《电学教程》课件

电学教程欢迎来到《电学教程》课程！本课程将带领您全面了解电学的基本原理与应用从基础的电荷概念到复杂的电力系统，我们将系统讲解电学的各个方面，包括直流电路、交流电路、磁场与电磁感应、变压器以及电机与发电机等内容通过本课程，您将掌握分析电路和电气系统的基础理论和计算方法，为今后学习更高级的电气工程知识打下坚实基础本课程结合理论与实践，帮助您建立对电学现象的直观认识和深入理解课程概述电学基础介绍电荷、电场、电位等基础概念，为后续学习奠定基础直流电路讲解欧姆定律、基尔霍夫定律等基本原理及电路分析方法磁场与电磁感应探讨磁场基本概念及法拉第电磁感应定律等内容交流电路分析正弦交流电的基本特性及RLC电路的性质变压器与电机介绍变压器、电动机与发电机的原理及特性电力系统讲解电力系统的组成、传输及保护等知识电础第一章学基电荷和电场1研究电荷的性质及电荷间的相互作用，介绍电场的概念和描述方法2库仑定律阐述点电荷之间相互作用力的大小和方向，建立电场强度的理论基础电势和电压3讲解电势能、电势和电压的概念及其物理意义，分析它们之间的关系4电容和电容器介绍电容现象、电容器的工作原理及各种电容器的特性与应用电电场荷和1电荷的基本特性2电荷守恒定律电荷是物质的基本属性之一，在一个孤立系统中，无论发生分为正电荷和负电荷同种电什么变化，电荷的代数和保持荷相互排斥，异种电荷相互吸不变电荷既不能被创造，也引电荷的基本单位是库仑C，不能被消灭，只能从一个物体最小的电荷单位是电子或质子转移到另一个物体所带电荷e=

1.6×10^-19C3电场的定义电场是电荷周围空间的一种特殊状态，在该空间中的任何带电粒子都会受到力的作用电场是描述电荷间相互作用的物理模型库仑定律1/r²反平方关系库仑力与两点电荷间距离的平方成反比，距离增加一倍，力减小为原来的四分之一q₁q₂电荷乘积库仑力与两个电荷量的乘积成正比，电荷量增大，作用力也随之增大9×10⁹库仑常数真空中库仑常数k=9×10⁹N·m²/C²，表示介质对电荷间作用力的影响程度ε₀真空介电常数真空介电常数ε₀=

8.85×10⁻¹²F/m，与库仑常数k存在关系k=1/4πε₀电场强度电场强义电电场强计电场线度的定点荷度的算电场强度是描述电场强弱的物理量，定义点电荷q在距离为r处产生的电场强度大小电场线是描述电场分布的图示方法，电场为单位正电荷在电场中所受的力其方向为E=kq/r²，其中k为库仑常数电场强度线的切线方向表示电场强度的方向，电场规定为正电荷所受力的方向，单位为牛顿/的方向为从正电荷指向外部，或从外部指线的密度表示电场强度的大小电场线从库仑N/C或伏特/米V/m向负电荷正电荷出发，终止于负电荷电势电压和电势电势能1电荷在电场中具有的势能，表示电荷在电单位电荷在电场中具有的电势能，是电场场中位置变化时所做的功2中某点的标量特性势电压等面4电场中电势相等的点构成的面，电场线与两点间电势的差值，表示单位电荷从一点3等势面垂直移动到另一点时电场做功的大小电势是电场的一个重要特性，它的单位是伏特V电势可以简化许多电场问题的分析，尤其在计算电场做功时特别有用电压则是衡量电能转化为其他形式能量的关键参数，是电气工程中的基本物理量电电容和容器电义电质对电响容的定平行板容器介容的影电容是导体储存电荷能最简单的电容器结构，在电容器的极板之间填力的量度，定义为导体由两个平行金属板组成充介质可以增大电容值上的电荷量与其电势的其电容值C=ε₀εᵣA/d，介质的相对介电常数εᵣ表比值单位是法拉F，其中A为板面积，d为板示介质对电容值的增大实际应用中常用的单位间距离，为介质相对介倍数，不同介质有不同εᵣ有微法μF、纳法nF电常数的介电常数和皮法pF电第二章直流路电电压关流与系探讨电流、电压的基本概念及其在电路中的关系，介绍欧姆定律及其应用电基本路分析讲解电阻、电导等元件特性，阐述焦耳定律和基尔霍夫定律的物理意义电路分析方法介绍支路电流法、网孔电流法和节点电压法等电路分析技术，解决复杂电路问题电路定理讲解叠加原理、戴维宁定理、诺顿定理和最大功率传输定理，简化电路分析电电流和流密度电义电流的定流密度电流是单位时间内通过导体横截面电流密度是单位面积上的电流大小，的电荷量，表示为I=dq/dt，单位表示为J=I/A，单位是安培/平方米是安培A电流的方向规定为正A/m²电流密度是一个矢量，电荷流动的方向，实际上在金属导其方向与电荷运动方向一致在均体中，电流是由自由电子的定向移匀导体中，电流密度与电场强度成动形成的正比，即J=σE，其中σ是导体的电导率漂移速度带电粒子在电场作用下的平均定向运动速度称为漂移速度在金属导体中，自由电子的漂移速度通常很小，约为毫米/秒量级，远小于电子的热运动速度但由于参与导电的电子数量巨大，因此可以形成较大的电流欧姆定律微观欧姆定律1J=σE，电流密度与电场强度成正比宏观欧姆定律2I=V/R，电流与电压成正比，与电阻成反比广义欧姆定律3I=E-Vₑ/R，考虑了电源内阻和电动势实际应用4电路设计、电子器件、电力传输的基础欧姆定律是电学中最基本的定律之一，由德国物理学家欧姆于1827年发现它描述了导体中电流、电压和电阻之间的关系在恒定条件下，导体两端的电压与通过导体的电流成正比，比例系数即为电阻欧姆定律适用于线性电路元件，如金属导体但对于非线性元件（如二极管、晶体管）、半导体器件以及在极端条件下（如超导体），欧姆定律并不适用电电导阻和电义电电导电导阻的定阻率和率电阻是导体阻碍电流通过能力的量度，定电阻率是物质本身的特性，与材料的尺寸电导是电阻的倒数，G=1/R，单位是西门义为加在导体两端的电压与通过导体的电无关对于长度为L、横截面积为A的均匀子S电导率是电阻率的倒数，σ=1/ρ，流之比R=V/I电阻的单位是欧姆Ω导体，其电阻R=ρL/A，其中ρ是电阻率，单位是西门子/米S/m电导和电导率描在恒定温度下，导体的电阻与其长度成正单位是欧姆·米Ω·m不同材料有不同的述了材料导电能力的强弱比，与横截面积成反比电阻率，金属的电阻率通常很小焦耳定律电流A热功率W焦耳定律阐述了电流通过导体所产生的热量电流通过电阻R的导体时，在时间t内产生的热量Q=I²Rt，其中I是电流这表明导体中产生的热量与电流的平方成正比，与电阻和时间成正比从能量转换的角度看，焦耳定律表明电能可以转化为热能电功率P=IV=I²R=V²/R，单位是瓦特W焦耳热既可能是有用的（如电炉、电热水器），也可能是不希望的（如电子设备中的热损耗）尔基霍夫定律1基尔霍夫电流定律2基尔霍夫电压定律KCL KVL在任何电路节点，流入节点的在任何闭合电路回路中，所有电流总和等于流出节点的电流电压降的代数和为零这一定总和这一定律基于电荷守恒律基于能量守恒定律，表明电定律，表明电荷不能在节点处场是保守场对于任何闭合回积累对于任何节点，可以写路，可以写成∑V=0这意成∑I_in=∑I_out或∑I=0味着沿着闭合回路一周，电势（流入为正，流出为负）必须回到其起始值3应用意义基尔霍夫定律是电路分析的基础工具，可以用来解决任何线性电路的电流和电压分布问题它们适用于直流电路和交流电路的瞬时值分析，是电路理论的基本法则电电路分析方法支路流法确定参考方向1为每个支路电流指定参考方向应用KCL2在独立节点处列出电流方程应用KVL3在独立回路中列出电压方程求解方程组4解出所有支路的电流值支路电流法是一种基本的电路分析方法，它以各支路中的电流作为未知量在n个节点、b个支路的电路中，需要求解b个未知的支路电流可以通过n-1个独立的节点方程和b-n+1个独立的回路方程来确定这些未知电流支路电流法适用于任何线性电路，但在复杂电路中可能导致大量的联立方程，计算过程较为繁琐在这种情况下，可以考虑使用网孔电流法或节点电压法来简化分析过程电电路分析方法网孔流法电义优势网孔流定网孔方程建立方法网孔电流是指沿着电路中闭合回路（网孔）对每个网孔应用基尔霍夫电压定律KVL，网孔电流法适合用于求解环路较少的电路假想的环形电流每个网孔被指定一个环绕列出网孔方程对于包含b个支路、n个节与支路电流法相比，网孔电流法通常需要求整个网孔的电流，这些电流成为求解的未知点的平面电路，需要建立b-n+1个独立网孔解的未知量和方程数较少，特别是对于环路量实际支路电流等于流经该支路的各网孔方程非平面电路不适合使用网孔电流法分较少而节点较多的电路尤为有效电流的代数和析电节电压路分析方法点法节点电压法是一种高效的电路分析方法，它以节点电压作为未知量首先选择一个参考节点（通常是接地点），然后确定其他节点相对于参考节点的电压对于n个节点的电路，需要求解n-1个未知节点电压对每个非参考节点应用基尔霍夫电流定律KCL，列出节点方程这些方程通常以电导（G=1/R）表示，形成更简洁的表达式节点电压法特别适合于分析节点较少而支路较多的电路，可以显著减少需要求解的方程数量叠加原理陈适应优势原理述用条件用在线性电路中，由多个独立电源产生的响叠加原理仅适用于线性电路线性电路是叠加原理可以将含有多个电源的复杂电路应（电流或电压）等于各电源单独作用时指由线性元件（如电阻、电容、电感）和分解为多个只含单一电源的简单电路问题，产生的响应的代数和应用叠加原理时，独立源组成的电路对于包含非线性元件逐一求解后叠加这种方法特别适合于分每次只考虑一个电源的作用，其余电源按（如二极管、晶体管）的电路，叠加原理析具有多个输入源的电路，如放大器和传其内阻处理理想电压源短路，理想电流不适用同时，功率和能量等非线性量也感器电路源开路不能使用叠加原理计算维宁诺顿戴定理和定理维宁诺顿两关戴定理定理者系任何含有线性元件和独立源的双端网络，任何含有线性元件和独立源的双端网络，戴维宁等效电路和诺顿等效电路可以相互对外部电路而言，可以等效为一个理想电对外部电路而言，可以等效为一个理想电转换RTH=RN，VTH=IN×RTH，IN=压源VTH和一个与之串联的等效电阻RTH流源IN和一个与之并联的等效电阻RN等VTH/RTH这两种等效电路在外部负载等效电压VTH等于开路电压，等效电阻效电流IN等于短路电流，等效电阻RN等于相同的情况下，提供完全相同的电流和电RTH等于所有独立源置零后在端口处测得所有独立源置零后在端口处测得的电阻压的电阻传输最大功率定理负载电阻Ω功率W最大功率传输定理指出，当负载电阻等于源的内阻时，电源向负载传递的功率达到最大值这一定理可以通过戴维宁等效电路来理解对于内阻为RTH的电压源VTH，当负载电阻RL=RTH时，负载获得的功率最大最大功率传输条件下，负载和内阻各消耗一半的总功率，因此系统效率仅为50%在实际应用中，电力传输系统通常追求高效率而非最大功率传输，而音频和通信系统则更重视最大功率传输场电应第三章磁与磁感1磁场基础2电磁感应介绍磁场的基本概念及描述方讲解法拉第电磁感应定律和楞法，如磁力线和磁感应强度次定律，阐述感应电动势的产探讨电流与磁场的相互关系，生原理和方向判断方法分析以及毕奥-萨伐尔定律和安培环电磁感应在发电和电力传输中路定理的应用的应用3电感与磁路介绍自感、互感和磁路的基本概念讨论电感元件的特性及其在电路中的作用，以及磁路分析方法在电气设备设计中的应用场磁的基本概念场质线电场磁的本磁力流与磁磁场是运动电荷或变化磁力线是描述磁场的图电流是磁场的源通电电场在空间中产生的一示方法，它的切线方向导线周围存在环形磁场，种特殊状态磁场可以表示磁感应强度的方向其方向可用右手螺旋定用磁感应强度矢量B来描磁力线是闭合曲线，从则确定右手握导线，述，单位是特斯拉T磁体的N极出发，经外部大拇指指向电流方向，磁场是源于相对论效应空间进入S极磁力线的其余四指弯曲方向即为的电场的一种表现形式疏密程度表示磁场强弱磁场方向毕萨尔奥-伐定律1定律表述电流元IdL在空间点P处产生的磁感应强度dB与电流强度I、导线长度元dL成正比，与距离r的平方成反比，且dB的方向垂直于包含dL和r的平面表达式为dB=μ₀/4π×IdL×r/r³，其中μ₀是真空磁导率2应用场景毕奥-萨伐尔定律可用于计算各种电流分布产生的磁场例如，无限长直导线、圆环电流和螺线管等情况下的磁场计算在电磁学和电气工程中具有重要应用3矢量特性毕奥-萨伐尔定律中的磁感应强度是一个矢量量，其方向遵循右手规则右手的拇指指向电流方向，弯曲的手指指向磁感应强度的方向对于复杂电流分布，需要对各部分产生的磁场进行矢量叠加环安培路定理场强定理表述磁度H闭合回路上的磁场强度的线积分等于穿过该磁场强度H与磁感应强度B的关系为B=μH，回路的总电流乘以常数μ₀∮H·dl=∑I这其中μ是介质的磁导率H的单位是安/米一定理是磁场中的一个基本定律，类似于电A/m在真空或空气中，B=μ₀H，12场中的高斯定律μ₀=4π×10⁻⁷亨/米应实用例则安培右手螺旋定安培环路定理常用于计算具有高度对称性电43右手握住导线，大拇指指向电流方向，其余流分布产生的磁场，如直导线、螺线管和环四指弯曲的方向即为磁场的环绕方向这一形导线等它简化了许多复杂磁场问题的计定则帮助确定电流产生的磁场方向算磁通量和磁通密度1磁通量定义2磁通密度磁通量Φ表示穿过某一面积的磁磁通密度即磁感应强度B，表示力线数量，定义为磁感应强度B单位面积上的磁通量B=Φ/A，在面积上的面积分Φ=∫B·dA单位是特斯拉T，1T=磁通量的单位是韦伯Wb在1Wb/m²磁通密度是描述磁场均匀磁场和平面情况下，磁通强弱的物理量，也是矢量，其量Φ=B·A·cosθ，其中θ是B与方向定义为磁力线的切线方向面积法向量的夹角3磁通量守恒磁力线是闭合的，没有起点和终点因此，穿过任何闭合曲面的磁通量总和为零∮B·dA=0这表明磁荷（磁单极子）不存在，与电场中的电荷不同电应法拉第磁感定律定律表述在闭合回路中感应的电动势等于穿过该回路的磁通量的变化率ε=-dΦ/dt负号表示感应电动势的方向使得感应电流产生的磁场阻碍原磁通量的变化产生感应电动势的方式

1.磁场强度B随时间变化；

2.回路面积A随时间变化；

3.回路面法向量与B的夹角θ随时间变化；

4.以上三种情况的组合感应电动势的方向感应电动势的方向由楞次定律确定感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应的磁通量变化这是能量守恒原理在电磁感应中的体现应用实例电磁感应是发电机、变压器、电磁炉和感应电机等设备的工作原理基础它也是无线充电、RFID技术和磁共振成像的理论基础楞次定律实际应涡动定律表述用流制感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应的磁如果将N极磁铁靠近线圈，线圈中会产生感楞次定律解释了涡流制动现象当导体在磁通量变化这一定律补充了法拉第电磁感应应电流，使线圈的近侧也呈现N极，从而产场中运动时，会在导体内部产生环形感应电定律，帮助确定感应电动势和感应电流的方生排斥力，阻碍磁铁靠近相反，当磁铁远流（涡流）根据楞次定律，涡流产生的磁向离时，线圈近侧会呈现S极，产生吸引力，场会阻碍导体的运动，从而起到制动作用阻碍磁铁远离自感和互感电自感感元件互感当线圈中的电流发生变化时，线圈本身会电感器是利用自感原理设计的元件，它储当两个线圈靠近时，一个线圈中电流的变产生感应电动势，这种现象称为自感自存磁场能量电感器中储存的能量W=化会在另一个线圈中感应出电动势，这种感系数L定义为磁通量Φ与电流I的比值L1/2LI²电感器对直流电流没有阻碍作用，现象称为互感互感系数M定义为M==Φ/I，单位是亨利H自感电动势ε=-但对交流电流有阻抗作用，这种阻抗与交Φ₂₁/I₁，单位也是亨利H互感电动L·dI/dt，表明电流变化越快，感应电动势流电频率成正比势ε₂=-M·dI₁/dt互感是变压器工作越大的基本原理磁路分析磁路概念磁路是磁力线构成的闭合回路类似于电路分析，磁路分析将复杂的磁场问题简化为等效的磁路问题磁路可以包含各种磁性材料，如铁芯、空气隙等，每种材料都有不同的磁导率磁路基本参数磁动势F=NI（安培匝），类似于电压源；磁通Φ（韦伯），类似于电流；磁阻R=l/μA（1/亨利），类似于电阻其中l是磁路长度，A是横截面积，μ是磁导率磁路欧姆定律磁通Φ=F/R，即磁通等于磁动势除以磁阻与电路的欧姆定律I=V/R相对应对于复杂磁路，可以应用类似于电路分析的串并联规则非线性特性与电路不同，铁磁材料的磁导率μ不是常数，而是B的函数，表现出非线性特性铁磁材料的B-H曲线显示了饱和效应，需要在磁路设计中考虑电第四章交流路1交流电基础介绍正弦交流电的基本概念和表示方法，包括频率、周期、相位和有效值等讲解相量表示法在交流电分析中的应用2基本元件响应分析电阻、电感和电容在交流电路中的特性，阐述阻抗和导纳的概念讨论RLC串联和并联电路的特性3功率与谐振介绍交流电路中的功率因数及其改善方法探讨谐振电路的特性及应用，包括串联谐振和并联谐振4三相系统讲解三相交流电的原理、特点及应用，包括三相负载的星形和三角形连接方式分析三相系统的功率计算电正弦交流的基本概念时间ms电压V正弦交流电是一种随时间按正弦规律变化的电流或电压，表示为vt=Vmsinωt+φ或it=Imsinωt+φ其中Vm或Im是振幅，ω=2πf是角频率，f是频率，φ是初相位交流电的周期T=1/f，表示电流或电压完成一次完整变化所需的时间交流电的有效值（均方根值）定义为Vrms=Vm/√2≈

0.707Vm，表示产生相同热效应的直流电值中国的电网供电为220V/50Hz相量表示法义运应实相量的定相量算用例相量是用于表示正弦量的旋转矢量，可以用相量可以进行代数运算，包括加减乘除同在交流电路分析中，电压、电流和阻抗都可复数表示对于正弦量vt=Vmsinωt+φ，频率正弦量的和差可以转化为相应相量的和以用相量表示通过相量图可以直观地显示其相量表示为V=Vme^jφ或V=Vm∠φ差这使得交流电路的分析可以像直流电路这些量之间的相位关系例如，在RL电路中，相量的模值为正弦量的振幅，辐角为初相位一样简单，无需求解微分方程，极大地简化电压相量超前于电流相量；在RC电路中，了计算电流相量超前于电压相量电电电电交流路中的阻、感和容1电阻元件2电感元件3电容元件在电阻元件中，电压与电流同相位，在电感元件中，电压超前电流90°，在电容元件中，电流超前电压90°，关系为V=RI电阻的阻抗ZR=R，关系为V=jωLI电感的阻抗ZL=关系为I=jωCV电容的阻抗ZC=是一个实数电阻只消耗有功功率，jωL，是一个虚数电感储存磁场能1/jωC，是一个虚数电容储存电不存储能量电阻对所有频率的交流量，消耗无功功率电感对高频交流场能量，消耗无功功率电容对低频电都有相同的阻碍作用电的阻碍作用较大，对低频交流电的交流电的阻碍作用较大，对高频交流阻碍作用较小电的阻碍作用较小联电RLC串路电路特性阻抗三角形1由电阻R、电感L和电容C串联组成，总阻抗阻抗可表示为Z=|Z|∠θ，其中|Z|=√R²+ωL-Z=R+jωL-1/ωC21/ωC²，θ=arctanωL-1/ωC/R品质因数谐振条件4Q=ωL/R=1/ωCR，表示电路的选择性，Q越大，当ωL=1/ωC时，电路达到谐振，此时阻抗最小，3谐振曲线越尖锐等于R在RLC串联电路中，电流对所有元件都是相同的，但各元件上的电压大小和相位不同电阻上的电压与电流同相位，电感上的电压超前电流90°，电容上的电压滞后电流90°总电压是各元件电压的相量和，而不是简单的代数和RLC串联电路的频率响应显示了低通、高通或带通特性，取决于电路参数在谐振频率处，电路呈现纯电阻特性，电感和电容的电压可能远大于总电压，形成电压放大效应联电RLC并路RLC并联电路由电阻R、电感L和电容C并联组成与串联电路不同，并联电路中各元件上的电压相同，但电流不同总导纳Y=1/Z=1/R+1/jωL+jωC，其中1/R是电导，1/jωL是感抗导纳，jωC是容抗导纳当满足条件ωL=1/ωC时，电路达到并联谐振此时，总导纳最小，总阻抗最大，等于R并联谐振电路对外表现为纯电阻特性，感抗电流和容抗电流相等但方向相反，形成电流放大效应并联谐振电路通常用于选频电路，如收音机的调谐电路功率因数义功率三角形功率因数定功率因数的改善在交流电路中，存在三种功率有功功率P功率因数cosφ定义为有功功率与视在功率低功率因数（尤其是感性负载）会导致电网（单位W），表示实际消耗的功率；无功功之比cosφ=P/S它等于阻抗角的余弦，传输损耗增加、电压降低和设备利用率下降率Q（单位var），表示在电感和电容中交表示电路中有功功率的比例功率因数的范可以通过并联适当的电容器来提高功率因数，换的功率；视在功率S（单位VA），是有功围是0到1，越接近1表示电路的能量利用效这种方法称为无功功率补偿中国规定工业功率和无功功率的矢量和，S=√P²+Q²率越高用电的功率因数不得低于

0.9谐电振路联谐联谐谐电应串振并振振路用串联RLC电路在谐振频率ω₀=1/√LC时，并联RLC电路在谐振频率ω₀=1/√LC时，谐振电路广泛应用于通信系统中，用于信呈现纯电阻特性，阻抗最小此时，电路同样呈现纯电阻特性，但阻抗最大此时，号的选频、滤波和放大如收音机的调谐的频率响应曲线在谐振频率处达到峰值，频率响应曲线在谐振频率处达到谷值，形电路、电视接收机的选频电路等谐振电形成电压放大效应品质因数Q=ω₀L/R，成电流放大效应并联谐振电路的品质因路还用于功率变换系统，如逆变器、谐振表示谐振的锐度，Q越大，谐振曲线越尖数Q=R/ω₀L，表示谐振的锐度，但含义变换器等，以提高能量转换效率锐，选择性越好与串联谐振相反电三相交流路电连三相源星形接由三个幅值相等、相位互差120°的正弦电三相负载的一种连接方式，三个负载一端压源组成可表示为uA=Umsinωt，连在一起形成中性点，另一端分别连接到uB=Umsinωt-120°，uC=Umsinωt-12三相电源在对称负载时，线电压与相电240°三相电源可以由同步发电机产生压关系为UL=√3UP，线电流等于相电流IL=IP连三角形接三相功率三相负载的另一种连接方式，三个负载首对称三相系统的总功率为三个相功率之和尾相连形成闭合三角形，每个负载连接在43P=3·UP·IP·cosφ，对于星形连接可以表示两相线之间在对称负载时，线电压等于为P=√3·UL·IL·cosφ三相系统的功率是相电压UL=UP，线电流与相电流关系为恒定的，不随时间波动IL=√3IP变压第五章器变压基本原理特性分析特殊器介绍变压器的工作原理，区分理想变压器和实际介绍自耦变压器的工作探讨电磁感应和互感在变压器的差异讨论变原理和特点，比较自耦变压器中的应用讲解压器的等效电路模型，变压器与普通变压器的变压器的结构特点及不分析变压器的损耗来源异同探讨特殊用途变同类型的变压器和效率计算方法压器的应用场景变压器的工作原理电应变压结构变关磁感原理器比系变压器基于法拉第电磁感应定律工作当变压器主要由初级线圈、次级线圈和磁芯变压器的电压比等于匝数比初级线圈通入交流电流时，铁芯中产生交组成线圈通常由绝缘铜线绕制而成，磁V₂/V₁=N₂/N₁在理想变压器中，根变磁通这个交变磁通穿过次级线圈，在芯则由高磁导率材料（如硅钢片）叠装而据能量守恒，电流比与匝数比成反比次级线圈中感应出电动势初级和次级线成，以提供良好的磁通路径为减小涡流I₂/I₁=N₁/N₂这种关系使变压器能够圈通过磁通的耦合实现能量传递损耗，磁芯通常做成薄片层叠结构实现电压的升高或降低，以满足不同的用电需求变压理想器变压义变压关理想器的定理想器的系式理想变压器是一种理论模型，具有电压比等于匝数比以下特性无损耗，即无铜损和铁V₂/V₁=N₂/N₁；电流比与匝损；磁漏为零，即所有磁通都通过数比成反比I₂/I₁=N₁/N₂；磁芯，初级和次级线圈完全耦合；阻抗变换关系无励磁电流，即不需要额外电流来Z₂=N₂/N₁²·Z₁，即次级阻抗建立磁场；绕组电阻为零在初级侧的等效值与匝数比的平方成正比变压理想器的功率理想变压器的输入功率等于输出功率P₁=P₂，即V₁·I₁=V₂·I₂理想变压器不消耗能量，只改变电压和电流的大小，实现电能传输和阻抗匹配实际变压器1铁损铁损是指磁芯中的损耗，主要包括磁滞损耗和涡流损耗磁滞损耗是由磁畴的重排和摩擦引起的，与磁通密度和频率有关涡流损耗是由于磁芯中感应出的环形电流而产生的，与磁通密度、频率和磁芯片厚度有关2铜损铜损是指线圈绕组中的电阻损耗，即I²R损耗这种损耗与电流的平方成正比，与绕组的电阻有关铜损会导致变压器温度升高，降低效率为减小铜损，通常使用大截面的导线和减小绕组长度3漏磁通漏磁通是指不能同时穿过初级和次级线圈的磁通部分它导致初级和次级线圈的耦合不完全，表现为漏感抗漏磁通会降低变压器的效率和调压性能为减小漏磁通，可以改进变压器的结构设计，如交替绕制初级和次级线圈4励磁电流励磁电流是在初级线圈中流动、用于在磁芯中建立交变磁场的电流成分它由激磁电流（产生磁滞损耗）和无功电流（与铁芯中的磁能存储有关）组成在无负载或轻负载时，励磁电流是初级电流的主要成分变压电器的等效路变压器的等效电路是分析实际变压器性能的重要工具完整的等效电路包括初级和次级绕组电阻R₁和R₂，表示铜损；初级和次级漏抗X₁和X₂，表示漏磁通的影响；励磁支路，包括铁芯损耗电阻Rc和励磁电抗Xm，分别表示铁损和建立磁场所需的磁化电流为了简化分析，通常将次级参数折算到初级侧或将初级参数折算到次级侧，形成参考等效电路折算规则为电阻和电抗按匝数比的平方变换，电流按匝数比的倒数变换，电压按匝数比变换这样可以消除理想变压器环节，简化计算变压损器的耗和效率铜损磁滞损耗涡流损耗漏磁损耗其他损耗变压器的总损耗包括铁损和铜损铁损（磁滞损耗和涡流损耗）与负载关系不大，近似为恒定值铜损（I²R损耗）与负载电流的平方成正比，随负载增加而显著增加变压器的效率定义为输出功率与输入功率之比η=Pout/Pin=Pin-Ploss/Pin变压器效率最大的条件是铜损等于铁损，此时效率为ηmax=1-√PFe/Prated大型电力变压器的效率通常在98%以上，而小型变压器的效率较低变压器的效率受负载因数影响，通常在额定负载时效率最高变压自耦器1单绕组结构自耦变压器只有一个绕组，初级和次级共用部分绕组，通过抽头分开40%铜材节省与双绕组变压器相比，自耦变压器可节省显著铜材，特别是变比接近1时3%阻抗降低自耦变压器的等效阻抗较低，电压调整率较好，但短路电流较大0电气隔离初级和次级电气连接，无电气隔离，这限制了某些应用场景自耦变压器因其结构简单、成本低而在许多场合得到应用它特别适用于需要小范围调压的场合，如电压调整器、启动自耦变压器和阻抗匹配变压器等相比双绕组变压器，自耦变压器体积更小、损耗更低、效率更高电动发电第六章机与机电直流机探讨直流电机的基本工作原理，包括电枢反应、换向器作用和励磁方式分析直流电机的转矩-转速特性及其应用场景电交流机讲解交流电机的基本工作原理，包括旋转磁场的形成及其作用区分同步电机和异步电机的工作特点和性能参数电同步机介绍同步电机的结构、工作原理和特性曲线讨论同步电机的起动方法、调速技术以及在电力系统中的应用电异步机阐述异步电机（感应电机）的结构、工作原理和转差率概念分析异步电机的转矩特性、效率和功率因数发电机原理介绍发电机的基本工作原理，包括电磁感应在发电中的应用比较不同类型发电机的特点和适用场合电直流机的工作原理电磁力原理电枢结构1载流导体在磁场中受力，力的方向由左手定则确电枢绕组位于转子上，通过换向器与电源连接定2励磁系统换向器作用4在定子上产生稳定磁场，可采用永磁体或电磁铁保证电枢导体中电流方向固定，维持转矩方向不3变直流电机的基本结构包括定子和转子两部分定子提供磁场，可以是永磁体或由励磁绕组产生的电磁场转子（电枢）上的导体在通电后，在磁场作用下产生力，导致转子旋转根据洛伦兹力定律，力的大小为F=BIL，其中B是磁感应强度，I是电流，L是导体长度换向器是直流电机的关键部件，它随转子旋转，与固定的电刷接触，实现对电枢绕组通电方向的周期性转换这种转换确保了电枢导体在不同位置时，产生的力始终使转子沿同一方向旋转，从而产生持续的转矩电直流机的特性负载电流A转速rpm转矩N·m直流电机的特性主要包括转矩-电流特性和转速-电流特性转矩与电枢电流近似成正比T=KT·Ia，其中KT是转矩常数，与磁场强度和电机结构相关电机的反电动势与转速成正比E=KE·ω，其中KE是反电动势常数根据励磁方式，直流电机可分为他励、并励、串励和复励四种类型，每种类型具有不同的特性曲线他励和并励电机的转速随负载增加而略有下降，稳定性好；串励电机的转速随负载显著下降，适合需要大起动转矩的场合；复励电机结合了并励和串励的特点，可根据要求调整特性电交流机的工作原理转场电结构转产旋磁原理交流机矩生机制交流电机的工作基于旋转磁场原理当三相交流电机主要由定子和转子组成定子上有在同步电机中，转矩来自定子旋转磁场与转绕组（空间相差120°）通入三相交流电（时分布绕组，用于产生旋转磁场转子结构根子磁极间的磁场相互作用；在异步电机中，间相差120°）时，会产生恒定幅值的旋转磁据电机类型不同而异同步电机使用有明显旋转磁场切割转子导体产生感应电流，感应场旋转磁场的转速称为同步转速，ns=磁极的转子或电磁铁；异步电机则使用鼠笼电流与磁场相互作用产生转矩，遵循左手定60f/p，其中f是频率，p是极对数式或绕线式转子则电同步机电义电电应同步机的定同步机的特点同步机的用同步电机是一种转子转速与磁场旋转速度同步电机转速恒定，与负载无关，只由电大型同步电机用于需要恒定转速的场合，完全相同（同步）的交流电机其定子绕源频率和极对数决定它可以通过调节励如发电厂的发电机、大型压缩机和泵等组通入交流电，产生旋转磁场；转子可以磁电流来调节功率因数，甚至可以运行在小型同步电机用于精密控制，如时钟、计是永磁体或通入直流电的电磁铁，产生恒超前功率因数状态，用于无功功率补偿时器和伺服系统特别地，无刷直流电机定磁场两个磁场的相互作用产生转矩，同步电机效率高，但起动困难，需要辅助实际上是永磁同步电机配合电子换向装置使转子旋转起动装置组成的系统电异步机高效运行1在额定工况下的效率可达85%-95%调速控制2通过变频技术实现宽范围、高效率调速转子类型3鼠笼式结构简单可靠，绕线式便于调节性能转差率原理4s=n₁-n₂/n₁，表示转子落后磁场的程度感应工作原理5基于法拉第感应定律和楞次定律产生转矩异步电机（感应电机）是最常用的电机类型，结构简单、坚固耐用、维护成本低它的转子转速始终小于同步转速，两者的差异用转差率s表示转差率通常在满载时为2%-8%异步电机的转矩与转差率和转子电流的平方成正比，因此在起动时具有较大的转矩异步电机的特性曲线呈鞍形，起动转矩适中，最大转矩出现在接近额定转速处电机的性能由转矩系数、最大转矩和起动转矩等参数表征现代异步电机通常采用变频调速技术，可以在宽广的转速范围内保持高效率运行发电机的基本原理电磁感应基础1基于法拉第电磁感应定律，导体切割磁力线产生电动势机械能转换2外力带动转子旋转，将机械能转化为电能磁场建立3转子或定子上的磁场可由永磁体或电磁线圈提供输出电压形式4根据设计和整流方式，可输出直流或交流电发电机是将机械能转换为电能的装置，其工作基于法拉第电磁感应定律当导体在磁场中运动或磁场相对于导体变化时，导体中会感应出电动势感应电动势的大小与磁感应强度、导体长度和切割磁力线的速度成正比发电机的基本结构包括定子和转子在直流发电机中，磁场通常位于定子，电枢线圈位于转子，并通过换向器将感应的交流电转换为直流输出在交流发电机中，磁场通常位于转子，电枢线圈位于定子，直接输出交流电，无需换向器电统础第七章力系基电力系统是一个由发电、输电、配电和用电环节组成的复杂网络，旨在高效、可靠地将电能从发电厂输送到各类用户现代电力系统面临着提高能源利用效率、整合可再生能源、保障供电可靠性和实现智能化管理等多重挑战本章将介绍电力系统的基本组成部分，探讨电力传输的原理和技术，阐述配电系统的结构和特点我们还将讨论电力系统稳定性的概念和分析方法，介绍电力系统保护的基本原理和设备，并展望智能电网技术的发展趋势及其对未来电力系统的影响电统组力系的成发电系统发电系统负责将一次能源（如煤炭、水力、核能、风能、太阳能等）转换为电能主要包括各类发电厂及其辅助设施，如火力发电厂、水力发电厂、核电站、风电场和太阳能电站等每种发电方式都有其特定的技术特点、成本结构和环境影响输电系统输电系统负责将大容量电能从发电厂传输到负荷中心附近它包括高压和超高压输电线路、变电站、变压器和各种控制设备输电系统通常采用三相交流系统，电压等级从110kV到1000kV不等，某些特殊场合也使用高压直流输电技术配电系统配电系统将电能从输电系统接收点分配到各个终端用户它包括中压配电线路（10kV-35kV）、配电变压器、低压配电线路（380V/220V）和各种保护设备配电系统直接面向用户，需要考虑供电可靠性、电能质量和经济性等多方面因素用电系统用电系统是电能的最终消费环节，包括工业、商业、住宅和农业等各类用户的用电设备和线路现代用电系统越来越注重能效管理、需求侧响应和分布式能源的整合，用户也逐渐从被动的电能消费者转变为能源的生产者和消费者（即产消者）电传输力压输电输电术输电线结构高原理直流技路高压输电是降低输电损耗的关键技术电力高压直流输电HVDC在某些场合具有优势输电线路主要由导线、绝缘子、杆塔和基础损耗与电流的平方成正比（P=I²R），而电超长距离输电（600km）损耗更低；异步组成导线通常使用铝导线钢芯结构流与电压成反比（对于恒定功率P=UI）因电网互联无需考虑频率同步问题；海底电缆ACSR，兼具强度和导电性；绝缘子用于此，提高电压可以显著降低电流，从而减少输电可避免交流系统的电容效应；系统控制支持导线并提供电气隔离；杆塔承担机械载线路损耗例如，将电压提高10倍，损耗可灵活，有利于提高电网稳定性但HVDC系荷并保持导线间距；基础确保杆塔稳固线降低100倍统需要昂贵的转换设备路设计需考虑电气、机械和环境因素电统配系电变压配器电扑结构配网拓配电变压器是配电系统的关键设备，将中压电配电网常见的拓扑结构包括放射状（树状）、能转换为低压供用户使用根据安装位置分为环状和网状结构放射状结构简单经济但可靠杆上式和箱式；根据用途分为公用和专用；根12性较低；环状结构可提供备用供电路径，提高据冷却方式分为干式和油浸式容量通常从可靠性；网状结构冗余度高，可靠性最佳但成10kVA到2500kVA不等，是配电系统中的重本最高，通常用于城市核心区域要资产电动分布式能源接入配自化随着太阳能光伏、小型风电等分布式能源的发配电自动化系统DAS通过先进的测量、通信展，配电网正从传统的单向电力流转变为双向43和控制技术实现配电网的实时监控和自动化运电力流系统这带来新的技术挑战，如电压波行主要功能包括故障检测与隔离、供电恢复、动、保护配合和孤岛运行等问题，需要新的控负载平衡、电压调节和远程操作等，有效提高制策略和技术解决方案供电可靠性和运行效率电统稳力系的定性1角度稳定性2电压稳定性角度稳定性关注同步发电机转子角电压稳定性是系统在扰动后维持所与系统之间的同步关系短期角度有母线电压在可接受范围的能力稳定性（暂态稳定性）关注严重扰电压不稳定可能导致电压崩溃，造动后数秒内的系统行为；长期角度成大面积停电电压稳定性问题通稳定性关注数十秒到数分钟内的缓常与负荷特性、发电机无功功率极慢变化保持角度稳定需要发电机限和输电线路无功功率传输能力有具有足够的同步力矩，能在扰动后关无功功率补偿设备（如电容器恢复同步运行组、静止无功补偿器SVC等）有助于维持电压稳定3频率稳定性频率稳定性是系统在大扰动后维持频率在可接受范围的能力，反映了系统有功功率平衡情况频率不稳定可能导致频率崩溃和大面积停电频率稳定性与发电机调速器特性、负荷对频率的响应及保护系统动作有关负荷切除方案（低频减载）是防止频率崩溃的重要手段电统护力系的保保护系统的基本原则继电保护装置断路器和熔断器保护协调电力系统保护的基本原则包括选择性、继电保护装置是电力系统保护的核心，断路器是隔离故障的主要执行设备，保护协调是确保各级保护装置按正确可靠性、灵敏性和速动性选择性确可根据保护原理分为电流保护、电压能在额定或故障电流下断开电路现顺序动作的过程，通常采用时间和电保只切除故障元件；可靠性要求保护保护、距离保护、差动保护等现代代断路器包括气体（SF₆）断路器、流定值配合实现主保护负责快速切系统在需要动作时一定动作；灵敏性继电保护大多采用微处理器技术，具真空断路器和少油断路器等熔断器除本区域故障，备用保护在主保护失要求能够检测到最小故障；速动性要有多种保护功能，可以实现复杂的逻是一种简单的过电流保护装置，通过灵时动作保护协调研究需要分析系求在最短时间内隔离故障辑判断和协调控制熔体熔断来断开电路，主要用于低压统短路电流、负荷电流和设备承受能配电系统力等因素电术智能网技先进计量基础设施配电自动化与微电网可再生能源整合先进计量基础设施AMI包括智能配电自动化系统通过实时监控和控智能电网技术支持大规模可再生能电表、通信网络和数据管理系统，制提高配电网可靠性和效率微电源接入，通过先进预测、储能系统支持双向通信和远程计量智能电网技术允许局部电网在与主网连接和需求响应等手段应对其间歇性和表可实时记录用电数据并远程传输，或孤岛模式下运行，提高系统灵活不确定性智能逆变器和电网友好支持分时电价和需求响应，为用户性和对关键负荷的供电可靠性，便型控制策略有助于维持系统稳定性提供更多用电信息和选择于整合分布式能源和储能系统和电能质量大数据与人工智能应用大数据技术用于收集、存储和分析电网海量数据，人工智能算法用于负荷预测、故障诊断、资产管理和电网优化运行这些技术可提高决策效率、预测性维护能力和系统整体性能课总结程与展望课程回顾1本课程系统介绍了电学的基本理论和应用，涵盖了电学基础、直流电路、磁场与电磁感应、交流电路、变压器、电机与发电机以及电力系统等内容通过学习这2知识应用些知识，您已经建立了对电气工程领域的基本认识电学知识在现代社会中有着广泛的应用，从消费电子到工业自动化，从能源生产到通信技术，电气工程渗透到我们生活的方方面面掌握这些基础知识将帮助您技术发展3理解和参与这些应用领域的发展电气工程技术正在快速发展，新材料、新器件和新理论不断涌现功率电子技术、可再生能源、智能电网、电动汽车和物联网等领域正在改变传统电气工程的面貌，4未来展望为行业注入新的活力随着低碳转型和数字化转型的推进，电气工程面临新的机遇和挑战可再生能源的大规模接入、储能技术的突破、人工智能在电力系统中的应用以及能源互联网的发展，将成为未来电气工程的重要研究方向。