第1讲电路的基本概念及定律.ppt

电工学 参考教材 电工学 秦曾煌 电工学 唐介 52学时理论教学 12学时实验直流电路 ch1交流电路 ch2动态电路 ch3电动机 ch5半导体 ch7基本放大电路 ch8集成运算放大电路 ch9直流稳压电源 ch10组合逻辑电路 ch11时序逻辑电路 ch12 主要内容 64学时 学习方法1掌握基本概念 基本理论和基本的分析方法2通过习题来巩固和加深所学理论 培养分析能力和运算能力3在实验中体会电学现象 考核方法平时成绩占30 考试成绩占70 六 作业1 作业写在活页纸上 不用作业本2 作业请学习委员按学号排序 1 1电路的作用 组成及电路模型 1 2电路变量及电路的参考方向 1 3理想电路元件 1 4电路的状态 第1讲电路的基本概念及定律 1 5基尔霍夫定律 3负载 电路是电流的通路 它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的 1电源 2中间环节 1 1电路的作用 组成及电路模型 1 电能的传输与转换 电路的作用 2 信号的传递与处理 发电机 升压变压器 输电线 降压变压器 电灯电动机 放大器 话筒 扬声器 其它形式的能量 电能 电能 其它形式的能量 连接电源和负载 传输 分配电能 电路的组成 信号源 负载 话筒把声音 信息 电信号 扬声器把电信号 声音 信息 负载 电源 中间环节 发电机 升压变压器 输电线 降压变压器 电灯电动机 放大器 话筒 扬声器 信号源 负载 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 由电阻器 电容器 线圈 变压器 晶体管 运算放大器 传输线 电池 发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路 称为实际电路 电阻器 电容器 线圈 电池 运算放大器 晶体管 电路实体 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 理想电源元件 理想无源元件 理想电压源 理想电流源 电阻R 电感L 电容C 1 2电路变量及电路的参考方向 一 电流和电流的参考方向 电流的参考方向 用箭头表示 如右图 如iAB 2A 说明参考方向与实际方向一致 电流 又叫电流强度 单位时间内通过的电量 即 正电荷定向移动的方向为电流的实际方向 用双下标表示 如iAB iAB 2A 说明参考方向与实际方向相反 二 电压和电压的参考方向 电压的参考方向 用箭头表示 如uAB 2V 说明参考方向与实际方向一致 电压的实际方向 高电位指向低电位 电压 单位正电荷在电场力的作用下从A点到B点电场力所做的功为AB两点之间的电压 即 uAB 2V 说明参考方向与实际方向相反 用双下标 如uAB 用正负符号 三 关联参考方向 注意 在电路分析中 没有特别说明 电压和电流一般为关联参考方向 在电路分析中 对一个元件既要假设通过它的电流参考方向 又要假设该元件两端电压的参考极性 两个都可任意假定 而且独立无关 当电压和电流的参考方向一致时 称电压和电流为关联参考方向 相反 当电压和电流的参考方向相反时 称电压和电流为非关联参考方向 四 能量 电压单位为伏特 V 电流单位为安培 A 则能量单位为焦耳 J 根据电压定律 从t0到t的时间内元件吸收的能量W求得为 五 功率 电压单位为伏特 V 电流单位为安培 A 则功率单位为瓦特 W 在电压和电流为关联参考方向下 功率是单位时间内所做的功 即 乘积 ui 表示元件吸收功率 即 p 0 表示该元件吸收功率 p 0 表示该元件发出功率 在电压和电流为非关联参考方向下 P负载 3V 2A 6W 吸收功率 P电源 3V 2A 6W 发出功率 P负载 3V 2A 6W 吸收功率 乘积 ui 表示元件发出功率 即 p 0 表示该元件发出功率 p 0 表示该元件吸收功率 元件发出功率时 向外界提供能量 相当于电源 元件吸收功率时 在电路中消耗能量 相当于负载 1 3 1电阻元件 一 线性电阻 简称电阻 根据欧姆定律 电压单位为伏特 电流单位为安培 则电阻R单位为欧姆 W G为电导 单位为西门子 S 欧姆定律在非关联参考方向情况下 电阻符号为 1 3电路元件 二 电阻消耗的功率电阻一般把吸收的电能转换成热能消耗掉 电阻消耗的功率根据电压和电流是否关联进行定义 在关联参考方向下p ui i2R 0 吸收电能 说明电阻是一个无源元件 在非关联参考方向下p ui i2R 0 吸收电能 同样说明电阻是一个无源元件 三 伏 安特性电阻以电压为纵或横坐标 电流为横或纵坐标 画出的电压和电流的关系曲线叫该元件的伏 安特性 四 非线性电阻非线性电阻的电阻R不等于一个常数 即 五 开路和短路的概念 无论电压u为多大 i 0A 则电阻R相当于无穷大 等效为开路 开路 无论电流i为多大 u 0A 则电阻R相当于零 等效为短路 短路 1 3 2电容元件 一 线性电容 简称电容 电容符号为 则电容电压与所带电荷之间满足 式中C是电容元件的参数 称为电容 C是一个正实常数 当电压单位为伏特 电荷单位为库仑 C 则电容单位为法拉 F 1mF 10 6F 1pF 10 12F 二 库 伏特性电容元件两端的电荷和电压的的关系曲线 三 电压与电流的关系 微分关系 积分关系 电容的特性 在直流电路中 电容元件处相当于开路 电容元件具有 记忆 功能 从积分关系来看 四 电容吸收的能量从t0到t的时间内 电容元件吸收的能量WC求得为 WC 0 充电 以电场能量的形式储存 WC 0 放电 元件释放电能 五 非线性电容非线性电容的电容值C不等于一个常数 即 第1章1 4 1 3 3电感元件 一 线性电感 简称电感 1 当感应电压的参考方向与磁通链成右手螺旋关系时 则根据电磁感应定律可得 电感的磁通链与电流之间满足 式中L是电感元件的电感 自感 L是一个正实常数 当磁通链单位为韦伯 Wb 电流单位A 则电感单位为亨利或亨 H 电感的符号为 二 韦 安特性电感元件两端的磁通链和电流的的关系曲线 三 电压与电流的关系 微分关系 积分关系 电感的特性 在直流电路中 电感元件处相当于短路 电感元件具有 记忆 功能 从积分关系来看 四 电感吸收的能量从t0到t的时间内 电容元件吸收的能量WL求得为 WL 0 充磁 以磁场能量的形式储存 WL 0 放磁 元件释放电能 五 非线性电感非线性电感的电感系数L不等于一个常数 即 1 3 4电压源和电流源 一 电压源 电压源符号为 电压源的特点 电压源两端电压与外接电路无关 流过电压源的电流与外电路有关 R不同 i不同 电压源的性质 如果一个电压源的电压uS 0 则此电压源的伏安特性为u i平面上的电流轴 此电压源在电路中相当于短路 电压源的工作状态 电压源uS1工作在电源状态 电压源uS2工作在负载状态 二 电流源 电流源符号为 电流源的特点 电流源电流与外接电路无关 电流源两端的电压与外电路有关 R不同 u不同 电流源的性质 如果一个电流源的电流iS 0 则此电流源的伏安特性为u i平面上的电压轴 此电流源在电路中相当于开路 电流源的工作状态 电流源iS1工作在电源状态 电流源iS2工作在负载状态 三 独立电源 电压源和电流源 它们不受外界电路的影响 作为电源或输入信号时 在电路中起 激励 作用 在电路中产生相应的电流和电压 这些电压和电流便是 响应 而这类激励叫独立电源 1 3 5受控电源 受控源又称为 非独立 电源 受控电压源的电压和受控电流源的电流都不是给定的时间函数 而是受电路中某一部分的电流或电压的控制 如 受控源分为四类 分别如下图所示 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 1分类 4类 3控制量 其他支路中的uori 4控制系数 受控源为四端元件 其输出电压或电流均受其他支路电流与电压的控制 故为非独立电源 或称受控源 它不能在电路中产生响应 它不是激励源 注意 1 受控源与独立电源之区别 2 受控源仍有存在的价值 2符号 棱形框 1 4电路的状态 E I U 1 电压与电流 R0 R a b c d 电源的外特性曲线 当R0 R时 则U E 说明电源带负载能力强 U RI 或U E R0I 1 4 1电源有载工作 2 功率与功率平衡 UI EI R0I2 P PE P 电源产生功率 内阻消耗功率 电源输出功率 功率的单位 瓦 特 W 或千瓦 kW 电源产生功率 负载取用功率 内阻消耗功率 功率平衡式 1 4 2电源开路 电源开路时的特征 I 0 U U0 E P 0 当开关断开时 电源则处于开路 空载 状态 1 4 3电源短路 U IS U 0 I IS E R0 P 0 PE P R0IS2 E R0 R b c d 电源短路时的特征 a 当电源两端由于某种原因连在一起时 电源则被短路 为防止事故发生 需在电路中接入熔断器或自动断路器 用以保护电路 1 5基尔霍夫定律 基尔霍夫定律是分析计算电路的基本定律 又分为 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电流定律 电路中通过同一电流的每个分支称为支路 用b表示其数量 图示电路有3条支路 2个节点 3个回路 2个网孔 一 术语 电路中任一闭合的路径称为回路 3条或3条以上支路的连接点称为节点 结点 用n表示其数量 不包含其它回路的独立回路称为网孔 或单孔 用l表示其数量 且有右式成立 b l n 1 电路图中的每条支路都有支路电压和电流 且通常情况下假定其参考方向为关联参考方向 如上右图所示 电路中的支路电压和支路电流一般受到两类约束 元件本身电压和电流的约束 如欧姆定律 简称VCR 支路电压之间或支路电流之间满足的约束关系 简称 拓扑 关系 这类约束用基尔霍夫定律来表达 二 基尔霍夫电流定律 KCL 定律内容 在集总电路中 在任何时刻 对任一结点 所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零 即 对任一结点 代数和 规定 流出结点的电流前面为 流入结点的电流前面为 流入和流出都是相对于参考方向而言 KCL的推广 在集总电路中 在任何时刻 通过任何一个闭合面 广义结点 的电流代数和恒等于零 KCL的实质 流入结点的电流等于流出结点的电流 例1 若I1 9A I2 2A I4 8A 求 I3 KCL 电流的参考方向与实际方向相反 I1 I2 I3 I4 0 三 基尔霍夫电压定律 KVL 定律内容 在集总电路中 在任何时刻 沿任一回路 所有支路电压的代数和恒等于零 即 对任一回路 代数和 规定 指定回路的绕行方向 支路电压方向与回路绕行方向一致时 前面为 反之 前面取 注意 支路电压方向也是相对于参考方向来讲 例 支路 234