第1章电路的基本概念及基本定律

第1章电路的基本概念与基本定律,电路：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。,返回,下一页,上一页,下一节,电路的组成与功能,作用之一：实现电能的传输、分配与转换,1.电路的作用,强电电路的作用,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,架空输电线,上一页,下一页,返回,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。,作用之二：实现信号的传递与处理,1.电路的作用,弱电电路的作用,电源、负载和中间环节,电路的组成是什么？,最简单电路的组成,返回,下一页,上一页,下一节,简单照明电路,1.1电路模型,本节要求：了解几种理想电路元件；了解实际电路的建模思想,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。,电路模型：实际电路的数学模型,如何建模？,由理想元件的串、并联组成，近似地描述实际电路的电气特性。,有哪些理想元件？,还有许多其它的理想元件，以后慢慢学吧！,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,理想电路元件分有无源和有源两大类,无源二端元件,有源二端元件,建模思想是科研中一种很重要的思维方法,请欣赏实际电路建模例！,手电筒电路模型,(a)实际电路(b)电路模型,(b),手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；,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；,筒体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。,晶体管放大电路(a)实际电路(b)电路模型,(b),信号源,晶体管,电池（忽略内阻）,变压器,扬声器,电阻器,根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型描述同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。,线圈的几种电路模型(a)线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型(c)线圈通过高频交流的模型,线圈内阻,存贮磁场能,匝间电容效应,请欣赏一些元器件实物！,低频信号发生器的内部结构,1.2电路中的基本物理量：电压、电流、电位、功率,本节的要求：理解电压与电流参考方向的意义及其与实际方向关系,本节很重要，别打瞌睡啰！,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,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,2.电路基本物理量的参考方向,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：,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。,每个二端元件，电压、电流的参考方向应如何取？,理论上，爱咋样取，就咋样取。,不过，有大家习惯的取法。FOLLOWME,对于二端元件而言，电压的参考极性和电流参考方向的选择有四种可能的方式，如图下所示。,习惯的取法：取关联参考方向,3.欧姆定律,欧姆定律：流过电阻元件的电流与其两端的电压成正比，与其阻值成反比。,初中就学过啦，不必啰嗦了！,U、I关联参考方向时，,U、I非关联参考方向时，,表达式中有两套正负号：式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；,U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。,通常取U、I关联参考方向,U=IR,U=IR,解：对图(a)有,U=IR,例：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,4.功率和能量,功率的概念、符号与单位功率是电路元件消耗电能快慢的度量，它表示单位时间内电路元件消耗的电场能量。电路中用P或p表示功率，按照定义p(或P)=dW/dt功率的单位为瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)。功率的计算采用关联参考方向时P=UI采用非关联参考方向时P=-UI能量W=pt，单位：焦耳度：千瓦时（kWh）,电源与负载的判别,根据U、I的实际方向判别,电源：U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出（发出功率）；,负载：U、I实际方向相同，即电流从“-”端流出（吸收功率）。,请集中4分钟的精神！,I,R,+,-,US,U,+,-,I,都是实际方向,由此可得：,电源与负载的判别,U、I非关联参考方向，P=UI0，电源；P=UI0，负载。,U、I关联参考方向，P=UI0，负载；P=UI0，电源。,根据U、I的参考方向判别,还有2分钟！,U,I,可以证明：,例1在图示电路中，已知U1=1V,U2=-6V,U3=-4V,U4=5V,U5=-10V,I1=1A,I2=-3A,I3=4A,I4=-1A,I5=-3A。试求：(1)各二端元件吸收的功率；(2)整个电路吸收的功率。,例11,例1在图图示电路中，已知U1=1V,U2=-6V,U3=-4V,U4=5V,U5=-10V,I1=1A,I2=-3A,I3=4A,I4=-1A,I5=-3A。,整个电路吸收的功率为,解：各二端元件吸收的功率为,电路中所有元件的功率之和为0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。,1.4电路元件,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,无源二端元件,有源二端元件,1、电阻元件电阻元件的概念由代数关系联系端电压u和电流i的二端元件称为电阻元件，简称电阻。电阻元件的特性由u-i平面上的一条曲线表示,当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电阻。本课程中如无特别声明电阻元件均指线性电阻。,线性电阻元件,非线性电阻,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,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。,线性电阻,！如果电阻R不随时间变化，电阻元件称为时不变电阻。本课只讨论线性时不变元件。,2、电容,电压与电流的关系:,瞬时功率：,(a)电容器(b)理想元件,C：单位法拉（F），法拉的单位很大，实用中常采用微法F(10-6F)和皮法pF(10-12F)。,C储存的电场能：,返回,上一节,下一节,下一页,上一页,对两边乘以U，并积分得：,U电场能量增大，从外部输入电功率，电能电场能,U电场能量减小，从外部输出电功率，电场能电场,所以电容电压u不能发生突变,否则外部需要向C供给无穷大功率。,直流电路中U=常数I=0C相当于开路,隔直作用,如果发生突变，会发生什么现象？,3、电感,设线圈匝数为N，则,磁链=N,电感,单位：韦伯(Wb),单位：亨利(H),(a)电感器(b)理想电感元件,规定：e的参考方向与磁力线的方向符合右手螺旋定则。,有：e=u,则电感电压与电流的关系,瞬时功率,因为,所以,L储存的磁场能：,返回,上一节,下一节,下一页,上一页,对两边乘以i，并积分得：,i磁场能量增大，从外部输入电功率，电能磁场能,i磁场能量减小，从外部输出电功率，磁场能电场,电感电流i不能发生突变,否则会产生无穷大电压。,直流电路中I=常数U=0L相当于短路,短直作用,常用的干电池和可充电电池,实际电源的电压源模型,U=EIR0,U0=E,电压源的外特性,O,电压源,电源的外特性,U0=E,电压源的外特性,理想电压源,O,电压源,若R0=0,理想电压源,理想电压源:UE,4、理想电压源（恒压源）,若R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源。,(2)U=任意值，由外电路决定,理想电流的伏安特性:,外特性曲线,I,U,IS,O,(1)IIS,请集中2分钟的精神,如何理解理想电流源的输出电压取决于外电路？,外电路要多少电供多少电。当然，不要超额。,1.3基尔霍夫定律,本节的要求：掌握KCL、KVL的内容；能熟练地列写KCL、KVL方程,本节是本章的重点！,支路：电路中的每一个分支。一条支路流过同一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路（中空）的回路。,介绍几个名词,重点开始啦！,1.基尔霍夫电流定律(KCL),定律的内容：,即:入=出,叙述法之一：在任一瞬间，流进任一结点的电流等于流出该结点的电流。,一般地:=0,例：对于结点a，有：,I1+I2=I3,或：I1+I2I3=0,KCL的实质:电流连续性的体现。,1.基尔霍夫电流定律(KCL),定律的内容：,一般地:=0,叙述法之二：在任一瞬间，流进（或流出）任一结点的电流代数和为零。,一般地：流进结点：+流出结点：,均为：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。,KCL的推广应用：,I=?,例:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,这些电流：有的为正；有的为负,2.基尔霍夫电压定律（KVL),定律的内容：,叙述法之一：在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路绕行一周，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：,E1=I1R1+I3R3,I2R2+I3R3=E2,或I1R1+I3R3E1=0,或I2R2+I3R3E2=0,即:电位升=电位降,即：U=0,叙述方法之二：在任一瞬间，沿任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,2.基尔霍夫电压定律（KVL),定律的内容,U=0,一般地：电位降：+电位升：,电位升=电位降E2=UBE+I2R2,U=0I2R2E2+UBE=0,开口电压可按回路处理,对回路1：,KVL的推广应用,本重点讲解大约需要0.9分钟！坚持就是胜利！,注意：1、KCL、KVL具有普遍性，适用于由不同元件构成的电路，也适用于任一瞬时任何变化的电流和电压。2、使用KCL、KVL前要先在电路图上标出电流、电压或电动势的参考方向。,例1：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6R6I