电路基本物理量及基本元.ppt

电工电子技术,谭甜源、张立宏办公地点：3教3312手机-Mail:ttyQQ:82383235QQ群：213738876,第1章电路元器件及基本定理,本章介绍有关电路的一些基本概念和技术术语、常规电路应该遵循的一些基本规律、电路具有的特性以及分析和解决问题的思路。,本章将是后续课程学习的基础。有些内容虽然已在物理课中讲过，但为了加强理论的系统性和便于读者加深加固对内容的理解，并在电工技术中充分地应用和扩展，本课程略有叙述，但不是简单的重复，而是从分析问题和解决问题的思路和方法的角度进行叙述，希望此举给大家带来受益。,凡符合上述集中化假设条件的元件称集中参数元件。由此组成的电路称集中参数电路。凡不符合上述假设条件者将要用分布参数表示。本课程只讨论集中参数电路。,一门严谨的学科理论，往往有若干已被公认的公理作为全部立论依据，以示无懈可击。,集中参数电路中各部分的电压和电流仅是时间t的函数，可表示为u（t）和i（t）。而元件端钮上的电压和电流，可以用物理方法准确的测定，不因其测试位置不同而异。,电路理论的理论支柱是电荷守恒、能量守恒这两条公理和一条集中化假设不具有空间几何尺寸理想模型（元件）。,发电、输电与配电的电力系统,1.1.1电路及电路模型,11电路及其基本物理量,电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成的。,计算机、通讯等用的电子电路,可见，实际电路结构繁简差别甚大，而作用也各不相同。,人们在日常生活、生产和科学研究中，常遇到各种各样的电路，如,电力系统,扩音器,1）电路的作用,强电,弱电,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,直流电源:提供能源,信号处理：放大、调谐、检波等,负载:输出信息,信号源:提供信息,2）电路的组成部分,2）电路的组成部分,电路中电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路的工作。,激励,响应,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。,3）电路模型,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。,例如：一个白炽灯在有电流通过时，,消耗电能(电阻性),产生磁场储存磁场能量(电感性),忽略L,为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,电源,负载,连接导线,电路实体,电路模型,3）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。,开关,1.1.2电路中的基本变量,a）能量类型,能量,电磁能量（电能）,非电磁能量（非电能）,磁场能量,电场能量,b）能量转换与交换,能量转换是指电能与非电能间的转换。,能量交换是指电场能量与磁场能量的交换。,电路中存在着“能量转换和能量交换”的两个物理过程。,1）能量转换与交换,E、R0、R模拟能量转换。,在电能转换成非电能的过程中，将伴随着能量的交换。电能转换成非电能要消耗电能，称能量消耗或消耗有功。而电能和磁能的交换没有电能损耗，电工中称之为消耗无功。,L、C模拟能量交换。,哪些元件描述转换，哪些描述交换呢？,“能量转换”和“能量交换”这两个物理过程可分别采用不同的理想元件来模拟。,2）电路常用物理量定义,a）常用物理量及其文字符号,大写表示直流量。,正弦和直流是电路分析所讨论的两种最基本的变化规律。,u、UiS、ISi、I,电压电激流电流,电荷磁通功率能量,q、Q、p、Pw、W,小写字母表示交流量，即随时间交变（如正弦）。,电动势,e、E,b）电压：u（t）、U,从磁场的观点，数值上等于磁通的变化率，即,单位w（焦耳J）；（韦伯Wb）；q（库仑C）；t（秒s）；,电路中两点的电位之差，称为电压。,从电场的观点，数值上等于单位正电荷从一点移到另一点时所获得的能量，即,（c）电流i（t）、I,电荷的取向运动形成电流，数值上等于电荷的变化率,（d）功率p（t）、P,功率单位时间内电路消耗（或吸收）的能量，即能量的变化率,此式分别乘和除dq得,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。,（e）电动势e（t）、E,1.1.3电路中物理量的方向,物理量的方向：,实际方向：物理中对电量规定的方向。,参考方向：（正方向）：在分析计算时，对电量人为任意设定的方向。,物理量的实际方向,物理量实际方向的表示方法,电路分析中的参考方向（正方向）,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？,电流方向AB？,电流方向BA？,(1)在解题前先设定一个方向，作为参考方向；,解决方法,(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；,例,已知：E=2V,R=1问：当U分别为3V和1V时，IR=?,解：,(1)假定电路中物理量的正方向如图所示；,(2)列电路方程：,IR,UR,U,+,_,+,_,(3)数值计算,（实际方向与假设方向一致）,（实际方向与假设方向相反）,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。,欧姆定律,U、I取关联参考方向时，,U、I取非关联参考方向时，,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取关联参考方向。,U=IR,U=IR,(4)为了避免列方程时出错，习惯上把U与I的方向按关联参考方向假设。,方程式U/I=R仅适用于电压和电流取关联参考方向的情况。,(2)“实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3)在以后的解题过程中，注意一定要先假定“一个方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.,小结,电功率,功率的概念：设电路任意两点间的电压为U,流入此部分电路的电流为I，则这部分电路消耗的功率为:,在U、I选为关联参考方向的前提下，,“吸收功率”（负载）,“发出功率”（电源）,若P=UI0,若P=UI0,当计算的P0时,则说明U、I的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。,所以，从P的+或-可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,结论,在进行功率计算时，如果假设U、I正方向一致。,当计算的P0时,则说明U、I的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。,在实际应用中，不可能对每一个实际电气装置定义一个模型，而是先定义几个基本元件，再由基本元件的组合来描述实际电气装置主要物理特性，此称为电路模型或原理电路图。所谓基本元件，系指描述实际物理过程主要物理特性，而忽略次要因素的基本模型符号，又称为电路元件，简称元件。,1.2电路基本元件,1.2.1概述,1.建模思想和方法,2.基本元件的分类,（1）按端钮数目分类：,（2）从能量的观点分类：,（3）根据数学模型分类：,二端元件多端（三、四）元件,有源元件无源元件,线性元件（线性方程）非线性元件（非线性方程）,瞬态元件（代数方程）动态元件（微分方程）,3基本电路元件,有源元件（电源）,无源元件,电阻元件,电容元件,电感元件,独立电源,受控电源,电动势源（电势源）,电激流源（电激流）,电压控制电压源,电压控制电流源,电流控制电压源,电流控制电流源,基本元件,要定义多少个基本元件（理想元件），当然是我们最关心的，根据元件的分类：,若电源的电压（或电流）其大小和变化规律取决于局外力的作功，具有这种特性的电源，称独立电源。独立电源包括电动势源和电激流源，,1.2.2独立电源,数学模型,定义用数学语言表示则为,u=-e或u=uS,其电路符号为,1.电动势源（理想电压源）,其定义为：能维持端口电压为定值（确定的时变函数），而与通过端口的电流无关的二端元件，此维持能力用电动势描述，故称为电动势源，简称电势源。,若e（t）按某种确定函数规律（如正弦）变化时则称为交变电动势，如图示。,当e（t）=E为常数时电源称为恒定电动势，如图示。,恒定电势,交变电势,2.电激流源（理想电流源）,其定义为：能维持端口电流为定值（确定的时间函数），而与通过端口的电压无关的二端元件，此维持能力用电激流描述，故称为电激流源。,数学模型,定义用数学语言表示则为,i=iS,其电路符号为,当i（t）=Is为常数时，称为恒定电激流源，如图示。,若is（t）按某种确定函数规律（如正弦）变化时则称为交变电激流源，如图示。,恒定电激流,交变电激流,几种常见的电阻元件,普通金属膜电阻,绕线电阻,电阻排,热敏电阻,1.2.3电阻元件,电阻元件是一种消耗电能的元件。,1.2.3电阻元件,1.定义及电路符号,其定义为：在任一时刻t，其特性可为ui平面的一条曲线所描述的二端元件称为电阻。,电路符号表示为,若所有时刻是经过坐标原点的一条直线，则为线性电阻，否则为非线性电阻。,2.数学模型,上式为电阻元件上的电压与电流的约束关系，亦称为伏安关系（特性），简称VCR。,以线性电阻为例来建立电阻元件的数学模型,由直线的点斜式可得方程,伏安特性,u=Ri,或i=Gu,R=tg（G=1/R）为直线的斜率，它具有两种含义：一是文字符号，表示电阻(G表示电导)；二是元件参数，其单位为欧姆，（西门子，S）。,几种常见的电容器,普通电容器,电力电容器,电解电容器,1.2.4电容元件,电容元件是一种能够贮存电场能量的元件。,1.2.4电容元件,1.定义及电路符号,其定义为：在任一时刻t，其特性可为uq平面的一条曲线所描述的二端元件称为电容。,电路符号表示为,若所有时刻是经过坐标原点的一条直线，则为线性电容，否则为非线性电容。,2.数学模型,此式为电容元件上的电流与电压的约束关系，简称VCR。,以线性电容为例来建立电容元件的数学模型,由直线的点斜式可得方程,q=Cu（C=tg）,方程两边对时间求导得,库伏特性,几种常见的电感元件,带有磁心的电感,陶瓷电感,铁氧体电感,1.2.5电感元件,电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件。,1.2.5电感元件,1.定义及电路符号,其定义为：在任一时刻t，其特性可为i平面的一条曲线所描述的二端元件称为电感。,电路符号表示为,若所有时刻是经过坐标原点的一条直线，则为线性电感，否则为非线性电感。,2.数学模型,此式为电感元件上的电压与电流的约束关系，简称为VCR。,以线性电感为例来建立电感元件的数学模型,由直线的点斜式可得方程,=Li（L=tg）,方程两边对时间求导得,韦安特性,1.2.6受控电源,在实际应用中，还有存在着电源的输出电压或电流的大小和变化规律受所在电路的其它某支路的电流或电压控制，当控制量消失或为零时，受控电源的电压或电流也将为零，具有这种特性的电源称为受控源。,前面定义的电源其输出电压(或电流)的大小和变化规律仅取决于局外力的作功，而与所在电路中其他部分的电流或电压无关，具有这种特性的电源，称独立电源。,1.受控源类型及电路符号,受控源的电路模型是由两条（控制与被控制）支路组成的四端元件。被控制支路为电源符号。,其电路符号分别表示为,根据控制与被控制支路物理量的不同受控源分为：电压控制电压源（VCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电压源（CCVS）电流控制电流源（CCCS）,