC=Z时，是对称三相电路中线电流等于各相负载电流的相量和

负载两端承受电源的相电压线电流等于相电流第八十五页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路⑴在Y－Y形联接的对称三相电路中,中线电流为零，中线可以不用，可以只用三根相线传输（三相三线制）适合于高压远距离传输电之用。⑵对于日常生活的低压用电，由于三相负载不完全对称，还有一定的中线电流存在，中线还必须保留，即采用三相四线制供电系统。假如不用中线，不对称三相负载的三相电压将不相同，过高的相电压可能损坏电气设备。⑶三相四线制供电系统中，保险丝绝对不能接在中线上，因为中线断开后，各相负载上的电压将随负载大小变化，过高的电压可能损坏电气设备。第八十六页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路2.Y－Δ联接的三相电路Y形联接的对称三相电源和Δ联接的对称负载，是对称三相电路。负载的相电压等于三相电源的线电压线电流等于相电流的√3线电流较相电流滞后30第八十七页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路五、三相电路的功率计算

1.三相有功功率三相负载对称时：

2.三相无功功率

第八十八页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路三相负载对称时：

3.三相视在功率视在功率为三相电源提供的能量

三相负载对称时：

第八十九页，共一百零九页，2022年，8月28日第三节三相交流电路三相负载对称时：

3.三相视在功率视在功率为三相电源提供的能量

三相负载对称时：

第九十页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础一、半导体的导电特性1.N型半导体和P型半导体

⑴杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）

电子半导体或N型半导体：多子---电子

空穴半导体或P型半导体：多子---空穴中性

第九十一页，共一百零九页，2022年，8月28日⑴PN结的形成第四节电子技术基础2.PN结PNPN结

在一块半导体单晶上一侧掺杂成为

P型半导体，另一侧掺杂成为

N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为

PN结。第九十二页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础PN电子和空穴浓度差→多子的扩散运动空间电荷区PN扩散运动→空间电荷区PN结(耗尽层)第九十三页，共一百零九页，2022年，8月28日空间电荷区→内电场第四节电子技术基础PN空间电荷区内电场UD

阻挡层内电场有利于少子运动—漂移少子的运动与多子运动方向相反第九十四页，共一百零九页，2022年，8月28日扩散与漂移的动态平衡→PN结⑵PN结的单向导电特性PN外加正向电压：正偏外电场方向内电场方向空间电荷区VRIPN空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。第九十五页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础PN结外加反向电压(反偏)空间电荷区PN外电场方向内电场方向VRIS第九十六页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础综上所述：

当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；

当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。可见:PN结具有单向导电性

第九十七页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从

P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。(a)外形图(b)符号二、半导体二极管1.基本结构

第九十八页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础2.半导体二极管的类型按半导体材料分：硅二极管、锗二极管

按PN结结构分：点接触型、面接触型

点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。

面接触型二极管PN结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。

按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。第九十九页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础3.主要参数

（1）最大整流电流IF

长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。（2）最高反向工作电压UR

工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压UBR的一半定义为UR（3）反向电流IR通常希望IR

值愈小愈好。（4）最高工作频率fM第一百页，共一百零九页，2022年，8月28日第四节电子技术基础

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