电工电子技术教学课件PPT电路的基本概念和基本定律.ppt

电工电子技术,2014年,主讲人：张文1(2),第1章 电路的基本概念和基本定律,1.1 电路和电路模型,1.2 电路的基本物理量,1.3 电路元件,1.4 电路定律,1(3),1.1 电路和电路模型,1.1.1 电路,1. 电路及其组成,电源 中间环节 负载,2.电路的作用, 传输、分配、转换电能；-能量领域, 传送、处理、储存信号。-信息领域,1(4),电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,1(5),低频信号发生器的内部结构,1(6),1.1.2 电路模型,从实际电路中抽象出来的、由理想元件组成的电路。,理想元件是假想元件，具有单一的电磁性质，具有精确的定义与相应的数学模型。,理想电阻、理想电感、理想电容,1(7),1.2 电路的基本物理量,1.2.1 电流, 电流的定义：单位时间内通过导体横截面的电荷量。,（1.2.1）,在国际单位制中,电荷的基本单位：库仑（简称库、用c表示）,时间的基本单位：秒（用s表示）,1(8),辅助单位：千安（ka）毫安（ma）微安（a）,电流的基本单位：安培（简称安、用a表示）, 电流的实际方向与参考方向：,正电荷移动的方向为电流的实际方向。,为计算而假设的方向，称为参考方向。,参考方向可以任意设定。,参考方向可以用箭头表示，也 可以用双下标表示，如 iab。,1(9),电流的参考方向与实际方向相同，电流为正值；与实际方向相反则为负值。,【例1.2.1】设下图电流表达式为,判断 t 为0.001s和0.006s时 的电流实际方向。,可以确定在t0.001s时，电流的实际方向与参考方向相同；,在t0.006s时，电流的实际方向与参考方向相反。,1(10),1.2.2 电压及其参考方向,1. 电压的定义：电场力把单位正电荷从a点移动倒b点所做的功，称为a、b两点之间的电压，即,（1-2）,dw 0时，u 0，说明a点电位高于b点电位，正电荷在移动过程中失去能量；,dw 0时，u 0，说明a点电位低于b点电位，正电荷在移动过程中获得能量。,1(11),在国际单位制中，电压的单位为伏特（用v表示），,辅助单位有：千伏（kv）毫伏（mv）微伏（v）,2. 电压的实际方向与参考方向,电压的实际方向规定为高电位点指向低电位点。即电压降的方向,进行电路分析时，需要设置电压的参考方向。参考方向可以用正负极性表示，也可以用双下标表示，如 uab。实际方向与参考方向相同电压为正值，反之为负值。,1(12),3. 关联参考方向与非关联参考方向,若未说明，电压电流均为关联参考方向。,4.电位,在电路中任选一点作为参考点，该点电位为零。 电路中任意一点的电位就是该点到参考点的电压，并设参考点为电压的参考负极。,1(13),引入电位的概念后，电路图的画法将会发生变化。,两点之间的电压就是两点之间的电位差。参考点可以任意选择，但只能有一个。参考点不同，各点的电位也将不同。,1(14),【例1.2.1】 各元件参数及支路电流标在图中，分别以b、a点为参考点，求各点电位及ucd。,解 b点为参考点, a点为参考点,1(15),1.2.3 电功率,1.电功率(简称功率) 的定义：单位时间内电场力所做的功，即,（1-3）,用 p 表示随时间变化的功率；用p 表示恒定功率。,1(16),在国际单位制中，功率的单位是 瓦特，简称瓦，用w表示。,2.元件或电路状态的判别,根据参考方向是否关联而采用同一公式计算出的功率值：,若p 0，元件或电路在吸收功率，等效为负载；,若p 0，元件或电路在发出功率，等效为电源。,1(17),【例1.2.2】 计算图中各元件的功率，判别哪些元件是电源或是负载？,+,是电源,(b),是电源,(c),是负载,1(18),1.3 电路元件,讨论理想电路元件,1. 电阻元件, 伏安关系,（1.3.1）,非关联参考方向时,（1.3.2）, 无记忆性,在任一时刻，电阻上的电压只取决于这一时刻流过的电流，与以前的电流大小无关。,1(19),功率,电阻吸收的功率为,（1.3.4）,（1.3.5）,式中,称为电导，单位为s 西门子,电阻是一个纯耗能元件。实际电阻元件是有额定功率的。消耗的功率不允许超过额定值，否则元件有损坏的危险。,1(20),【例1.3.1】 有一额定功率为1w、阻值为1k的金属膜电阻，工作在额定条件下的电流和电压是多少？,解 应用公式,电阻的基本单位为欧姆（），辅助单位为：,1(21),1.3.2 电感元件,线性电感元件是具有线性磁路的实际线圈的理想化模型。,磁链 =n,磁通与磁链都是线圈本身电流产生，故称为自感磁链和自感磁链。,1(22),对线性电感,=li,式中 l称为自感系数或电感，为一正实常数。在国际单位制中，电感的基本单位为 亨利(简称亨用h表示)，其辅助单位与基本单位的换算关系为,磁通和磁链的单位是 韦伯（简称韦，用wb表示）。,1(23), 伏安关系（vcr）,u、i 非关联参考方向时,（1.3.6）,公式表明： 电感元件为动态元件，只有变化的电流才会产生电压。在直流电路中，电感相当于短路线。,1(24),线性与非线性电感,(a)线性电感的韦安特性,(b)非线性电感的韦安特性,功率与储能,u、i关联时，电感元件吸收的功率为,（1.3.7）,1(25),从t0到t时刻，电感吸收的能量为,电感吸收的能量，只与两个时刻的电流值有关，而与其过程无关。设i(0)=0，则,（1.3.8）,如果电感电流由i(t)减小到零，吸收的能量为,1(26),负值意味着提供能量。电感能将过去吸收的能量完全释放出去。电感不耗能可以储能，但不产生能量。电感是一个无源元件。,1.3.3 电容元件,对u、q选择相同极性的线性电容其库伏特性为,c称为电容量简称电容，电荷和电压的单位分别用 c和v时，电容的单位为 法拉，简称法，用f表示。,1(27), 伏安关系（vcr）,（1.3.9）,功率与储能,电容吸收的功率为,（1.3.10）,1(28),从时刻 t0 时刻到 t 时刻，电容元件吸收的能量为,电容吸收的能量，只与两个时刻的电压值有关，而与其过程无关。设u(0)=0，则,（1.3.11）,电容不耗能可以储能，但不产生能量。电容是一个无源元件。,1(29),1.3.4 独立电源,1. 电压源,电压源,电压源的伏安特性, 两端的电压仅由自身决定，与流过的电流及外电路无关。, 流过的电流由外电路决定,电压源置零，等效于两端短路。电压源不允许外电路短路。,1(30),2. 电流源, 电流源的电流仅由自身决定，与两端的电压无关。, 两端的电压由外电路决定。,电流源置零，等效于两端开路。电流源不允许外电路开路。,电流源的伏安特性,1(31),【例1.3.2】 求rl 分别为2、5 、10情况下，i、u、 电源及负载的功率 。,解 电流 i 恒等于2a。,吸收,发出,吸收,1(32),吸收,发出,吸收,1(33),吸收,发出,发出,1(34),【例1.3.3】 求rl 分别为2、5 、10情况下，i、u、 电源及负载的功率 。,解 电压u恒等于10v。,发出,吸收,发出,1(35),发出,吸收,1(36),发出,吸收,吸收,1(37),1.3.5 受控电源,受控电源简称受控源。分为受控电压和电流源。,受控电压源的电压和受控电流源的电流，受电路中某处被称为控制量的电压或电流的控制。,例如，晶体三极管的集电极电流icib，即受基极电流的控制；放大器的输出电压uoaui，即受输入电压的控制。,受控源共分四种类型：,1(38),图中 u1、i1为控制量，u、r、g和是控制系数。, 受控源不同于独立电源，在电路中不起激励作用。它反映电路中某处电压或电流对另一处电压或电流的控制作用，或表示两处电路变量之间的耦合关系。, 控制量为零时受控源为零，受控电压源表现为短路，受控电流源表现为开路。, 受控源可以对外提供能量，属于有源元件。, 当控制系数为常数时，受控源称为线性受控源。,1(39),分析含有受控源的电路时，应注意以下几点：, 对简单电路，先求控制量；, 可将受控源视为独立电源建立电路方程，控制量用未知量表示，代入方程；, 受控源可以像独立电源那样进行两种电源模型的等效变换，但控制量不能消失。必要时转换控制量；, 确定只含受控源和无源元件的一端口网络的伏安关系时，必须采用外加独立电源法。,1(40),1.4 电路定律,电路分析的基本依据是电路的基本定律，即欧姆定律和基尔霍夫定律。,1.4.1 欧姆定律,欧姆定律反映了电阻元件上电压和电流的约束关系。当电阻上的电压和电流采用关联参考方向时，表示为,1(41),1.4.2 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律是集中参数电路的基本定律。定律反映了电路的两类约束关系。,几个名词概念：,支路：一段不分叉的电路。,节点（结点）：三条及三条以 上支路的连接点。,回路：由支路构成的闭合路径。,图示电路共有3条支路、两个结点、3个回路和2个网孔。,网孔：平面电路内不含有其他支路的回路,1(42),1. 基尔霍夫电流定律（kcl）,在集中参数电路中，任一时刻流入（或流出）任一节点的所有支路的电流的代数和恒为零。,即, 定律内容,kcl是电荷守恒的体现。,1(43), 应用与推广,广义节点,节点1,节点2,节点3,三式相加,应用广义节点的概念,1(44),2. 基尔霍夫电压定律（kvl）, 定律内容,在集中参数电路中，任一时刻沿任一回路绕行，回路中所有支路电压的代数和恒为零。,支路电压参考方向与绕行方向一致，电压取正号，否则取负号。,