电路基本概念与基本定律课件

电路基本概念与基本定律 1 第一章电路的基本概念与基本定律 电路基本概念与基本定律 2 本章重点 电路模型电压 电流的实际方向与参考方向基本电路元件基尔霍夫定律 KCLKVL 电路基本概念与基本定律 3 第一章电路的基本概念与基本定律 第一节电路的作用与组成第二节电路模型与电压电流的参考方向第三节理想电路元件第四节电压源与电流源第五节基尔霍夫电流定律和电压定律第六节电位的概念与计算 电路基本概念与基本定律 4 第一节电路的作用与组成 电路 就是电流所通过的路径 它是由电路元件按一定方式组成的 1 实现电能的转换 传输和分配 一 什么是电路 二 电路的作用 电路基本概念与基本定律 5 2 传递和处理信号 三 电路的组成 电源 将非电能转换成电能的装置 例如 发电机 干电池 负载 将电能转换成非电能的装置 例如 电动机 电炉 灯 中间环节 连接电源和负载的部分 起传输和分配电能的作用 例如 输电线路 电路基本概念与基本定律 6 第二节电路模型与电压电流的参考方向 一 电路模型 2 理想电路元件 在一定条件下 突出其主要电磁性能 忽略次要因素 将实际电路元件理想化 理想电路元件主要有电阻 电感 电容 电源 3 电路模型 由理想电路元件所组成的电路 就是实际电路的电路模型 1 实际电路 是由一些按需要起不同作用的实际电路元件所组成 如 发电机 电动机 变压器 电阻 电容等等 实际电路元件的电磁性质复杂 电路基本概念与基本定律 7 电路模型 举例 如下为最简单的手电筒电路模型 电路基本概念与基本定律 8 二 电压和电流的参考方向 1 电路的物理量 电流电压电动势 负载 电源 电路基本概念与基本定律 9 2 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 在分析计算时 对电量人为规定的方向 电路基本概念与基本定律 10 物理量的实际方向 电路基本概念与基本定律 11 3 举例说明电路分析中的参考方向 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A B 电流方向B A 电路基本概念与基本定律 12 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 电路基本概念与基本定律 13 例 已知 E 2V R 1 问 当U分别为3V和1V时 IR E IR R a b 电路基本概念与基本定律 14 电路基本概念与基本定律 15 1 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 2 在以后的解题过程中 注意一定要先假定物理量的参考方向 然后再列方程计算 缺少 参考方向 的物理量是无意义的 3 习惯上对于任意的二端元件把I与U的方向按相同方向假设 称为参考方向相关联 否则称为非相关联 相关联 非关联 电路基本概念与基本定律 16 一 电阻元件 1 电阻 具有对电流起阻碍作用性质 单位 电导 单位S 西门子 2 线性电阻 即电阻值与它所通过的电流和所施加的电压无关 即电阻值固定不变 也可以说满足欧姆定律的电阻为线性电阻 3 伏安特性曲线 电路元件U I之间函数关系 表现在直角坐标系中线性电阻伏安特性曲线为一通过原点的直线 第三节理想电路元件 电路基本概念与基本定律 17 参考方向 非相关连如图 b 图 a 图 b 相关连如图 a 电路基本概念与基本定律 18 伏 安特性 线性电阻 非线性电阻 总结 电阻元件R 单位 k M 电压电流关系 参考方向相关连 参考方向相关连 电路基本概念与基本定律 19 4 电阻的能量与功率在关联参考方向下 电阻元件上消耗的功率为电阻元件在时间段内消耗的能量为在非关联参考方向下 电阻上消耗的功率为 电路基本概念与基本定律 20 例 已知 试分别求出图1 5中和图1 6中电流I和功率P并指出电压和电流的实际方向 图1 5 图1 6 1 在图1 5中 电压与电流为方向 由欧姆定律 关联参考 电路基本概念与基本定律 21 在关联参考方向下 功率p 0 电阻消耗能量 2 在图1 6中 电压与电流为方向 由欧姆定律得 由于u0 所以电压的实际方向与图中标出的参考方向相反 电流的实际方向与图中标出的参考方向相同 在非关联参考方向下 功率p 0 非关联参考 电阻消耗功率 电路基本概念与基本定律 22 当p 0时 表明该时刻二端网络实际吸收 消耗 功率 当p 0时 表明该时刻二端网络实际发出 产生 功率 由此可以导出一个具有普遍意义的结论 由线性元件组成的任意二端网络 其电压电流采用非关联参考方向时 则与此结论相反 当其端口电压电流参考方向相关联时 电路功率p ui 电路基本概念与基本定律 23 二 电感元件L 线性电感元件是具有线性磁路的实际线圈的理想化模型 磁通为 磁链为 N 磁通与磁链都是由线圈本身的电流产生的 故称为自感磁通和自感磁链 电路基本概念与基本定律 24 对线性电感 在国际单位制中 电感的基本单位为亨 利 简称亨用H表示 其辅助单位与基本单位的换算关系为 磁通和磁链的单位是韦 伯 简称韦 用Wb表示 式中L称为自感系数或电感 为一正实常数 电路基本概念与基本定律 25 伏安关系 VCR 公式表明 电感元件为动态元件 只有变化的电流才会产生电压 在直流电路中 电感相当于短路 电路基本概念与基本定律 26 有记忆 改写伏安关系 1 12 电感电流i t 不仅与过去某时刻t0的电流i t0 有关 而且还与电感电压u在t0到t之间的积累作用有关 电感是一个有记忆的元件 电路基本概念与基本定律 27 3 功率与储能 u i关联时 电感元件吸收的功率为 从t0到t时刻 电感吸收的能量为 1 14 电路基本概念与基本定律 28 电感吸收的能量 只与两个时刻的电流值有关 而与其过程无关 设i 0 0 则 如果电感电流由 i t 减小到零 吸收的能量为 负值表明电感在提供能量 电感能将过去吸收的能量完全释放出去 电感不耗能可以储能 但不产生能量 电感是一个无源元件 电路基本概念与基本定律 29 三 电容元件C 单位电压下存储的电荷 单位 F F pF 电路基本概念与基本定律 30 伏安关系 VCR 1 17 相当于开路 电容是一个动态元件 当u i为非关联参考方向时 则任一时刻的电容电压为 1 18 电容是一个有记忆的元件 由式 1 17 得 直流电路中电容 电路基本概念与基本定律 31 2 功率与储能 电容吸收的功率为 从时刻t0到时刻t 电容元件吸收的能量为 电路基本概念与基本定律 32 电容吸收的能量 只与两个时刻的电压值有关 而与其过程无关 若电容电压减小到零 则吸收的能量为 设u 0 0 则 负值表明电容在提供能量 电容能将过去吸收的能量完全释放出去 电容不耗能可以储能 但不产生能量 电容是一个无源元件 电路基本概念与基本定律 33 无源元件小结 理想元件的特性 u与i的关系 L C R 电路基本概念与基本定律 34 R1 L U为直流电压时 以上电路等效为 注意L C在不同电路中的作用 电路基本概念与基本定律 35 1 4电压源和电流源 电路中的耗能器件或装置有电流流动时 会不断消耗能量 电路中必须有提供能量的器件或装置 电源 常用的直流电源有干电池 蓄电池 直流发电机 直流稳压电源和直流稳流电源等 常用的交流电源有电力系统提供的正弦交流电源 交流稳压电源和产生多种波形的各种信号发生器等 为了得到各种实际电源的电路模型 定义两种理想的电路元件 独立电压源和独立电流源 电路基本概念与基本定律 36 常用的干电池和可充电电池 电路基本概念与基本定律 37 实验室使用的直流稳压电源 用示波器观测直流稳压电源的电压随时间变化的波形 示波器 稳压电源 电路基本概念与基本定律 38 一 独立电压源 独立电压源有两种电路模型 理想电压源和实际电压源模型 理想电压源的电路模型如图 a 所示 理想电压源的端电压 是一个给定的时间函数 不随流过电压源的电流 的大小而变化 即 当 为恒定值时 称为恒压源或直流电压源 恒压源的伏安特性如图 b 所示 1 理想电压源 电路基本概念与基本定律 39 电压随时间变化的电压源 称为时变电压源 电压随时间周期性变化且平均值为零的时变电压源 称为交流电压源 电压源的电压与电流采用关联参考方向时 其吸收功率为 p ui 大于零 电压源的电压与电流采用关联参考方向时 其发出功率为 p ui 小于零 电路基本概念与基本定律 40 理想电压源的特点 恒压源 特点 1 输出电压不变 其值恒等于电压源 即Uab US 2 电源中的电流由外电路决定 电路基本概念与基本定律 41 例如图示电路中电阻值变化时 电压源的电压不变 电路中的电流i和发出功率p会发生变化 电路基本概念与基本定律 42 恒压源特性中不变的是 US 恒压源特性中变化的是 I 会引起I的变化 外电路的改变 I的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 I 恒压源特性小结 US Uab a b R 电路基本概念与基本定律 43 伏安特性 2 实际电压源电路模型 实际电压源的电路模型是由理想电压源和它的内阻组成的 电路基本概念与基本定律 44 3 电压源的工作状态电压源开路 短路和有载三种状态 伏安特性 1 电压源有载工作 开关合上 a 电压与电流关系 R0 R时 U US 电路基本概念与基本定律 45 单位 w Kw 式中 PS USI 是电压源产生的功率P0 R0I2 是电源内阻上所损耗的功率P UI 是电源输出的功率 b 功率与功率平衡 电路基本概念与基本定律 46 c 电源与负载的判别 方法一 由电压电流的实际方向判别 如图 电源 和 的实际方向相反 电流从电源 端流出 发出功率负载 和 的实际方向相同 电流从电源 端流入 吸收功率 电路基本概念与基本定律 47 方法二 由U I参考方向判别 1 当U和I参考方向选择一致的前提下 当U和I参考方向选择不一致的前提下 电路基本概念与基本定律 48 2 电压源开路 开关断开 I 0U USP 0 注意 空载状态 电路基本概念与基本定律 49 3 电压源短路 U 0I IS US R0P 0 注意 电压源短路是一种事故状态 电路基本概念与基本定律 50 1 理想电流源 恒流源 特点 1 输出电流不变 其值恒等于电流源电流IS 2 输出电压由外电路决定 二 独立电流源独立电流源也分为理想电流源和实际电流源两种 电路基本概念与基本定律 51 恒流源两端电压由外电路决定 设 IS 1A 电路基本概念与基本定律 52 恒流源特性小结 恒流源特性中不变的是 Is 恒流源特性中变化的是 Uab 会引起Uab的变化 外电路的改变 Uab的变化可能是 的变化 或者是 的变化 大小 方向 电路基本概念与基本定律 53 恒流源举例 当Ib确定后 Ic就基本确定了 在IC基本恒定的范围内 Ic可视为恒流源 电路元件的抽象 c e b Ib E 晶体三极管 Uce Ic 电路基本概念与基本定律 54 I E R a b Uab Is 原则 Is不能变 E不能变 电压源中的电流I IS 恒流源两端的电压 电路基本概念与基本定律 55 恒压源与恒流源特性比较 Uab的大小 方向均为恒定 外电路负载对Uab无影响 I的大小 方向均为恒定 外电路负载对I无影响 输出电流I可变 I的大小 方向均由外电路决定 端电压Uab可变 Uab的大小 方向均由外电路决定 电路基本概念与基本定律 56 2 实际电流源模型 电流源模型 实际电流源由理想电流源与实际电流源内阻并联而成 电路基本概念与基本定律 57 1 电流源的开路状态 实际电流源处于开路状态时 电流源的电流全部流过电流源内阻R0 特点 1 在内阻R0两端产生高压 2 电源产生的功率全部消耗在内阻上 电路基本概念与基本定律 58 2 电流源的短路状态短路状态时 电流源的端电压 短路电流 产生功率及输出功率为 由上式可知 电流源不工作时应短路 电路基本概念与基本定律 59 3 电流源的有载工作状态 R 电流源的有载工作状态如图所示 此时 电流源的输出电流 输出电压 输出功率如下 电路基本概念与基本定律 60 例1 5 在图1 22中 试求当 时 输出电流 并分析理想电压源 和理想电流源的工作状态 图1 22 时 解 1 当 电阻吸收的功率 理想电流源发出的功率为 由 理想电压源的电流为 理想电压源发出的功率为 电源发出的功率等于电阻吸收的功率 电路中的功率平衡 电路基本概念与基本定律 61 图1 22 电路基本概念与基本定律 62 4 额定值与实际值 1 额定值概念 额定值是电器设备的生产厂家为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值 额定值常标在电器设备的铭牌上 例通常以UN IN PN表示额定电压 额定电流和额定功率 在使用电器设备时注意一定要先看懂铭牌 2 实际值概念 在使用时 电压 电流 功率的实际值不一定等于它们的额定值 这也是一个重要的概念 例如 在一定电压下电源输出的功率和电流决定于负载的大小 所以电源通常不一定是处于额定工作状态 但是一般不应超过额定值 再如 对于电动机一类电器设备 它的实际功率和电流取决于它轴上所带的机械负载的大小 通常也不一定处于额定状态 电路基本概念与基本定律 63 二 受控电源 在电子电路中广泛使用各种晶体管 运算放大器等多端器件 这些多端器件的某些端钮的电压或电流受到另一些端钮电压或电流的控制 为了模拟多端器件各电压 电流间的这种耦合关系 需要定义一些多端电路元件 模型 本节介绍的受控源是一种非常有用的电路元件 常用来模拟含晶体管 运算放大器等多端器件的电子电路 从事电子 通信类专业的工作人员 应掌握含受控源的电路分析 电路基本概念与基本定律 64 每种受控源由两个线性代数方程来描述 CCVS VCCS CCCS VCVS r具有电阻量纲 称为转移电阻 g具有电导量纲 称为转移电导 无量纲 称为转移电流比 亦无量纲 称为转移电压比 电路基本概念与基本定律 65 受控源则描述电路中两条支路电压和电流间的一种约束关系 它的存在可以改变电路中的电压和电流 使电路特性发生变化 受控源在电路中是否存在取决于控制量 独立电源是电路的输入或激励 它为电路提供按给定时间函数变化的电压和电流 从而在电路中产生电压和电流 电路基本概念与基本定律 66 第五节基尔霍夫电压 电流定律 基尔霍夫 德国物理学家 生于1824 1887年 1847年在欧姆定律的基础上又发表了两个定律 基尔霍夫电流定律 KCL 和基尔霍夫电压定律 KVL 在生产实际中 会遇到一些不能直接利用电阻串并联公式进行简化求解的电路 例如 图中 R1 R2 R3三个电阻既不是并联 也不是串联 没有办法直接利用欧姆定律简化求解 有待于KVL KCL与欧姆定律结合求解 电路基本概念与基本定律 67 一 介绍电路名词1 结点 在分支电路中 会聚三条或三条以上导线的连接点 如图中的b d两点 2 支路 任意两结点之间一条不分叉的电路称为支路 如图中bad bd bcd 3 回路 电路中任一闭合路径称为回路 如图中abda bcdb abcda三个回路 电路基本概念与基本定律 68 支路 ab ad 共6条 回路 abda bcdb 共7个 节点 a b c d 共4个 例 电路基本概念与基本定律 69 二 基尔霍夫电流定律 KCL方程 1 定律指出 对于任何结点 在任一瞬间 流入结点的电流之和等于从该结点流出的电流之和 或者说 在任一瞬间 任一个结点上电流的代数和恒为0 基尔霍夫电流定律的依据 电流的连续性 或 电路基本概念与基本定律 70 基尔霍夫电流定律还可以扩展到电路的