电路的基本概念及定律.ppt

电工学 参考教材:电工学(秦曾煌) 电工学（唐介） 52学时理论教学12学时实验 直流电路：ch1 交流电路：ch2 动态电路：ch3 电动机： ch5 半导体：ch7 基本放大电路： ch8 集成运算放大电路 ：ch9 直流稳压电源： ch10 组合逻辑电路 ： ch11 时序逻辑电路： ch12 主要内容（主要内容（6464学时）学时） 学习方法 1 掌握基本概念、基本理论和基本的分析 方法 2 通过习题来巩固和加深所学理论 、培 养分析能力和运算能力 3 在实验中体会电学现象 考核方法 平时成绩占30% 考试成绩占70% 六、作业 1、作业写在活页纸上，不用作业本 2、作业请学习委员按学号排序 1-1 电路的作用、组成及电路模型 1-2 电路变量及电路的参考方向 1-3 理想电路元件 1-4 电路的状态 第1讲 电路的基本概念及定律 1-5 基尔霍夫定律 3 负载 电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工设备 或元件按一定方式组合起来的。 1 电源2 中间环节 1-1 1-1 电路的作用、组成及电路模型电路的作用、组成及电路模型 1.电能的传输与转换 电路的作用电路的作用 2.信号的传递与处理 发电机发电机 升压升压 变压器变压器 输电线 降压降压 变压器变压器 电灯电灯 电动机电动机 放放 大大 器器 话筒话筒 扬声器扬声器 其它形式的能量电能 电能其它形式的能量 连接电源和负载，传输、分配电能 电路的组成电路的组成 信号源负载 话筒把声音（信息）电信号 扬声器把电信号 声音（信息 ） 负载 电源 中间环节 发电机发电机 升压升压 变压器变压器 输电线 降压降压 变压器变压器 电灯电灯 电动机电动机 放 大 器 话筒话筒 扬声器扬声器 信号源负载 电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路的工作。 激激 励励 响响 应应 由激励在电路中产生的电压和电流称为响应 电路分析是在已知电路结构和参数的条件下，讨论 与 的关系 由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放 大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和 设备连接而成的电路，称为实际电路。 电阻器 电容器 线圈 电池 运算放大器 晶体管 电源 负载 连接导线 电路实体 S Us R 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。 理想电路元件 理想电源元件 理想无源元件 理 想 电 压 源 理 想 电 流 源 电 阻 R 电 感 L 电 容 C 1-2 1-2 电路变量及电路的参考方向电路变量及电路的参考方向 一、电流和电流的参考方向一、电流和电流的参考方向 电流的参考方向电流的参考方向 用箭头表示，如右图；用箭头表示，如右图； 如如 i iAB AB = 2 A = 2 A，说明参考方向与实际方向一致；说明参考方向与实际方向一致； 电流（又叫电流强度）电流（又叫电流强度） 单位时间内通过的电量，即：单位时间内通过的电量，即： 正电荷定向移动的方向为正电荷定向移动的方向为电流的实际方向电流的实际方向。 用双下标表示，如用双下标表示，如 i iAB AB i i ABAB = -2 A = -2 A，说明参考方向与实际方向相反。说明参考方向与实际方向相反。 二、电压和电压的参考方向二、电压和电压的参考方向 电压的参考方向电压的参考方向 用箭头表示用箭头表示； 如如 u uAB AB = 2 V = 2 V，说明参考方向与实际方向一致；说明参考方向与实际方向一致； 电压的实际方向电压的实际方向：高电位指向低电位。：高电位指向低电位。 电压电压 单位正电荷在电场力的作用下从单位正电荷在电场力的作用下从A A点到点到B B点电场力所做的点电场力所做的 功为功为ABAB两点之间的电压，即：两点之间的电压，即： u uAB AB = -2 V = -2 V，说明参考方向与实际方向相反说明参考方向与实际方向相反。 。 用双下标，如用双下标，如 u uAB AB； ；用正负符号用正负符号。 。 三、关联参考方向三、关联参考方向 注意：在电路分析中，没有特别说明，电压和电流一般为关注意：在电路分析中，没有特别说明，电压和电流一般为关 联参考方向。联参考方向。 在电路分析中，对一个元件既要假设通过它的电流参考在电路分析中，对一个元件既要假设通过它的电流参考 方向，又要假设该元件两端电压的参考极性，两个都可任意方向，又要假设该元件两端电压的参考极性，两个都可任意 假定，而且独立无关。假定，而且独立无关。 当电压和电流的参考方向一致时，称当电压和电流的参考方向一致时，称 电压和电流为电压和电流为关联参考方向关联参考方向； 相反，当电压和电流的参考方相反，当电压和电流的参考方 向相反时，称电压和电流为向相反时，称电压和电流为非关联参考方向非关联参考方向。 四、能量四、能量 电压单位为伏特（电压单位为伏特（V V），），电流单位为安培（电流单位为安培（A A），），则能则能 量单位为焦耳（量单位为焦耳（J J）。）。 根据电压定律，从根据电压定律，从t t 0 0 到到t t的时间内元件吸收的能量的时间内元件吸收的能量WW求得为求得为 ： 五、功率五、功率 电压单位为伏特（电压单位为伏特（V V），），电流单位为安培（电流单位为安培（A A），），则功则功 率单位为瓦特（率单位为瓦特（WW）。）。 在电压和电流为关联参考方向下在电压和电流为关联参考方向下 功率是单位时间内所做的功，即：功率是单位时间内所做的功，即： 乘积乘积“ “uiui” ”表示元件吸收功率，即：表示元件吸收功率，即： p p00，表示该元件吸收功率；表示该元件吸收功率； p p 在电压和电流为非关联参考方向下在电压和电流为非关联参考方向下 u u=3V=3V P P 负载负载=3V*2A=6W =3V*2A=6W（吸收功率）吸收功率） P P 电源电源=3V*2A=6W =3V*2A=6W（发出功率）发出功率） u u= -3V= -3V P P 负载负载= -3V*2A= -6W = -3V*2A= -6W（吸收功率吸收功率 ） 乘积乘积“ “uiui” ”表示元件发出功率，即：表示元件发出功率，即： p p00，表示该元件发出功率；表示该元件发出功率；p p 在关联参考方向下在关联参考方向下 p p= =uiui= =i i 2 2 R R00，吸收电能，说明电阻是一个无源元件。吸收电能，说明电阻是一个无源元件。 在非关联参考方向下在非关联参考方向下 p p= =uiui= -= -i i 2 2 R R 开路开路 无论电流无论电流i i为多大，为多大，u u=0A=0A，则电阻则电阻R R相当于零，等效为短路。相当于零，等效为短路。 短路短路 1.3.2 1.3.2 电容元件电容元件 一、线性电容（简称电容）一、线性电容（简称电容） 电容符号为：电容符号为： 则电容电压与所带电荷之间满足：则电容电压与所带电荷之间满足： 式中式中C C是电容元件的参数，称为电容。是电容元件的参数，称为电容。C C是一个正实常数。当电压单是一个正实常数。当电压单 位为伏特位为伏特，电荷单位为库仑（电荷单位为库仑（C C），），则电容单位为则电容单位为法拉法拉（F F）。）。 1 1m mF=10F=10-6 -6 F F， 1pF=10 1pF=10-12 -12 F F 。 二、库二、库伏特性伏特性 电容元件两端的电荷和电压的的关系曲线。电容元件两端的电荷和电压的的关系曲线。 三、电压与电流的关系三、电压与电流的关系 微分关系微分关系 积分关系积分关系 电容的特性电容的特性 在直流电路中，电容元件处相当于开路；在直流电路中，电容元件处相当于开路； 电容元件具有电容元件具有“ “记忆记忆” ”功能（从积分关系来看）；功能（从积分关系来看）； 四、电容吸收的能量四、电容吸收的能量 从从t t 0 0 到到t t的时间内，电容元件吸收的能量的时间内，电容元件吸收的能量WW C C 求得为：求得为： WW C C 00，充电，以电场能量的形式储存；充电，以电场能量的形式储存； WW C C 微分关系微分关系 积分关系积分关系 电感的特性电感的特性 在直流电路中，电感元件处相当于短路；在直流电路中，电感元件处相当于短路； 电感元件具有电感元件具有“ “记忆记忆” ”功能（从积分关系来看）；功能（从积分关系来看）； 四、电感吸收的能量四、电感吸收的能量 从从t t 0 0 到到t t的时间内，电容元件吸收的能量的时间内，电容元件吸收的能量WW L L 求得为：求得为： WW L L 00，充磁，充磁，以磁场能量的形式储存；以磁场能量的形式储存； WW L L 电压源的特点电压源的特点 电压源两端电压与外接电路无关；电压源两端电压与外接电路无关； 流过电压源的电流与外电路有关。流过电压源的电流与外电路有关。 R R不同，不同，i i不同。不同。 电压源的性质电压源的性质 如果一个电压源的电压如果一个电压源的电压u u S S =0=0，则此电压源的伏安特性为则此电压源的伏安特性为u u i i平面上的电流轴，此电压源在电路中相当于短路。平面上的电流轴，此电压源在电路中相当于短路。 电压源的工作状态电压源的工作状态 电压源电压源u uS1 S1工作在电源状态； 工作在电源状态； 电压源电压源u uS2 S2工作在负载状态。 工作在负载状态。 二、电流源二、电流源 电流源电流源符号为：符号为： 电流源的特点电流源的特点 电流源电流与外接电路无关；电流源电流与外接电路无关； 电流源两端的电压与外电路有关。电流源两端的电压与外电路有关。 R R不同，不同，u u不同。不同。 电流源的性质电流源的性质 如果一个电流源的电流如果一个电流源的电流i i S S =0=0，则此电流源的伏安特性为则此电流源的伏安特性为u u i i平面上的电压轴，此电流源在电路中相当于开路。平面上的电压轴，此电流源在电路中相当于开路。 电流源的工作状态电流源的工作状态 电流源电流源i iS1 S1工作在电源状态； 工作在电源状态； 电流源电流源i iS2 S2工作在负载状态。 工作在负载状态。 三、独立电源三、独立电源 电压源和电流源，它们不受外界电路的影响，作为电电压源和电流源，它们不受外界电路的影响，作为电 源或输入信号时，在电路中起源或输入信号时，在电路中起“激励激励”作用，在电路作用，在电路 中产生相应的电流和电压，这些电压和电流便是中产生相应的电流和电压，这些电压和电流便是“响响 应应”，而这类激励叫独立电源。，而这类激励叫独立电源。 1.3.5 1.3.5 受控电源受控电源 受控源又称为受控源又称为“非独立非独立”电源。受控电压源的电压和电源。受控电压源的电压和 受控电流源的电流都不是给定的时间函数，而是受电受控电流源的电流都不是给定的时间函数，而是受电 路中某一部分的电流或电压的控制。如：路中某一部分的电流或电压的控制。如： 受控源分为四类，分别如下图所示：受控源分为四类，分别如下图所示： 电压控制电压源（电压控制电压源（VCVSVCVS ） 电压控制电流源（电压控制电流源（VCCSVCCS ） 电流控制电压源（电流控制电压源（CCVSCCVS ） 电流控制电流源（电流控制电流源（CCCSCCCS ） 1 1 分类分类- 4- 4类类 3 3 控制量控制量-其他支路中的其他支路中的u u or or i i 4 4 控制系数控制系数 受控源为四端元件. 其输出电压或电流均受其他支路 电流与电压的控制, 故为非独立电源,或称受控源.它不能 在电路中产生响应,它不是激励源. 注意注意: : (1) (1) 受控源与独立电源之区别受控源与独立电源之区别; ; (2) (2) 受控源仍有存在的价值受控源仍有存在的价值. . 2 2 符号符号- - 棱形框棱形框 1-4 电路的状态 E I U 1电压与电流 R0 R a b c d R + R0 I = E E R0I 电源的外特性曲线 当 R0 元件本身电压和电流的约束，如欧姆定律，简称元件本身电压和电流的约束，如欧姆定律，简称VCRVCR； 支路电压之间或支路电流之间满足的约束关系，简称支路电压之间或支路电流之间满足的约束关系，简称“ “拓拓 扑扑” ”关系，这类约束用基尔霍夫定律来表达。关系，这类约束用基尔霍夫定律来表达。 二、二、基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCLKCL） 定律内容定律内容 在集总电路中，在任何时刻，对任一结点，所有流出在集总电路中，在任何时刻，对任一结点，所有流出 结点的支路电流的代数和恒等于零，即：结点的支路电流的代数和恒等于零，即： 对任一结点：对任一结点：（代数和）代数和） 规定：流出结点的电流前面为规定：流出结点的电流前面为“+ +”；流入结点的电流；流入结点的电流 前面为前面为“- -”。 流入和流出都是相对于参考方向而言流入和流出都是相对于参考方向而言 。 KCLKCL的推广的推广 在集总电路中，在任何时刻，通过任何一个闭合面（在集总电路中，在任何时刻，通过任何一个闭合面（ 广义结点）的电流代数和恒等于零。广义结点）的电流代数和恒等于零。 KCLKCL的实质的实质 流入结点的电流等于流出结点的电流。流入结点的电流等于流出结点的电流。 例例1 1：若：若I I 1 1 =9A=9A， I I 2 2 = 2A= 2A， I I 4 4 =8A=8A。 求：求： I I 3 3 0 9 I38 2（） KCLKCL 电流的参考方向电流的参考方向 与实际方向相反与实际方向相反 I1 I2 I3 I4 I1I2+ I3 + I4=0 三、基尔霍夫电压定律三、基尔霍夫电