第一章--电路的基本概念和基本定律.ppt

第一章电路的基本概念和基本定律,第一节电路和电路模型第二节电路中的主要物理量第三节电路的基本元件第四节基尔霍夫定律本章小结,1-1电路和电路模型,电路实际线绕电阻的特征理想元件电路模型,电路,电路是各种电气元器件按一定的方式连接起来的总体。,电路的组成：1.提供电能的部分称为电源；2.消耗或转换电能的部分称为负载；3.联接及控制电源和负载的部分如导线、开关等称为中间环节。,实际线绕电阻的特征,电阻特征:有电流通过时，除了对电流呈现阻碍作用;电感特征:有电流通过时,在导线的周围产生磁场；电容特征:有电流通过时,在各匝线圈间存在电场。,理想元件,为了便于对电路进行分析和计算，我们常把实际元件加以近似化、理想化，在一定条件下忽略其次要性质，用足以表征其主要特征的“模型”来表示，即用理想元件来表示。,例,“电阻元件”是电阻器、电烙铁、电炉等实际电路元器件的理想元件，即模型。因为在低频电路中，这些实际元器件所表现的主要特征是把电能转化为热能。用“电阻元件”这样一个理想元件来反映消耗电能的特征。,“电感元件”是线圈的理想元件；“电容元件”是电容器的理想元件。,电路模型,由理想元件构成的电路，称为实际电路的“电路模型”。图1-2是图1-1所示实际电路的电路模型。,首页,电流及其参考方向电压及其参考方向关联参考方向电动势电功率和电能,1-2电路中的主要物理量,电流的分类,直流（DC）：大小和方向均不随时间变化的电流。,直流,交流,交流（AC）：大小和方向均随时间变化，且一个周期内的平均值为零的电流。,电流的定义和实际方向,对于直流，若在时间t内通过导体横界面的电荷量为Q，则电流为,对于交流，若在时间dt内通过导体横界面的电荷量为dq，则电流瞬时值为,（1-1）,电流的实际方向规定为正电荷运动的方向。,电流的单位：安培（A），千安（kA）和毫安（mA）。,电流的参考方向的引入,参考方向的引入：对复杂电路由于无法确定电流的实际方向，或电流的实际方向在不断的变化，所以我们引入了“参考方向”的概念。,?,电流参考方向的含义,参考方向是一个假想的电流方向。实线参考方向（虚线实际方向）。i0，则电流的实际方向与电流的参考方向一致；i0，则电流的实际方向和电流的参考方向相反。,电压的定义和实际方向,对于直流，电路中A、B两点间电压的大小等于电场力将单位正电荷Q从A点移动到B点所做的功W。即,对于交流，电路中A、B两点间电压的大小等于电场力将单位正电荷dq从A点移动到B点所做的功dw。即,（1-2）,若电场力做正功，则电压u的实际方向从A到B。,电压的单位：伏特（V），千伏（kV）和毫伏（mV）。,电位,在电路中任选一点为电位参考点，则某点到参考点的电压就叫做这一点（相对于参考点）的电位。当选择O点为参考电位点时，,（1-3）,电压是针对电路中某两点而言的，与路径无关。所以有,（1-4）,电压的实际方向是由高电位点指向低电位点,电压参考方向的标注及含义,参考方向是由A点指向B点,参考高电位端,当u0时，该电压的实际极性与所标的参考极性相同，当u0时，该电压的实际极性与所标的参考极性相反。,建议采用：参考极性标注法,例1-1在如图1-6所示的电路中，方框泛指电路中的一般元件，试分别指出图中各电压的实际极性,解,（1）a图，a点为高电位，因u=24V0,所标实际极性与参考极性相同。（2）b图，b点为高电位，因u=12V0,所标实际极性与参考极性相反。（3）c图，不能确定，虽然u=15V0,但图中没有标出参考极性。,各电压的实际极性,关联参考方向,电流参考方向是从电压的参考高电位指向参考低电位,关联,非关联,电动势,定义电源内部的局外力（电源力）将正电荷由低电位移向高电位，使电源两端具有的电位差称为电动势，用符号e（或E）表示。,电动势既有大小又有方向（极性）。电磁学中规定电动势的实际方向由低电位指向高电位。电动势和电压的参考方向如图1-9所示。,电动势的方向,实际方向,参考方向,图19,电功率,电功率是指单位时间内，电路元件上能量的变化量。即,（1-5）,在电路中，电功率简称功率。它反映了电流通过电路时所传输或转换电能的速率。,功率的单位：瓦特（W），千瓦（kW）和毫瓦（mW）,功率有大小和正负值,元件吸收的功率,p0，则该元件吸收（或消耗）功率,p0，则该元件发出（或供给）功率,例1-2试求如图1-8所示电路中元件吸收的功率。,解,（1）a图，所选u、i为关联参考方向，元件吸收的功率P=UI=4（3）W=12W此时元件吸收功率12W，即发出的功率为12W。(2)b图，所选u、i为非关联参考方向，元件吸收的功率P=UI=（5）3W=15W此时元件吸收的功率为15W。,(3)c图，u、i为非关联参考方向，P=UI=42W=8W即元件发出的功率为8W。,(4)d图，u、i为关联参考方向，P=UI=（6）（5）W=30W即元件吸收的功率为30W。,首页,电能,定义电能是指一段时间内电路消耗的功率，用W（或w）表示。即,若功率随时间变化，则,式中，电压电流为关联参考方向。w0，吸收电能；w0，表示吸收能量，wL0，表示发出能量。,若电感元件原先未储能，即i(0)=0，则,电压源,电压源是实际电源（如干电池、蓄电池等）的一种抽象，是理想电压源的简称。,符号,伏安特性,电压源表达式,对恒压源,电压源的伏安关系为,电压源的两个特点,无论电源是否有电流输出，U=，与无关；,开路,接外电路,由及外电路共同决定。,例,电路如图，已知Us=10V,求电压源输出的电流。外电路R有两种情况（1）R=5（2）R=10,解,（1）R=5,由电压源特性知，,（2）R=10,电流源,电流源也是实际电源（如光电池）的一种抽象，是理想电流源的简称。,符号,伏安特性,电流源表达式,对恒流源,电流源的伏安关系为,电流源的两个特点,电流恒定，即，与输出电压U无关；,U由及外电路共同决定。,首页,例1-5,电路如图a所示，若,试求电阻R,吸收的功率和电流源发出的功率。,解,由于电流源两端的电压是由外电路决定的，本题中设其两端的电压为,故电流源发出的功率为48W。,例1-6,电路如图a所示，若,试求电阻R,的电压和电压源发出的功率。,解,故电流源发出的功率为48W。,设电路的电流为I,又由于电压源的电压与电流是非关联参考方向，所以,1-4基尔霍夫定律,电路分析方法的根本依据几个有关的电路名词基尔霍夫电流定律（简称KCL）广义节点基尔霍夫电压定律（简称KVL）,电路分析方法的根本依据,元件的约束关系,电路的约束关系:基尔霍夫定律,U、i关联参考方向时,基尔霍夫电流定律，即KCL,基尔霍夫电压定律，即KVL,几个有关的电路名词,（1）支路：电路中具有两个端钮且通过同一电流的每个分支（至少含一个元件。,（2）节点：三条或三条以上支路的联接点。,（3）回路：电路中由若干条支路组成的闭合路径。,（4）网孔：内部不含有支路的回路。,基尔霍夫电流定律（简称KCL）,KCL指出：任一时刻，流入电路中任意一个节点的各支路电流代数和恒等于零，即,KCL源于电荷守恒。列方程时，以参考方向为依据，若电流参考方向为“流入”节点的电流前取“”号，则“流出”节点的电流前取“”号。,例1-7在如图1-30所示电路的节点a处，已知=3A，=2A，=4A，=5A，求。,解,将电流本身的实际数值代入上式，得,3A（2）A（4）A5A=0,据KCL列方程,=14A,广义节点,广义节点：任一假设的闭合面,=0,由KCL得,两套“、”符号,在公式i=0中，以各电流的参考方向决定的“、”号；电流本身的“、”值。这就是KCL定义式中电流代数和的真正含义。,基尔霍夫电压定律（简称KVL）,KVL指出：任一时刻，沿电路中的任何一个回路，所有支路的电压代数和恒等于零，即,KVL源于能量守恒原理。列方程时，先任意选择回路的绕行方向，当回路中的电压参考方向与回路绕行方向一致时，该电压前取“”号，否则取“”号。,例1-8在如图1-32所示电路中，已知=3V，=4V，=2V。试应用KVL求电压和。,解,方法一,步骤一：任意选择回路的绕行方向，并标注于图中,步骤二：据KVL列方程。当回路中的电压参考方向与回路绕行方向一致时，该电压前取“”号，否则取“”号。,回路：,回路：,步骤三：将各已知电压值代入KVL方程，得,回路：,回路：,两套“、”符号：在公式u=0中，各电压的参考方向与回路的绕行方向是否一致决定的“、”号；电压本身的“、”值。这就是KVL定义式中电压代数和的真正含义。,方法二,利用KVL的另一种形式，用“箭头首尾衔接法”，直接求回路中惟一的未知电压，其方法如图1-25所示。,回路：,回路：,将已知电压与未知电压的参考方向箭头首尾衔接,例1-9电路如图1-34所示，试求的表达式。,解,例1-11电路如图1-36a所示，试求开关S断开和闭合两种情况下a点的电位。,解,图1-36a图是电子电路中的一种习惯画法，图1-36a可改画为图1-36b.,（1）开关S断开时,据KVL,（2+15+3）k=（5+15）V,由“箭头首尾衔接法”得,或,2）开关S闭合时,首页,小结,一、研究电路的一般方法理想电路元件是指实际电路元件的理想化模型。由理想电路元件构成的电路，称为电路模型。在电路理论研究中，都用电路模型来代替实际电路加以研究。二、电压、电流的参考方向电路图中所标注的均是参考方向，并以参考方向为依据列方程。电压的参考极性用“、”标注，电流的参考方向用“”标注。当u(或i)0时，表明实际方向与参考方向一致，否则相反。,三、功率当元件的u、i选关联参考方向时，p=ui当元件的u、i选非关联参考方向时，p=-ui若p0,则该元件为耗能元件；若p0，则为供能元件。电路中功率是平衡的，即,四、电阻元件