电路的组成及电路中的主要物理量.ppt

学习要点,电路的组成及主要功能电流、电压参考方向功率计算,第1章电路的组成及电路中的主要物理量,1.1电路及基本物理量,电路的组成电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。由电源、负载和中间环节3部分组成。,电路的主要功能一：进行能量的转换、传输和分配。二：实现信号的传递、存储和处理。,1.1.1电路的组成及功能,1.1.2电流,电荷的定向移动形成电流。电流大小：单位时间内通过导体截面的电量。,大写I表示直流电流小写i表示电流的一般符号,直流：电流的大小和方向不随时间变化交流：电流的大小和方向随时间作周期性变化,正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用箭头或双下标变量表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。,如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,1.1.3电压、电位和电动势,电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。,电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。,电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。,正电荷由a转移到b获得能量,则a点低电位,负极;b点高电位,正极.正电荷由a转移到b失去能量,则a点高电位,正极;b点低电位,负极.,直流电压:电压的大小和极性都不随时间而变动.交流电压:电压的大小和极性都随时间而变动.,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向,例：当ua=3Vub=2V时,u1=ua-ub=1V,最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,u2=ub-ua=1V,对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。,如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。,电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。,电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。,1.1.4电功率,电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率。,功率与电流、电压的关系：,关联方向时：p=ui,非关联方向时：p=ui,p0时吸收功率，p0时放出功率。,例：求图示各元件的功率.（a）关联方向，P=UI=52=10W，P0，吸收10W功率。（b）关联方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收10W功率。,解：元件A：非关联方向，P1=U1I=101=10W，P10，产生10W功率，电源。元件B：关联方向，P2=U2I=61=6W，P20，吸收10W功率，负载。P1+P2+P3=10+6+4=0，功率平衡。,例：I=1A，U1=10V，U2=6V，U3=4V。求各元件功率，并分析电路的功率平衡关系。,1.2电路模型,为了便于对电路进行分析计算，常常将实际电路元件理想化，也称模型化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略次要的因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近似表示。由理想电路元件所组成的电路，称为电路模型。常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即伏安关系（VAR）来决定的。,1.2.1电路模型的概念,1.2.2理想电路元件,单位为欧姆（）、千欧(K)和兆欧(M)。其中1K=10001M=1000K,1电阻元件,符号：,电阻元件是一种消耗电能的元件。电阻没有极性（正、负极），这与电源不同，因此在电路中可以任意连接。,或,薄膜型电阻,集成型电阻,光敏型电阻,计算公式:,R=Pl/S,识别:,（1）、文字直接标注常以、K、M取代小数点，例如：0.5可标为5，5.1K可以标为5K1。,（2）、色环标注,小功率电阻（特别是0.5瓦以下的碳膜和金属膜电阻）多用表面色环表示标称阻值，每一种颜色代表一个数字，这在工程上叫做色码。电阻阻值的色环表示有三环、四环和五环三种，其含义见下图。,三环电阻,四环电阻,五环电阻,伏安关系（欧姆定律）：电阻的阻值不随加在其上的电压或电流而变化。,关联方向时：u=Ri,非关联方向时：u=Ri,功率：,2电容元件,电容元件是一种能够贮存电场能量的元件,它的基本结构是在两个互相靠近的并排导体之间敷一层不良导电的绝缘材料介质。,电容具有两个引线，通过在电容两端施加电压，如果将电容两端短路，可以使电容放电。电容充电以后，即使撤销充电电源，电容两端电压仍然可以保持不变。,电容的度量单位是“法拉”，用F表示。1mF=10-3F1F=10-6F1nF=10-9F1pF=10-12F,电容两端的电压与存储在电容中的电荷有以下关系：电压=能量/电容值或者U(t)=q(t)/C,电容容量的标志方法：,使用字母和数字：mmF（毫法）,F（微法），nnF（纳法），ppF（皮法）例如：4n7表示4.7nF只用数字如果数字小于1，则默认其度量单位为微法。如果数字大于1，则默认其度量单位为皮法。例如：0.22表示0.22F510表示510pF,每个电容都有它的额定工作电压，如果超过这个值，介质就会被击穿变成导体，丧失电容器的作用。,电容的伏安特性,i和u的参考方向一致时：,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，相当于开路，即电容具有隔直作用。即：如果在电容两端加直流电压，电容相当于断路，若是交流电压，电容相当于短路。,电容元件是一种贮能元件，它与电源进行能量的转换，却不消耗能量。,电容的贮能公式,WC（t)=1/2Cu(t)2,电容元件的串联,1/C=1/C1+1/C2+1/Cn,uk(t)=Cu(t)/Ck,电容元件的并联,C=C1+C2+Cn,ik(t)=Cki(t)/C,3电感元件,电感元件(inductor)是一种储存磁能的元件。它是实际电感线圈的理想化模型，其电路符号如图(a)所示。将导线绕在骨架上就构成一个实际电感线圈（也称电感器），如图(b)。当电流i(t)通过线圈时，将产生磁通(t)，其中储存有磁场能量。与线圈交链的总磁通称为磁链(t)。若线圈密绕，且有N匝，则磁链(t)=N(t)。其中，磁链的单位：韦伯(Wb)。电感上磁链与电流的关系最能反映这种元件的储能。,1、电感的一般定义,一个二端元件，若在任一时刻t，其磁链(t)与电流i(t)之间的关系能用i平面上的曲线表征，即具有代数关系f(，i)=0则称该元件为电感元件，简称电感。,基本单位：电感的基本单位是“亨”，用H表示，一般情况下，电路中的电感值很小，用mH(毫亨)、H(微亨)表示。其转换关系如下：1mH=10-3H1H=10-6H,2、电感的VAR(或VCR)电感中，当电流变化时，磁链也发生变化，从而产生感应电压。在电流与电压参考方向关联时，若电压参考方向与磁通的方向符合右手法则，根据法拉第电磁感应定律，感应电压u(t)与磁链的变化率成正比，即：对线性电感，由于(t)=Li(t)，故有,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，相当于短路。,3、电感的功率与储能,当电感电压和电流为关联方向时，电感吸收的瞬时功率为：,电感是储能元件，它不消耗能量。当p(t)0时，说明电感是在吸收能量，处于充磁状态；当p(t)0时，说明电感是在释放能量，处于放磁状态。释放的能量总也不会超过吸收的能量。电感不能产生能量，因此为无源元件。,对上式从-到t进行积分，即得t时刻电感上的储能为：,可见：电感在某一时刻t的储能仅取决于此时刻的电流，而与电压无关，且储能0。,4、主要结论,（1）电感元件是动态元件。（2）由电感VAR的微分形式可知：任意时刻，通过电感的电压与该时刻电流的变化率成正比。当电感电压u为有限值时，其di/dt也为有限值，则电流i必定是连续函数，此时电感电流是不会跃变的。,当电感电流为直流电流时，则电压u=0，即电感对直流相当于短路。（3）由电感VAR的积分形式可知：在任意时刻t，电感电流i是此时刻以前的电压作用的结果，它“记载”了以前电压的“全部历史”。即电感电流具有“记忆”电压的作用，故电感也是一个记忆元件。（4）电感是一个储能元件，它从外部电路吸收的能量，以磁场能量的形式储存于自身的磁场中。电感L在某一时刻的储能只与该时刻t电感电流有关。,5、电感串联,分压公式：,6、电感并联：,两个电感并联,分流公式：,4理想电压源,（1）伏安关系,（2）特性曲线与符号,U=Us,i/A,（2）特性曲线与符号,5理想电流源,（1）伏安关系,i=iS,1.2.3实际电源的两种模型,实际电源的伏安特性,或,可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为电压源Us和内阻Ro串联，另一种为电流源Is和内阻Ro并联。,实际使用电源时，应注意以下3点：（1）实际电工技术中，实际电压源，简称电压源，常是指相对负载而言具有较小内阻的电压源；实际电流源，简称电流源，常是指相对于负载而言具有较大内阻的电流源。（2）实际电压源不允许短路由于一般电压源的R0很小，短路电流将很大，会烧毁电源，这是不允许的。平时，实际电压源不使用时应开路放置，因电流为零，不消耗电源的电能。（3）实际电流源不允许开路处于空载状态。空载时，电源内阻把电流源的能量消耗掉，而电源对外没送出电能。平时，实际电流源不使用时，应短路放置，因实际电流源的内阻R0一般都很大，电流源被短路后，通过内阻的电流很小，损耗很小；而外电路上短路后电压为零，不消耗电能。,例：求下图电路中电压源的电流i及电流源中的端电压u。,+,i=1/3Au=2v,电路的工作状态,1、负载状态,P=UI：电源输出的功率PS=USI：电源产生的功率P=I2R0：内阻消耗的功率,2、空载状态,3、短路状态,例：设图示电路中的电源额定功率PN=22kW，额定电压UN=220V，内阻R0=0.2，R为可调节的负载电阻。求：（1）电源的额定电流IN；（2）电源开路电压U0C；（3）电源在额定工作情况下的负载电阻RN；（4）负载发生短路时的短路电流ISC。,解：(1)电源的额定电流为：,(2)电源开路电压为：,(3)电源在额定状态时的负载电阻为：,(4)短路电流为：,6、受控源,含有两条支路，其一为控制支路，这条支路或为开路或为短路，另一为受控支路，这条支路或用一个受控“电压源”表明该支路的电压受控制的性质，或用一个受控“电流源”表明该支路的电流受控制的性质。,受控源用菱形符号表示，根据控制支路是开路还是短路和受控支路是电压源还是电流源，受控源可分为四种：电压控制电压源（VCVS）、电流控制电压源（CCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电流控制电流源（CCCS）。,1.4基尔霍夫定律,支路、节点、回路,电路中两点之间通过同一电流的不分叉的一段电路称为支路。,电路中3条或3条以上支路的联接点称为节点。,电路中任一闭合的路径称为回路。回路内部不含支路的称网孔,图示电路有3条支路、两个节点、3个回路、两个网孔。,1.4.1基尔霍夫电流定律（KCL）,在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。,在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。,表述一,表述二,可假定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负；也可以作相反的假定。,所有电流均为正。,KCL通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。,例：列出下图中各节点的KCL方程,解：取流入为正,以上三式相加：I1I2I30,节点aI1I4I60,节点bI2I4I50,节点cI3I5I60,1.4.2基尔霍夫电压定律（KVL）,表述一,表述二,在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。,在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。,电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,所有电压均为正。,对于电阻电路，回路中电阻上电压降的代数和等于回路中的电压源电压的代数和。,在运用上式时，电流参考方向与回路绕行方向一致时iR前取正号，相反时取负号；电压源电压方向与回路绕行方向一致时us前取负号，相反时取正号。,KVL通常用于闭合回路，但也可推广应用到任一不闭合的电路上。,例：列出下图的KVL方程,例：图示电路，已知U1=5V，U3=3V，I=2A，求U2、I2、R1、R2和US。,解：I2=U32=32=1.5A,U2=U1U3=53=2V,R2=U2I2=21.5=1.33,I1=II2=21.5=0.5A,R1=U1I1=50.5=10,