电路的基本概念和基本定律.ppt

张冬梅,我的联系电话,实验： 各班课代表找李虹老师联系具体实验时间和实验内容， 联系电话电能的优点,带着思考听课、看书、写作业、做笔记,学习本课程的目的：,学习要求：,为今后从事工科各专业的学习和工作打下必备的基础。,电能的优点,易转换 输送经济、分配方便 控制测量迅速而准确 能以电磁波的形式在空间传播,不同的电路具有不同的功能，例如： 供电电路用来传输、变换电能； 整流电路可将交流变直流； 滤波器电路可以“滤掉”附加在有用信号上的噪声，完成信息处理任务； 检测电路可将非电量转换成电量等等。,实际的工程电路千差万别，其功能的分类法也很多。然而，不论电路结构、功能有多大不同，抽象化后的电路之间却有着相同的内在规律和分析方法，遵循着相同的规律。电路理论就是研究电路基本规律的，它的理论和方法在很多技术领域得到广泛的应用。,电不仅是现代化工农业生产和交通运输的主要动力来源，也是通信、自动控制、计算机技术和尖端科技的基础。在实际工作和生活中，人们可以通过各种电路来完成各种任务。,第1章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路和电路模型,1.2 电路中的基本物理量,1.3 R、L、C元件,1.4 电压源和电流源,1.5 基尔霍夫定律,1.6 电路的工作状态,重要,本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解电路的基本定律并能正确应用； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。,第1章 电路的基本概念与基本定律,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,用于分析计算的电路图形。由理想电路元件 构成的模型。忽略次要因数，突出其主要因数的元件,1.1 电路及电路模型,电流的通路,电路,由电气元件组成，并进行着能量形式转换，电能的传输和分配过程。,实际 电路,电路模型： （简称电路）,激励,输入,响应,输出,建模,要求：不失真。,例：扩音机:话筒、 放大器、 扬声器,1）、进行能量的转换、传输和分配。,2）、实现信号的传递、存储和处理。,1、电路的主要功能（作用）：,要求：减小损耗、提高效率 例：电力系统-发电、变电、输电、配电、用电的整体。 问题：为什么要高压送电？,1020KV,教学楼,50KV 110KV220KV 330KV500KV,50KV 220KV,10KV,380/ 220V,电力系统： 发电、变电、 输电、配电、 用电的整体,2. 电路的组成部分,电源: 提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,电力网,激励,响应,直流电源: 提供能源,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,2.电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,1. 1.2 电路模型,电路模型足以反映实际电路器件的电磁性能的理想电路元件或它们的组合。,理想电路元件抽掉了实际部件的外形、尺寸等差异性，反映其电磁性能共性的电路模型的最小单元。图1-1（b）是手电筒的电路模型。,几种基本的理想电路元件： 1）电阻消耗电能；把电能转换成其他形式能量的过程，例如，灯泡把电能转换成光能和热能，电动机把电能转换成机械能等等。,2）电感储存磁场能量; 把电能以磁场能量形式储存起来，纯电感不消耗能量。,3）电容储存电场能量; 把电能以电场能量形式储存起来，纯电容不消耗能量。,4）电源元件释放电能；将其它形式的能量转变成电能。,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；,灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；,筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,1.2 电路中的基本物理量,1.2.1 电流,带电粒子有规律的运动形成电流。电流的大小定义为：单位时间内通过导体截面积的电荷量,电流强度的单位是安培（A）,对直流，I=Q/t,习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方向,1.2.2 电压和电位,单位正电荷从a点移到b点时电场力作的功称为ab两点间的电压 如将电荷dq从a点移到b点时电场力作的功为dW，则,对直流，Uab=W/Q,电压的单位是伏特(V),在电路中任取一点O作为参考点，则由某点a到参考点的电压Uao称为a点的电位 Va,在一个连通的系统中，只能选择一个参考点，参考点的电位等于零,参考点用接地符号“”表示,例： 若在如图1-6（a） 所示的电路中， 选择b点为 零电位参考点， 这时各点的电位是 Va=6V；Vb=0V； Vc= - 6V。 如果把C点作为 零电位参考点， 则 Va=12V；Vb=6V；Vc= 0V。,电压的方向为正电荷电势能降低的方向, 实际方向由高电位点指向低电位点，即电位降低的方向,电压Uab可表示为,关联参考方向 ：同一元件的电压参考方向和电流参考方向取为一致，电流从电压的正极流向负极,例1: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。,电流在闭合 路径中流通,1.2.3 电功率和电能,功率的定义为单位时间内能量的变化,dq,元件A的电功率为,若u、i互为异号,则p0,表明元件释放功率或提供功率,若电路中的电压与电流为非关联参考方向，则,对直流电路，在关联参考方向下 ，,在国际单位制中，功率的单位是瓦特(W),例 在图1.2.5所示电路中，已知I=2A，U1=4V，P2=16W，U3=6V，求P1、P3、U2及整个电路的总功率。,解：元件1的电压、电流为关联参考方向,P1吸收=U1I=42=8W,元件2和元件3的电压和电流为非关联参考方向,P3释放=U3I=62=12W,整个电路的总功率为,P=P1+P2+P3=8+16+（-12）=12W （吸收功率）,直流时为 W=P（t-t0）,国际单位制中，电能的单位是焦耳（J）,实用的电能单位为千瓦小时（kwh），简称一度电,电能,1kwh=103 W3600 s=3.6106 J,电压和电流的参考方向,物理中对基本物理量规定的方向,1. 电路基本物理量的实际方向,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？,Uab=Va- Vb,电流方向 AB？,电流方向 BA？,电流的方向,正电荷运动的方向,电压的方向,电位降的方向,电动势的方向,电位升的方向,人为规定的方向，只有设定了参考方向电压、电流才有正负之分。,任意假设的,关联参考方向,非关联参考方向,电压、电流参考方向一致,电压、电流参考方向相反,2、参考方向：,+ -,+ -,问题：参考方向不同会不会使得结果不同呢？,设E=4V，R=2，求U、I？,R上电压大小为4V， 流过电流大小为2A,习惯取法：负载取关联参考方向、电源取非关联参考方向,实际,U= -4、I=-2A,结论：任意选择参考方向，结果可能出现正、负号， 但实际方向是一致的。,电压的参考方向（极性）假定的电压正方向,u0,电压参考方向的标注方式：,用参考极性表示,用箭头表示,用双下标表示,(2) 参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,电路基本物理量的参考方向,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3) 实际方向与参考方向的关系,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。,若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。,一、线性电阻元件：,电阻单位： 欧姆 、,定义： 电导G=1/R G单位： 西门子、S,欧姆定律：,u、i 关联参考方向 u=Ri,u、i 非关联参考方向 u=Ri,1.3 R、L、C元件,-,欧姆定律,U、I 参考方向相同时，,U、I 参考方向相反时，,表达式中有两套正负号： 式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；, U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。,通常取 U、I 参考方向相同。,U = I R,U = IR,解：对图(a)有, U = IR,例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有, U = IR,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,1.3.2 电感元件,电感元件是一种能够贮存磁场 能量的元件。,电路符号,=Li,L为电感参数（Inductance）。 单位：亨利 (H),伏安关系,只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。 在直流电路中，电感上即使有电流通过， 但 u = 0，相当于短路,储能元件,磁化曲线,起始段，磁导率较小,线性区，磁导率大且不变,饱和区,= L i,i,线圈在铁磁材料的非饱和状态下工作,L近似不变,磁滞现象与磁滞回线,电流强度i缓慢地循环变化， -i曲线是一封闭曲线:磁滞回线 剩磁r,i,r,1.3.3 电容元件（Capacitor）,伏安关系,电路符号：,C为电容参数，表征电容储存电荷的能力。 单位是法拉（F）。,电容元件是一种能够储存电场能量的元件。,q = Cu,i du /dt。只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。 在直流电路中，电容上即使有电压，但 i = 0，相当于开路，即 电容具有隔直作用。,伏安关系,UC(0)为初始时刻t0时电容的初始电压，反映t0前“历史”中电容电流的积累效应电容对它的电流具有记忆能力，,电容元件中的电场能量,电容元件储存的电场能量只和考察时刻它的端电压数值有关。,1. 独立电压源：,特点：,（1）任何时刻，电压源两端电压始终 不变（大小、方向）,（2）电压源的电流随外电路改变而改变，其大小由电压源电压和外电路共同决定,理想电压源,电压源,1.4 电压源及电流源（理想）,理想电流源,特点：,（1）任何时刻，电流源的电流始终 不变 （大小、方向）,（2）电流源的两端电压随外电路改变 而改变，其大小由电流源电流和外电路共同决定,2. 独立电流源：,例、电路如图所示，其中is=2A,us=10V,(1)求2A电流源和10V电压源的功率,(2)如果要求2A电流源的功率为零，在AB线段内应插入何种元件？分析此时各元件的功率,(3)如果要求10V电压源的功率为零，在BC间应插入何种元件？分成此时各元件的功率,解：(1)2A电流源发出的功率,10V电压源吸收的功率,(2)若要2A电流源的功率为零，则需使其端电压为零，在AB线段内插入与us电压源方向相反数值相等的电压源us如图a所示，分析此时电压源的功率pis0；插入的电压源发出的功率pus=20W，原来的电压源吸收的功率pus=20w,(3)若要10V电压源的功率为零，则需要使流经电压源的电流为零，在BC间并联电流源is，其方向与is电流源的方向相反，数值相等如图b所示。或并联Rus/is5的电阻如图c所示,在图(C)中，流经电阻的电流为iR=us/R=2A.由KCL可知，流经电压源us的电流为零，因此， us的功率为零，此时原发出功率pis=usis=20W;并入的电阻R消耗功率pR=us2/R=20W,1.5 基尔霍夫定律,参考电位点（参考结点）,名词：,支路：电路中流过同一电流的分支。,结点（节点）：连接三条以上支路的点。,回路：电路中任一闭合路径。,假如规定：i 流出结点为正 流入结点为负 ,在集总电路中任何时刻，流入任意结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。,重要,一、基尔霍夫电流定律：（KCL）,如图所示电路，已知i1、i2 、 i6，求 i3i4 i5 ？,解：,结论：基尔霍夫定律不仅适用于结点，也适用于闭合面,推广的KCL：,任何时刻，流入任意闭合面的电流之和等于流出该闭合面的电流之和。,例1,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2推广,I =?,例:,广义结点,I = 0,IA + IB + IC = 0,在集总电路中，任何时刻，沿任一回路循行一周，回路中各段电压的代数和等于零：,给定回路绕向 规定：电压与回路绕向一致为正， 与回路绕向相反为负 ， 或反之。,二、基尔霍夫电压定律：（KVL）,如图，已知u1=u3=1V，u2=4V，u4=u5=2V， 求ux、u6。,解：,对回路有：,对回路有：,例1-4,如图所示电路中，R1=1，R2=2，R3=3，US1=3V，US2=1V 。求电阻R1两端的电压U1。,解：,对结点有：,对回路有：,对回路有：,例1-5,如图，已知R1=0.5k，R2=1k，R3=2k，uS=10V， 电流控制电流源的电流iC=50i1。求电阻R3两端电压u3。,解：,例1-6,求图中 I、US、R,解：I=6-5 =1A IR=15-1=14A,I1=12+6=18A,I3=18-15=3A,US - 3I1 - 12I3 =0 US=90V,US - 3I1 15 *1- UR =0 UR=21V R=1.5 ,补充例,电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转变为电压或电流变化的一种测量电路。,案例:传感器是将一种被测物理量转换为与之对应的、容易检测、传输或处理的信号装置。它类似于人的感觉器官。,案例:如图是电阻应变器中测量电桥的原理图.RX是电阻应变片,粘附在被测零件上.当零件伸长或缩短时, RX的阻值随之改变,这反映在U0上,测量前RX=100, R= R =200, R =100, 这时满足电桥平衡条件, U0=0.在进行测量时,如果测出(1)U0=1mv; (2)U0=-1mv,试计算两种情况下的 RX。,特征:,开关 断开,1.6.1 开路,1. 开路处的电流等于零； I = 0 2. 开路处的电压 U 视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征:,1.6电路的工作状态,电源外部端子被短接,1.6.2 短路,1. 短路处的电压等于零； U = 0 2. 短路处的电流 I 视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U = IR,特征:,1.6.3. 负载状态, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IR0,当 R0R 时，则U E ，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U = IR,特征:, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IRo,UI = EI IRo,P = PE P,负载 取用 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率, 电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念: 负载大小是指负载取用电功率的大小。,电源与负载的判别,U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。,U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载； P = UI 0，电源。,1. 根据 U、I 的实际方向判别,2. 根据 U、I 的参考方向判别,电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出， （发出功率）；,负载： U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。 （吸收功率）。,例,已知i =1A，u1=3V，u2=7V，u3=10V，,求ab、bc、ca三部分电路吸收的功率P1、P2、P3。,解：,（吸收3W）,（吸收7W）,（实际发出10W）,功率平衡,电气设备的额定值,额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)： I IN ，