第一章--电路的基本概念与基本定律.ppt

第一章电路的基本概念与基本定律 第一节电路的基本概念 第二节电阻元件和电源元件的伏安特性 第三节基尔霍夫定律及应用 第四节电路的工作状态 本章要求 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 第一章电路的基本概念与基本定律 第一节电路的基本概念 电路是电流的通路 是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成 一 电路的组成和电路模型 1 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 信号源 提供信息 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 2 电路的作用 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 3 电路模型 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电路相对应的电路模型 如 手电筒 手电筒由电池 灯泡 开关和导线组成 理想电路元件主要有电阻元件 电感元件 电容元件和电源元件等 第一节电路的基本概念 一 电路的组成和电路模型 手电筒的电路模型 电池是电源元件 其参数为电压US和内阻RS 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻R 手电筒的电路模型 RL RS S US I 电池 导线 灯泡 开关 导线用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 今后分析的都是指电路模型 简称电路 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 二 电流和电压的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在复杂电路中很难确定电流和电压的实际方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 为参考方向 2 电流和电压的参考方向 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负值 3 实际方向与参考方向的关系 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 若I 5A 则电流从a流向b 例1 1 若I 5A 则电流从b流向a 若U 5V 则电压的实际方向从a指向b 若U 5V 则电压的实际方向从b指向a 4 关联与非关联的参考方向 同一电路元件 如果规定电流 流过该电路元件的电流 与电压的参考方向一致 则称为关联的参考方向 否则为非关联的参考方向 电流与电压的参考方向一致 为关联的参考方向 电流与电压的参考方向不一致 为非关联的参考方向 1 电路吸收或发出功率的判断 u i取关联参考方向 P ui表示电路或元件吸收的功率 P 0吸收正功率 实际吸收 u i取非关联参考方向 p ui表示电路或元件发出的功率 P 0发出正功率 实际发出 P 0发出负功率 实际吸收 三 电功率 P 0吸收负功率 实际发出 例1 2求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3V I1 2A I2 1A I3 1A 2 功率平衡 在一个完整电路中存在功率平衡关系 即各元件发出功率的总和等于吸收功率的总和 解 按元件电压电流参考方向是否关联判定吸收或发出功率 不考虑实际情况 发出的功率总和 吸收的功率总和 第二节电阻元件和电源元件的伏安特性 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 1 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 一 电阻元件 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 即 解 对图 a 有 U IR 例1 3应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻R 对图 b 有 U IR 注意 线性电阻R是恒大于或等于零 p ui Ri i i2Ru u R u2 R 非关联 发出负功率 实际吸收功率 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的 2 电阻元件电功率 p ui i2R u2 R 关联 吸收功率 二 理想电压源 定义 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数 其值与流过它的电流i无关的元件叫理想电压源 电路符号 理想电压源的电压 电流关系 电源两端电压由电源本身决定 与外电路无关 与流经它的电流方向 大小无关 通过电压源的电流由电源及外电路共同决定 伏安关系 例 外电路 电压源不能短路 三 理想电流源 定义 其输出电流总能保持定值或一定的时间函数 其值与它的两端电压u无关的元件叫理想电流源 电路符号 理想电流源的电压 电流关系 1 电流源的输出电流由电源本身决定 与外电路无关 与它两端电压方向 大小无关 2 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定 伏安关系 第三节基尔霍夫定律及应用 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 节点 三条或三条以上支路的连接点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 几个名词 例1 4 支路 ab bc ca 共6条 回路 abda abca adbca 共7个 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 一 基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一节点的电流等于流出该节点的电流 实质 电流连续性的体现 或 0 对节点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 基尔霍夫电流定律 KCL 反映了电路中任一节点处各支路电流间相互制约的关系 2 电路中有n个节点 则根据KCL可列出 n 1 个独立的电流方程 注意 1 KCL适用于任何电路 3 用KCL解题时 先要取定各支路电流的参考方向 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 2 推广 I 例1 5 广义节点 I 0 IA IB IC 0 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 二 基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律 即 U 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 U1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 U2 或I1R1 I3R3 U1 0 或I2R2 I3R3 U2 0 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 1 列方程前标注回路循行方向 电位升 电位降U2 UAB I2R2 U 0I2R2 U2 UAB 0 2 应用 U 0列方程时 项前符号的确定 如果规定电位降取正号 则电位升就取负号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例1 6图1所示电路中 正确的电压方程是 c b 例1 8图示电路中 已知 IS1 4A IS2 2A US 6V R1 R2 3 求A B间的电压 解 电阻R1上的电流IR1和两端电压UR1的参考方向如图示 根据KCL 对节点A列电流方程 IS2 IS1 IR1 IR1 IS2 IS1 2 4 2A 电阻R1上的电流IR1为 电阻R1两端电压UR1为 UR1 IR1R1 2 3 6V UAB US UR1 6 6 0V 例1 9有一闭合回路 如图所示 各支路的元件是任意的 已知 UAB 5V UBC 4V UDA 3V 试求 1 UCD 2 UCA 解 1 由KVL可列出 2 由KVL可列出 例1 10在图示电路中 已知 R1 10 R2 20 U1 6V U2 6V U3 1V 试求电流I1 I2 I3及U2和电源发出的功率P2 解 对回路1由KVL可列出 对回路2由KVL可列出 对节点a由KCL可列出 U2电源发出的功率 非关联吸收功率 U2电源是其他电源的负载 例1 11图示电路中 已知 R1 R2 1 IS1 1A IS2 2A US1 US2 1V 求A B间的电压UAB 解 流过电阻R1和R2的电流IR1 IR2和两端电压UR1 UR2的参考方向如图示 IR1 IS1 1AUR1 IR1R1 1V IR2 IS2 2A UR2 IR2R2 2V US1 UR1 UR2 US2 UAB 0UAB 3V 选取回路列电压方程 电路中电位的概念及计算 电位 电路中某点至参考点的电压 记为 VX 通常设参考点的电位为零 1 电位的概念 电位的计算步骤 1 任选电路中某一点为参考点 设其电位为零 2 标出各电流和电压的参考方向并计算 3 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 某点电位为正 说明该点电位比参考点高 某点电位为负 说明该点电位比参考点低 例1 12 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 解 设a为参考点 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb U1 140VVd Udb U2 90V b a Uab 10 6 60VUcb U1 140VUdb U2 90V Uab 10 6 60VUcb U1 140VUdb U2 90V 结论 1 电位值是相对的 参考点选取的不同 电路中各点的电位也将随之改变 2 电路中两点间的电压值是固定的 不会因参考点的不同而变 即与零电位参考点的选取无关 借助电位的概念可以简化电路作图 例1 13图示电路 计算开关S断开和闭合时A点的电位VA 解 1 当开关S断开时 2 当开关闭合时 电路如图 b 电流I2 0 电位VA 0V 电流I1 I2 0 电位VA 6V 电流在闭合路径中流通 例1 14 电路如下图所示 1 零电位参考点在哪里 画电路图表示出来 2 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 A B两点的电位增高了还是降低了 解 1 电路如左图 零电位参考点为 12V电源的 端与 12V电源的 端的联接处 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 回路中的电流I减小 所以A电位增高 B点电位降低 2 VA IR1 12VB IR2 12 例1 15求电路中A点的电位VA 已知 US1 5V US2 4V IS1 3A IS2 2A R1 2 R2 3 解 电阻R2的电流与两端电压的参考方向如图示 对节点B列电流方程 IS1 IS2 IR2 IR2 IS1 IS2 1A 求VA VA US1 US2 UR2 US1 US2 IR2R2 2V 特征 开关断开 一 空载状态 1 开路处的电流等于零 I 02 开路处的电压U0视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 第四节电路的工作状态 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 U0 IR 特征 二 负载状态 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U0 或U0 U IR0 当R0 R时 则U0 U 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 如果不考虑电源的内阻 外特性为虚线所示 开关闭合 接通电源与负载 1 特征 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U0 U0I UI I Ro P PU P 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 电源输出的功率由负载决定 负载大小的概念 负载增加指负载取用的电流和功率增加 电压一定 2 功率与功率平衡 U0I UI I Ro P PU P 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 在一个电路中 电源产生的功率与负载取用的功率 以及内阻上所损耗的功率是相等的 称为功率平衡 功率的计算 1 U I关联的参考方向 P UI 2 U I非关联的参考方向 P UI 如果P 0 元件吸收功率 为负载 如果P 0 元件释放功率 为电源 例1 16在图示电路中 已知 I 2A U1 10V U2 6V U3 4V 问哪些元件是电源 哪些元件是负载 IU2 2 6 12W 0 IU3 2 4 8W 0 元件1为电源 IU1 2 10 20W 0 解 元件1 P1 元件2 P2 元件2为负载 元件3 P3 元件3为负载 例1 17在图示电路中 US1 US2 I均为正值 问发出功率的电源