01第一章 电路基本概念.pdf

1 1 25 25 第1章 电路的基本概念与定律第1章 电路的基本概念与定律第1章 电路的基本概念与定律第1章 电路的基本概念与定律 第一节 电路和电路模型第一节 电路和电路模型 第二节 电路变量及其参考方向第二节 电路变量及其参考方向 第四节 电压源和电流源第四节 电压源和电流源 第六节 基尔霍夫定律第六节 基尔霍夫定律 第七节 电功率和电位的计算第七节 电功率和电位的计算 第三节 电阻 电感和电容第三节 电阻 电感和电容 HOME 2 2 25 25 电路是由电路器件电路是由电路器件 例如晶体管例如晶体管 和电路元件和电路元件 例如 电容 电感 电阻等 相互连接而成 具有传输电 能 处理信号 测量 控制 计算等功能 例如 电容 电感 电阻等 相互连接而成 具有传输电 能 处理信号 测量 控制 计算等功能 最简单的电路是由 最简单的电路是由 电源 负载 中间环节电源 负载 中间环节构成 的 下面的就是这个简单电路和电路模型 构成 的 下面的就是这个简单电路和电路模型 可以看到电流的通路 可以看到电流的通路 电压源中间环节负载电压源中间环节负载 电池 中间环节 负载 HOME 1 1 电路和电路模型电路和电路模型 3 3 25 25 实际的电路是很复杂的 本书只讨论 电路模型 而非实际电路本身 实际的电路是很复杂的 本书只讨论 电路模型 而非实际电路本身 比如比如上图的电池等效成了电压源 而 灯泡等效成了电阻 上图的电池等效成了电压源 而 灯泡等效成了电阻 电容电容电感电感电压源电压源电流源电流源 它从复杂实际电路等效而来它从复杂实际电路等效而来 是由是由电路元件电路元件构成的 构成的 电阻电阻 何为 电路模型 何为 电路模型 何为何为 电路模型电路模型 何为电路元件 何为电路元件 何为何为电路元件电路元件 无源电路元件无源电路元件 有源电路元件有源电路元件 HOME 4 4 25 25 1 电流 电流 1 电流 电流 在导体中 自由电子在电场力的 作用下做有规则的移动形成电流 在导体中 自由电子在电场力的 作用下做有规则的移动形成电流 正电荷移动的方向为电流的实际方向正电荷移动的方向为电流的实际方向正电荷移动的方向为电流的实际方向正电荷移动的方向为电流的实际方向 电路理论中涉及的电路变量通常有 电路理论中涉及的电路变量通常有 电路理论中涉及的电路变量通常有 电路理论中涉及的电路变量通常有 电流 电流 电流 电流 电压 电压 电压 电压 电功率电功率电功率电功率 I 直流电流直流电流I 直流电流直流电流 电流的单位是电流的单位是安培安培 1A 1000 mA 1mA 1000 Ai 交流电流交流电流i 交流电流交流电流 HOME 1 2 电路变量及其参考方向电路变量及其参考方向 5 5 25 25 2 电压 电压 2 电压 电压 UABUAB AA B B I I 电场力把单位正电荷由电场力把单位正电荷由A 搬到搬到B 所做的功所做的功 表示为表示为UAB 也叫电压降或电位差 单位 也叫电压降或电位差 单位 伏特伏特 V 1V 1000mV 1mV 1000 V 与电压代表的意义相同 可以说电位是电压的 一种特例 与电压代表的意义相同 可以说电位是电压的 一种特例 定义 定义 A 点的电位是点的电位是A 点与参考点间的电压 记做点与参考点间的电压 记做UA 方向为从方向为从A 至至B 电场力将单位正电荷从电源的低电位点 移到高电位点所做的功 电场力将单位正电荷从电源的低电位点 移到高电位点所做的功 电动势用电动势用E 表示 实际方向为电位升的方向 与电压方向相反表示 实际方向为电位升的方向 与电压方向相反 电压 电压 电位 电位 电动势 电动势 电压 电压 电压 电压 电位 电位 电位 电位 电动势 电动势 电动势 电动势 HOME 6 6 25 25 电压 电压降 电位差 电位 电动势电压 电压降 电位差 电位 电动势 它们的它们的它们的它们的相同点相同点相同点相同点 它们的它们的它们的它们的区别区别区别区别 单位相同都是 伏特 单位相同都是 伏特 V 仅电动势的方向与其它的相反 仅电动势的方向与其它的相反 3 电功率电功率 电功率与电压和电流密切相关 当正电荷从 元件上电压的 电功率与电压和电流密切相关 当正电荷从 元件上电压的 极经元件移至 极经元件移至 极时 电 场力要对电荷作功 这时 元件吸收能量 反 之 正电荷从 极时 电 场力要对电荷作功 这时 元件吸收能量 反 之 正电荷从 极到 极到 极时 电场力作负 功 元件向外释放能量 极时 电场力作负 功 元件向外释放能量 功率用功率用 p 来表示来表示p t u t i t 单位为单位为 W mW kW 定义定义定义定义定义定义 HOME 7 7 25 25 电压 电流均是直流量 所以应有 电压 电流均是直流量 所以应有 P UI 4 参考方向参考方向 电路变量的参考方向原则上是可以任意假定的电路变量的参考方向原则上是可以任意假定的 有了参考方 向 有了参考方 向 电流的正负才意义 一般地 电流的正负才意义 一般地 无源电路元件无源电路元件的的电流电流参考方 向一旦确定 参考方 向一旦确定 则则电压电压的参考方向也随之而定的参考方向也随之而定 即取与电流相关 联的参考方向 如 电流参考方向 即取与电流相关 联的参考方向 如 电流参考方向 I 如此确定电流 才有如此的电压 如此确定电流 才有如此的电压 I UAB UAB 电阻元件 电阻元件 始终消耗功率始终消耗功率 电感和电容元件 电感和电容元件 不消耗功率不消耗功率 电压源和电流源 电压源和电流源 有时发出功率 也有时消耗功率 需要看 有时发出功率 也有时消耗功率 需要看I 和和U 的方向 的方向 HOME 8 8 25 25 电压降是 有方向的 电压降是 有方向的 电压降是 有方向的 电压降是 有方向的a ba U ba b ab U 从从a 到到b从从b 到到a 有源元件上 自有方向 有源元件上 自有方向 有源元件上 自有方向 有源元件上 自有方向 U I s 在这一节里要弄懂在这一节里要弄懂电路变量电路变量和变量的和变量的参考方向参考方向 HOME 9 9 25 25 无源电路元件 电阻无源电路元件 电阻 R 电感 电感 L 电容 电容 C 1 电阻电阻 文字符号 文字符号 R 图形符号 图形符号 灯泡 电炉等均可视为电阻 当电压和电流取关联参考方向时 任何时 刻它两端的电压和电流关系服从欧姆定律 灯泡 电炉等均可视为电阻 当电压和电流取关联参考方向时 任何时 刻它两端的电压和电流关系服从欧姆定律 u R i 伏安关系 功率情况 伏安关系 功率情况 p ui直流电路中 直流电路中 RURIUIP 22 永远消耗功率永远消耗功率 2 电容电容 文字符号 图形符号 伏安关系 功率情况 文字符号 图形符号 伏安关系 功率情况 C p ui 电流和电压的变化率成正比 在直流电路中 电流和电压的变化率成正比 在直流电路中 P 0 电容是储能元件电容是储能元件 不消耗有功功率不消耗有功功率 3 电感电感 文字符号 图形符号 伏安关系 功率情况 文字符号 图形符号 伏安关系 功率情况 L p ui 电压和电流的变化率成正比 在直流电路中 电压和电流的变化率成正比 在直流电路中 P 0 电感是储能元件电感是储能元件 不消耗有功功率不消耗有功功率 1 3 电路元件电路元件 HOME 1010 25 25 无内阻的电压源即是理想电压源无内阻的电压源即是理想电压源 输出电压恒定输出电压恒定 即即 u UL i 有内阻的电压源即是实际电压源有内阻的电压源即是实际电压源 输出电压 不再恒定 输出电压 不再恒定 i u UL U RR R U L L L 0 1 4 电压源和电流源电压源和电流源 1 电压源电压源 理 想 电 压 源 理 想 电 压 源 实 际 电 压 源 实 际 电 压 源 输出电流任意 随输出电流任意 随RL 而定 而定 HOME 1111 25 25 无内阻的电流源即理想电流源无内阻的电流源即理想电流源 输出输出电流电流恒定 输出 恒定 输出电压电压随随RL而定而定 有内阻的电流源即实际电流源有内阻的电流源即实际电流源 输出电压和电流均 随输出电压和电流均 随RL而定而定 LsL RIU 2 电流源电流源 理 想 电 流 源 理 想 电 流 源 实 际 电 流 源 实 际 电 流 源 HOME 1212 25 25 实际电压源与实际电流源的端口处具有相同的伏安特性实际电压源与实际电流源的端口处具有相同的伏安特性 对外电路来说对外电路来说 电压源和电流源可以互相等效电压源和电流源可以互相等效 两种实际电源间的等效变换两种实际电源间的等效变换 电 流 源 电 流 源 电 压 源 电 压 源 开路时开路时短路时短路时 开路时开路时短路时短路时 HOME 1313 25 25 开路电压 对 等 短路电流 对 等 开路电压 对 等 短路电流 对 等 即即 即即 对外电路来说对外电路来说 电压源和电流源可以互相等效电压源和电流源可以互相等效 等效互换的条件等效互换的条件 HOME 1414 25 25 将下图中的电压源等效为电流源将下图中的电压源等效为电流源 并求 两种情况下负载的 并求 两种情况下负载的 I U P 解 解 仍然有仍然有 I 2A U 2V P 4W I 6 3 2A U 2V P 2 2 4W 解得解得 等效为等效为 求图示电路的开路 电压与短路电流 求图示电路的开路 电压与短路电流 例例1 1 例例1 2 HOME 1515 25 25 与理想电压源并联的所有电路元件失效 对外电路来说 与理想电压源并联的所有电路元件失效 对外电路来说 与理想电流源串联的所有电路元件失效 对外电路来说 与理想电流源串联的所有电路元件失效 对外电路来说 化简如下电路 化简如下电路 a b 切记切记 例例1 3 c HOME 1616 25 25 支路支路 Branch 电路中的每一条分支 电路中的每一条分支 节点节点 Node 三条以上支路的汇节点 三条以上支路的汇节点 回路回路 Loop 由支路构成的闭合路径 由支路构成的闭合路径 6条支路条支路 b 6 4个节点个节点 n 4 7个回路个回路 L 7 该电路拥有该电路拥有 预备知识名词解释 预备知识名词解释 1 5 1 HOME 1 5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1717 25 25 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律 Kirchhoff s Current Law 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律 Kirchhoff s Voltage Law 简称 简称 KCL 简称 简称 KVL KCL内容 内容 KVL内容 内容 对任意节点 任意时刻 对任意闭合回路 任意时刻 对任意节点 任意时刻 对任意闭合回路 任意时刻 沿一定方向绕行 一周 各元件上电压降 的代数和为零 沿一定方向绕行 一周 各元件上电压降 的代数和为零 流入 或流出 该节点 的电流代数和为零 流入 或流出 该节点 的电流代数和为零 即 即 u o 即 即 i o 1 5 2 HOME 1818 25 25 基尔霍夫电流定律 KCL 祥解基尔霍夫电流定律 KCL 祥解 I1 I2 I3 I4 KCL的的依据依据 电流的连续性 电流的连续性 I 0即 即 例如在下图节点中可以根据例如在下图节点中可以根据KCL列写方程 列写方程 1 I 流入为正流出为负流入为正流出为负 1 5 2 定律内容 定律内容 i o I1 I2 I3 KCL还可适用于任意封闭的面 对下面封闭面可列方程 还可适用于任意封闭的面 对下面封闭面可列方程 I1 I2 I3 0 HOME U2 U3 U1 R R1 R R I I 0 3 I 2 I 4 I 0 1919 25 25 基尔霍夫电压定律 KVL 详解基尔霍夫电压定律 KVL 详解 回路回路 1 1 3311 URIRI 1 a I1 I2 U2 R1 R3 R2 I3 b U1 回路回路 2 2 23322URI RI 回路回路 3 12211U RIRI U2 3 第第3个方程不独立个方程不独立 1 5 2 即 即 0 U 对任意闭合回路 任意时刻 对任意闭合回路 任意时刻 沿一定方向绕行一周 各元 件上电压降 的代数和为零 沿一定方向绕行一周 各元 件上电压降 的代数和为零 对下图中各回路列写方程 对下图中各回路列写方程 HOME 2020 25 25 基尔霍夫电流方程基尔霍夫电流方程 节点节点a 321 III 节点节点b 213 III 独立方程只有独立方程只有 1 个个 基尔霍夫电压方程基尔霍夫电压方程 1 2 3 221121 33222 33111 RIRIUU RIRIU RIRIU 独立方程只有独立方程只有 2 个个 a I1 I2 U2 R1 R3 R2 I3 1 2 3 b U1 1 5 2 HOME 2121 25 25 设 电路中有设 电路中有N个节点 个节点 B个支路个支路 N 2 B 3 b R1R2 U2U1 R3 a 小结小结 独立的节点电流方程有 独立的节点电流方程有 N 1 个 独立的回路电压方程有 个 独立的回路电压方程有 B N 1 个 则 个 则 一般为网孔个数 独立电流方程 一般为网孔个数 独立电流方程 个 独立电压方程 个 独立电压方程 个个 1 6 2 HOME 2222 25 25 1 7 1 电功率的计算电功率的计算 电阻元件 电阻元件 始终消耗功率始终消耗功率 电感和电容元件 电感和电容元件 不消耗功率不消耗功率 电压源和电流源 电压源和电流源 有时发出功率 也有时消耗功率 需要看 有时发出功率 也有时消耗功率 需要看I 和和U 的方向 的方向 I U1 发出功率发出功率 U2 吸收功率吸收功率 当电源上的电压和电流方向相反时 电源当电源上的电压和电流方向相反时 电源发出功率发出功率 当电源上的电压和电流方向相同时 电源 当电源上的电压和电流方向相同时 电源吸收功率吸收功率 U1与与I 方向相反方向相反 U2与与I 方向相同方向相同 在电路中 功率是平衡的 在电路中 功率是平衡的 HOME 1 6 电功率和电位的计算电功率和电位的计算 2323