电路基础1

1,电路基础,主讲教师 李老师,2,课程介绍: 总学时4 /15/60学时,主要学习内容:直流电路 交流电路暂态电路磁路,3,课程要求,上课关键 笔记加强记忆 小结逻辑思维线 作业练习与拓宽 实验实践与技能,第1章 电路的基本概念和定律,1.1电路和电路模型 1.2电流、 电压及其参考方向 1.3电功率与电能 1.4电 阻元件 1.5电压源和电流源 1.6基尔霍夫定律 1.7电路中电位、电压的计算 小结,5,1.1 电路和电路模型,1. 电路的定义及功能电路是电流的流通的路径。电路的基本功能是实现电能的传输和分配或者电信号的产生、 传输、 处理加工及利用。 2. 对实际电路元件理想化的意义为了分析电路方便起见， 在一定条件下对实际电路元(器)件加以近似化， 用一些以表示实际电路元(器)件主要物理性质的模型来代替实际电路元(器)件。 构成模型的元(器)件称为理想电路元件。 3. 三种理想电路元件常用的三种最基本的理想元件是：电阻元件 、电容元件、电感元件。,4. 电路模型与电路图所谓电路模型，就是把实际电路的本质抽象出来所构成的理想化了的电路。将电路模型用规定的理想元件符号画在平面上形成的图形称作电路图。 图1.1就是一个最简单的电路图。,图1.1一个最简单的电路图,1.2 电流、电压及其参考方向,1.2.1 电流及其参考方向 1. 电流的表达式及单位国际单位制(SI)中，电荷的单位是库仑(C)，时间的单位是秒(s)，电流的单位是安培， 简称安(A)， 实用中还有毫安(mA)和微安(A)等。 ,（11）,（12）,2.电流的参考方向参考方向可以任意设定， 在电路中用箭头表示， 并且规定，如果电流的实际方向与参考方向一致， 电流为正值；反之，电流为负值， 如图1.2所。不设定参考方向而谈电流的正负是没有意义的。 ,图1.2电流的参考方向,9,3. 直流电流的测量在直流电路中， 测量电流时， 应根据电流的实际方向将电流表串入待测支路中， 如图1.3所示， 电流表两旁标注的“+”“”号为电流表的极性。,图1.3直流电流测试电路图,例1.1 已知I1=10A, I2=2A, I3=8A。试确定I1、 I2、 I3的实际方向。 解 I10, 故I1的实际方向与参考方向相同， I1由a点流向b点。 I20, 故I3的实际方向与参考方向相同， I3由b点流向d点。 ,图1.4,1.2.2 电压及其参考方向1. 电压的定义及单位 移动单位电荷所作的功,电压的单位为伏特，简称伏(V)，实用中还有千伏(kV)，毫伏(mV)和微伏(V)等。,（13）,2. 用电位表示电压（电位差）及正负电压的讨论（1）如果正电荷由低位a点移到高位b点，电压（电位差）为负，即（2）如果正电荷由高位b点移到低位a点，电压（电位差）为正， 即 电位绛为正 ，电位升为负。3.直流电压的测量在直流电路中， 测量电压时， 应根据电压的实际极性将直流电压表跨接在待测支路两端 。,如图1.6所示， 若Uab=10V， Ubc=3V， 测量这两个电压时应按图示 极性接入电压表。电压表两旁标注的“+”、“”号分别表示电压表的正极性端和负极性端。,图1.5电压的参考极性,图1.6直流电压测试电路,4 关联参考方向在电路分析中，电流的参考方向和电压的参考极性都可以各自独立地任意设定。但为了方便，通常采用关联参考方向，即：电流从标电压“+”极性一端流入，并从标电压“”极性的另一端流出，如图1.7所示。,图1.7关联参考方向,例1.2 在图1.8中，各方框泛指元件。已知I1=3A,I2=2A, I3=1A,a=10V，b=8V，c=3V。(1)欲验证I1、I2数值是否正确，问电流表在图中应如何连接?并标明电流表极性。(2)求Uab和Ubd，若要测量这两个电压，问电压表如何连接?并标明电压表极性。,图1.8 例1.2图,解 (1)验证I1、I2数值的电流表应按图1.8(b)所示串入所测支路，其极性已标注在图上。(2)Uab=ab=108=2VUbd=bd=8(3)=11V或 Ubd=bd=ba+ad=Uba+Uad而 Uba=ba=810=2V Uad=ad=10(3)=13V故 Ubd=Uba+Uad=2+13=11V以上用两种思路计算所得结果完全相同，由此可得两条重要结论： (1) 两点之间的电压等于这两点之间路径上的全部电压的代数和； (2) 计算两点间的电压与路径无关。测Uab和Ubd的电压表应按图1.8(b)所示跨接在待测电压的两端，其极性已标注在图上。,1.3 电功率与电能,1.3.1 电功率1. 电功率的定义图1.11(a)所示方框为电路中的一部分a、b段，图中采用了关联参考方向，设在dt时间内，由a点转移到b点的正电荷量为dq，ab间的电压为u，根据对电压的讨论可知，在转移过程中失去的能量为正电荷失去能量，也就是这段电路吸收或消耗了能量，因此，ab段电路所消耗的功率为在直流电路中，,（15）,（16）,2. 电功率的单位及P为正负时的意义在SI中功率的单位为瓦特，简称瓦(W)。实用中还有千瓦(kW)，毫瓦(mW)等。需要强调的是：在电压电流符合关联参考方向的条件下，如图1.11(a)所示，一段电路的功率代表该段电路消耗的功率，当P为正值时，表明该段电路消耗功率；当P为负值时，则表明该段电路向外提供功率，即产生功率。如果电压、电流不符合关联参考方向，如图1.11(b)所示，则结论与上述相反。,图1.11功率,1.3.2 电能,(17）,在直流电路中，有,(t为通电时间),在SI中，电能的单位为焦耳，简称焦(J)。实用单位还有度，1度=1千瓦1小时=1千瓦时(kWh)。例1.4 在图1.13中，方框代表电源或电阻，各电压、电流的参考方向均已设定。已知I1=2A,I2=1A,I3=1A,U1=7V,U2=3V,U3=4V,U4=8V,U5=4V。求各元件消耗或向外提供的功率。,图1.13 例1.4图,解 元件1、3、4的电压、电流为关联方向，P1=U1I1=72=14W(消耗)P3=U3I2=41=4(提供)P4=U4I3=8(1)=8(提供)元件2、5的电压、电流为非关联方向。 P2=U2I1=32=6W(提供)P5=U5I3=4(1)=4W(消耗)电路向外提供的总功率为 4+8+6=18W电路消耗的总功率为 14+4=18W计算结果说明符合能量守恒原理，因此是正确的。,1.4 电阻元件,1.4.1 电阻元件及伏安特性 1. 线性电阻及其伏安特性曲线2. 欧姆定律 U=R I （15）在式中，R是一个与电压和电流均无关的常数,称为元件的电阻。在SI中，电阻的单位为欧姆，简称欧()。常用单位还有千欧(k),兆欧(M)等。,图1.16线性电阻及伏安特性,电位绛为正 ，电位升为负。,关联一致,3. 电导 电阻的倒数叫做电导,用G表示。在SI中,电导的单位是西门子，简称西(S)，用电导表征电阻时,欧姆定律可写成,1.4.2电阻元件的功率根据式(16),在关联参考方向下，电阻元件消耗的功率为,电阻R为正实常数，故功率P恒为正值，这是其耗能性质的真实体现。,1.5 电压源和电流源,经过抽象，常用的两种理想电源元件是电压源和电流源。1.5.1电压源1.理想电压源 （1）定义理想电压源是这样的一种理想二端元件：不管外部电路状态如何，其端电压总保持定值US或者是一定的时间函数，而与流过它的电流无关。理想电压源的一般符号及直流伏安特性如图1.18所示。,图1.18理想电压源,（2）电压源作电源或负载的判定从正极流出电流是电源，从正极流入电流是负载。,（19）,图1.19实际电压源 (a)模型； (b)伏安特性曲线,2.实际电压源（1）实际电压源的模型,（2）电路的两种特殊状态开路状态。如图1.20(a)所示。短路状态，如图1.20(b)所示。,图1.20电压源的两种特殊状态 (a)开路状态； (b)短路状态,例1.5 某电压源的开路电压 为30V， 当外接电阻R后，其端 电压为25V，此时流 经的电流为 5A，求R及电压源内阻RS。解 用实际电压源模型表征该 电压源，可得电路如图1.21所示。 设电流及电压的参考方向如图中所示， 根据欧姆定律可得,图1.21 例1.5图,即,U=US-IRS,可得,1.5.2 电流源1. 理想电流源定义理想电流源是另一种理想二端元件，不管外部电路状态如何，其输出电流总保持定值IS或一定的时间函数，而与其端电压无关。理想电流源的一般符号及直流伏安特性如图1.22所示。,图1.22理想电流源 (a)一般符号；(b)直流伏安特性,2. 实际电流源,（110）,图1.23实际电流源 (a)模型；(b)外接电阻时；(c)伏安特性曲线,例1.6 电路如图1.24所示，试求(1) 电阻两端的电压；(2) 1 A电流源两端的电压及功率。解(1)由于5电阻与1A电流源相串，因此流过5电阻的电流就是1A而与2V电压源无关，即 =51=5V(2)1A电流源两端的电压包括5电阻上的电压和2V电压源，因此 U=U1+2=5+2=7VP=17=7W (提供),图1.24 例1.6 图,30,练习 P15 例12 作业 P32 1-10,1.6 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律是电路中电压和电流所遵循的基本规律，也是分析和计算电路的基础。在介绍基尔霍夫定律之前，先介绍几个有关的电路名词：支路 、节点、 回路、 网孔 。通常把较复杂的电路称为网络，但电路和网络这两个名词并无明确区别，它们可以相互混用。,图1.28电路名词用图,1.6.1 基尔霍夫电流定律(KCL) 1. KCL与KCL方程任意时刻，流入电路中任一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和。如对于图1.29中的节点a，在图示各电流的参考方向下，依KCL,有 流入节点的电流前取正号，流出节点的电流前取负号。当然也可以做相反的规定。这里各电流前面的正负号与电流本身由参考方向所造成的正负无关。式(111)称为节点电流方程。简写为KCL方程。基尔霍夫电流定律的正确性是勿庸置疑的,可根据电荷守恒的自然法则得到解释,其实也就是电流连续性原理的集中表现。,或,图1.29基尔霍夫电流定律用图,（111）,2. KCL的推广,节点：1 节点：2 节点：3,将以上三式相加,得,例1.7 在图1.31所示电路中，已知R1=2 ，R2=5，US=10V。 求各支路电流。,图1.31 例1.7图,图1.30 KCL适合一个闭和面,解 首先设定各支路电流的参考方向如图中所示，由于Uab=US=10V，根据欧姆定律，有 ,对节点a列方程，有,35,1.6.2 基尔霍夫电压定律(KVL) 1. KVL与KVL方程 在任意时刻沿电路中任意闭和回路内各段电压的代数和恒为零。即,（112）,(112)称为回路的电压方程。简写为KVL方程。基尔霍夫电压定律实际上是电路中两点间的电压大小与路径无关这一性质的体现。,2. KVL的推广KVL不仅适用于实际回路,同样加以推广，可适用于电路中的假想回路。,例1.8 电路如图1.33所示，有关数据已标出，求UR4、I2、I3、R4及US的值。解 设左边网孔绕行方向为顺时针方向，依KVL,有,代入数值后,有,对于节点a,依KCL,有,则,图1.33 例1.8图,对右边网孔设定顺时针方向为绕行方向，依KVL,有,则,38,练习 P13 1-3-1 P17 1-4-1 P18 例 13 P19 例14 P20 例16 作业 P34 1-16,39,先来分析高位的计算,A山头的高位HA040102030+60=80 (M) E谷点的高位HE O102030+6040 (M) C山头与E谷点的高位差HCE3020+10=20 (M),若某人站在D点，即以D点为高位的计算基准，则A点的高位 HAD40102050 (M),1.7 电位的计算,1. 电位及参考点电路中每一个点都有一定的电位，就如同空间每一处都有一定的高度一样 。计算电位也需要有一个参考点，参考点原则上可以任意选取，但一经选定,各点电位的计算即以参考点为准。将参考点的电位定为零,则所求点的电位就是该点到参考点的电压降。因此，电位虽是指某一点而言，但实质上还是两点之间的电压，只不过这第二点(参考点)的电位是零而已。所以计算电位的方法与计算电压的方法完全相同。参考点处用符号“”表示。 电位绛为正 ，电位升为负。电位与参考点有关，电压与参考点无关。电压电位均与路径无关。 ,图1.38 例1.9图,或,例1.9 试求图1.38(a)所示电路中的a、b及Uab。解 如果不习惯这种画法时,可将它改画成一般形式，如图1.38(b)所示，其中c为参考点，于是有,例1.10 求图示电路中S打开及闭和后的a点、b 点电位及ab两端电压。解(1)S打开时,电路中没有电流，,开关两端电压为,(2)S闭和后电路中有由a流向b的电流I,a点经S接地，故,故,图1.39 例1.10图,43,1.8 支路电流法,1. 支路电流法(1) 节点方程根据KCL， 可对四个节点列出四个KCL方程：,节点a: 节点b: 节点c: 节点d:,(230）,图 1.39复杂电路举例,44,(2) 独立节点方程的概念(3) KVL方程,网孔： 网孔： 网孔 ：,综上所述， 对以支路电流为待求量的任何线性电路， 运用KCL和KVL总能列写出足够的独立方程， 从而可求出各支路电流。2. 支路电流法的一般步骤 (1) 在给定电路图中设定各支路电流的参考方向。 (2) 选择()个独立节点， 写出()个KCL方程。 (3) 选网孔为独立回路， 并设定其绕行方向， 列写出各网孔的 KVL方程。 (4) 联立求解上述独立方程， 得出各支路电流。,45,例 1.11 求图1.40所示电路中的各支路电流。 解(1) 假定各支路电流方向如图1.40中所示。 (2) 由于该电路只有两个节点， 故只能列一个KCL独立方程， 选节点b为参考点， 则 节点a： I1+I2 I3= (3) 按顺时针方向列出两个网孔的KVL独立方程 2I115104I2=04I210+12I3=0(4) 联立求解上面三个方程， 得 I1=1.5, I2=0.5, I3=1其中I2为负值， 说明假定方向与实际方向相反。(5) 为验证所求正确与否， 可选取一个未曾用过的回路列方程， 把求得的电流值代入方程中， 若方程两边相等， 说明所求值正确。 取最大回路， 则有,46,2I1+123=15将I1和I3数值代入， 得 左边=1.5+12=+12=15=右边 说明求出的值正确无误。,图 1.41 例1.12图,图 1.40 例1.11图,例 1.12 电路如图1.41所示, 试用支路电流法列写出求解各支路电流所需的联立方程组。解设各支路电流和网孔绕向如图1.41所示， 则独立节点方程只有一个，即,47,I