第一章电路的基本概念和基本定律.ppt

第一节电路和电路模型第二节电路的基本物理量及其参考方向第三节无源理想元件第四节电源第五节基尔霍夫定律第六节电路的工作状态及电气设备的额定值第七节电路中的电位及其计算 第一章电路的基本概念和基本定律 目录 习题 第一节电路和电路模型 电路电路模型 返回 什么是电路呢 例如电子诱饵 R水 A B 3V 返回 一 电路 电路是由某些电气元件按一定方式连接起来的总体 它提供了电流流通的路径 电路主要由电源 负载和中间环节三部分组成 1 定义 2 组成 返回 例如 手电筒电路 电源 中间环节 负载 一般不希望中间环节产生能量或信号的转换 返回 返回 2 常见的理想电路元件 返回 3 手电筒的电路模型 电源 中间环节 负载 电路模型只反映实际电路的作用及其相互的连接方式 不反映实际电路的内部结构 几何形状及相互位置 返回 S 第二节电路的基本物理量及其参考方向 电流及其参考方向电压及其参考方向关联参考方向电能和电功率 返回 一 电流及其参考方向 1 定义 在电场的作用下 电荷有规则的定向移动形成电流 我们把单位时间内通过导体横截面积的电荷量定义为电流强度 i dq dt 大小和方向都随时间改变的叫交流用i表示 大小和方向都不随时间改变的叫直流用I表示 返回 2 单位 1安培 A 1000毫安 mA 1毫安 mA 1000微安 A 4 参考方向 在分析和计算电路时往往任意选定某一方向作为电流的正方向 也称参考方向 返回 二 电压及其参考方向 参考方向与实际方向的关系在规定的参考方向下 若计算结果 I 0参考方向与实际方向一致 I 0参考方向与实际方向相反 2 单位 1千伏 kV 1000伏 V 返回 1伏 V 1000毫伏 mV 1毫伏 mV 1000微伏 V 4 参考方向 任意选定某一方向作为电压的正方向 也称参考方向 返回 参考方向与实际方向的关系在规定的参考方向下 若计算结果 U 0参考方向与实际方向一致 U 0参考方向与实际方向相反 返回 a b a b I I U U 关联 非关联 E U I 非关联 返回 2 电功率 1 定义 单位时间内电能所作的功称为电功率 简称功率 p ui 四 电能和电功率 1 电能 返回 当某元件的电压电流关联参考方向时有p ui当某元件的电压电流非关联参考方向时有p ui 2 正电荷从电路元件的电压 极移到电压 极 是电场力对电荷作功 元件吸收能量 正电荷从电路元件的电压 极移到电压 极 外场力对电荷作功 元件释放能量 电路中 能量满足守恒定律 电源产生的能量等于负载消耗的能量 有P电源 P负载 返回 若求出的P 0 说明元件在吸收功率 一定是负载 求出的P 0 说明元件在发出功率 一定是电源 例1 在图示电路中 Uab 5V I 2A 求 1 各个元件的功率 2 这段电路上的总功率 返回 a 1 4 10V I R1 R2 E1 E2 b E1的电流与电压参考方向相关联E2的电流与电压参考方向相关联E1 E2起电源作用R1起负载作用 R2起电源作用这段电路ab起负载作用 5V Uab 5V I 2A 下列哪些答案是正确的 返回 别难过 再好好想想 习题 题解 哈哈 对了 不要骄傲 继续努力 习题 题解 解 吸收 吸收 吸收 吸收 发出 Uab 5V I 2A a 1 4 10V I R1 R2 E1 E2 b 5V 返回 例2 图中五个元件代表电源或负载 参考方向如图所示 已知 I1 4A I2 6A U1 140V U2 90V U3 60V U4 80V U5 30V 1 试标出各电流和电压的实际方向 2 判断哪些元件是电源 哪些是负载 3 计算各元件功率 U I 电流 电压同相 负载电流 电压反相 电源 元件1 2 电源元件3 4 5 负载 P1 140V 4A 560WP2 90V 6A 540WP4 80V 4A 320WP5 30V 6A 180WP3 560 540 320 180 W 600W 返回 例3 一个含有电压源和负载的闭合电路 电压源电压US 24V 内阻RS 0 5 负载电阻R 7 5 求 1 电路中的电流 2 负载端电压 3 各元件的功率 返回 解 1 电路中的电流 2 负载端电压 U IR 3A 7 5 22 5V 3 各元件的功率 Ps USI 24V 3A 72W 电源产生的功率 P UI 22 5V 3A 67 5W 负载消耗的功率 P I2US 32 0 5W 4 5W 电源内阻消耗的功率 返回 第三节无源理想元件 电阻元件电感元件电容元件 返回 一 电阻元件 i u R 1 电压与电流关系u iR满足欧姆定律R u i 若R为常数则称为线性电阻 若R随u i的变化而变化称为非线性电阻 只有线性电阻才满足欧姆定律 2 功率 返回 P总是大于0即P 0电阻是耗能元件 一般电阻上电压与电流取关联参考方向 返回 常用电阻 二 电感元件 1 电感 返回 LiL iL单位是亨利 H L为常数则称为线性电感 L不是常数称为非线性电感 返回 若i I uL 0电感对直流相当于短路 它是一种储能元件不消耗能量 返回 返回 常用电感 返回 2 电压与电流关系 i dq dt C duC dt 若uC UC则i 0 电容元件对直流相当于开路 返回 电容是一种储能元件 不消耗电能 电路中能量转换过程电阻耗能元件电电感源储能元件电容 返回 例1 一电容器C 0 2F 从t 0开始通入5A恒定电流 求t 10s时 电容器电压及其储能是多少 设电容器电压uC 0 0 当t 10s时 uC 10 250V 返回 第四节电源 电压源电流源受控源 返回 一 电压源1 理想电压源 恒压源 US I U 返回 O 2 实际电压源 US U R0 U US IR0 I 当R0 R时 R0 0 U US 返回 O 二 电流源1 理想电流源 恒流源 I IS U 返回 O 2 实际电流源 IS I U R0 I IS U R0 返回 O 例1 电路如图 求理想电压源和理想电流源的功率 解 该电路为串联电路各元件的电流均为IS PUS USIS 1WPR IS2R 1WPIS PUS PR 2W 此时电压源吸收功率 负载 返回 在电路中起电源作用 但其大小和方向受电路中其它支路的电流或电压控制 这种电源称为受控源 VCVS CCVS VCCS CCCS u ri1 i1 gu1 常见的受控电流源和电压源 如下图 三 受控源 返回 电流控制的电流源 ii ri ii io ro 电压控制的电压源 ri ro ui uo ui 返回 第五节基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 KCL 基尔霍夫电压定律 KVL 返回 几个概念支路 电路中的每一分支叫做支路 一个支路通过同一个电流 节点 由三条或三条以上的支路相连接的点叫做节点 回路 电路中的任一闭合路径叫做回路 图中有6个节点 纯属失误 图中有4个节点 图中有6条支路 图中有8条支路 图中有3个回路 图中有7个回路 你犯了严重错误 不好意思又错了 聪明的脑瓜 OK 恭喜你 一 基尔霍夫电流定律 KCL 返回 对于电路中的任一节点 在任一瞬间流入节点的电流之和一定等于流出该节点的电流之和 第一定律 如图 I1 I2 I3 对电路中的任一节点 在任一瞬间 该节点上电流代数和等于零 I 如图I1 I2 I3 规定流入节点的电流取正 流出节点的电流取负 Ii Io 返回 推广 适用于封闭面 IB IC IE IB IC IE满足晶体管电流分配关系 返回 例1 标出图中未知电流大小 2A 8A 3A 3 4 6A 1A 5A 返回 二 基尔霍夫电压定律 KVL 在任一瞬间 沿任一闭合回路绕行一周 各部分电压降的代数和等于零 即 U 与绕向一致的电压取正 反之取负 返回 R1 R2 U1 U2 I1 I2 US1 US2 a U1 US1 US2 U2 0I1R1 US1 US2 I2R2 0 在电路中任意回路绕行方向上电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和 US IR 规定与绕行方向一致的电压取正 反之取负 US1 US2 I1R1 I2R2 返回 推广 适用于开口电路U开 U 说明 上述两定律适用于任何变化的电压和电流 例1 已知E1 7V E2 16V E3 14V R1 16 R2 3 R3 9 求 S打开时 Uab S闭合时 I3 1 S打开 I3 0 UR3 0 E1 Uab E3 E2 0Uab 7 14 16 V 9V 2 S闭合 Uab 0 E1 E3 E2 I3R3 0I3 E1 E3 E2 R3 9 9A 1A 返回 例2 求图中的U2 I1 U110V U2 R22 E2 E1 R1 R35 4 4V 2V I1 10 4 R1 R2 1A U2 E2 I1R1 E1 6V I3 0 开路 I2 0 I2 I3 U1 I1 R1 R2 E1 返回 例3 电路如图 试用基尔霍夫定律求Ix和Ux 解 根据基尔霍夫定律 对节点a I1 1A 4A 0 I1 3A 对节点b 2A I1 I2 0 I2 1A 根据基尔霍夫电压定律 设绕行方向为顺时针 则 5 I2 Ux 10 0 Ux 15V 4A 10V 2A 1A 3A 5 I1 Ux Ix a b c d I3 对节点c I2 I3 3A 0I3 4A 对节点d 1A I3 Ix 0Ix 5A 返回 第六节电路的工作状态及电气设备的额定值 有载工作状态开路短路 返回 一 有载工作状态 R R0 U US S I 图中S闭合I US R0 R U IRU US IR0PS PR0 PR 1 特征 返回 电气设备在额定状态下工作是最佳状态 称为满载 在额定电压下 电气设备通过的电流高于额定电流称为过载 低于额定电流称为轻载 2 电气设备的额定值为了安全可靠地工作 各种电气设备承受的电压 允许通过的电流及消耗的功率都有一个限额 这个限额称为电气设备的额定值 UNINPN 返回 二 开路 S断开 I 0U 0P 0U0 US R R0 U US S I 返回 例1 有一直流电源 额定功率PN 4 4kW 额电压UN 220V 内阻RS 0 25 负载电阻为R 求 1 电源的额定电流IN及电源电压US 2 额定工作状态下的负载电阻R 3 负载发生短路时的电流IS S I US R0 R U 返回 电源电压 US U INRS 220V 20A 0 25 225V 2 额定工作状态下的负载电阻 返回 第七节电路中的电位及其计算 电位电源的习惯画法 返回 一 电位电路中某点的电位等于该点到参考点之间的电压 参考点就是零电位点 Ve 0I 9 9A 1AVa 5VVb 5V 2V 3VVc 5V 6V 1VVd 4VUab 2V 返回 e 5V 4V a b c d 3 2 4 若参考点选在d点 则 Va 9VVb 7VVc 3VVd 0VVe 4VUab 2V 电路中某点的电位与参考点的选择有关 而任意两点之间的电压与参考点的选择无关 返回 二 电路中电源的习惯画法与参考点相联的一端不画 另外一端标出极性 写出电位值 如下图所示 返回 e 5V 4V a b c d 3 2 4 返回 5k 12V 5k S 10k B A 例1 求S闭合和断开时AB点的电位 S打开时VA VB 12VS闭合时VA VB 12 15 5V 4V 解 返回 例2 求图中S闭合和打开两种情况下a点的电位 a 12V 12V S 4k 26k 2k S打开 I 12 12 32mA 0 75mAVa I 26 12 V 7 5VS闭合 I 12 30mA 0 4mAVa 4