电路的基本概念与基本定律

封面,长江学院电路分析基础多媒体课件,主讲：李雪梅,第1章电路的基本知识,内容,电子学概论,应用物理,应用化学,应用数学,电子学,电子学概论,基础理论与技术,系统技术,元器件、材料与工艺,交叉专业与学科,1.1电路的组成和电路模型,电路指为了某种需要由一些电气器件按一定方式连接起来的电流通路。电气器件泛指实际的电路部件，如电阻、电容器、电感线圈、晶体管、变压器等。,电子学概论,电路由电气器件按一定方式连接起来的电流的通路。,电路组成,电源：,可将其他形式的能量转换成电能、向电路提供电能或电信号的设备。,负载：,可将电能转换成其他形式的能量、在电路中接收电能的设备。,中间环节：,电源和负载之间不可缺少的连接、控制和保护部件统称为中间环节，如导线、开关及各种继电器等。（用于传输电能和电信号）,电气器件：泛指实际的电路部件，如电阻器、电容器、电感线圈、晶体管、变压器等。,电路的作用,实现电能的传输和转换。例如电力系统。实现信号的传递和处理。如扩音机。,电路的组成,电路=电源+中间环节+负载,电路的组成,电路的组成,电源提供电能或电信号的设备；负载用电或者输出信号的设备；传输环节用于传输电能和电信号。,实际电路都是根据人们的需要将实际的电路元件或器件搭接起来，以完成人们的预想要求。如发电机、变压器、电动机、电阻器及电容器等但是，实际元器件的电磁特性十分复杂。为便于对电路的分析和数学描述，常将实际元器件理想化（即模型化）由理想电路元件组成的电路就是电路的电路模型。,电路模型,电路与电路模型,实际电路：,电路模型：,1.2电路的主要物理量及方向,电流概念:电荷有规则的定向运动大小:通过某处的电荷量与所需时间之比。方向:正电荷移动的方向单位:安培(A)、毫安(mA)、微安(A)直流（DC）、交流（AC),i=dq/dtI=q/t(直流),电流方向AB？,电流方向BA？,问题：为什么要设参考方向？,(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；,(2)根据参考方向和电路的基本定律，列出物理量间相互关系的代数表达式；,(3)根据计算结果确定实际方向。,解决方法：,参考方向：分析计算时，任意设定，电路中用箭头表示。,根据计算结果的正负确定实际方向：若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。,若I=2A，则电流从a流向b；,例：,若I=2A，则电流从b流向a。,电压,概念：电荷在导体中作定向运动时，一定要受到力的作用。如果这个力源是电场，则电荷运动就要消耗电场能量，或者说电场力对电荷作了功。为衡量电场力对电荷作功的能力，引入一新的物理量电压大小：a、b两点间电压Uab在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所作的功。也就是单位正电荷在移动过程中所失去的电能。,方向：电压的方向规定为由高电位（极性）端指向低电位（极性）端，即为电位降低的方向。在分析电路之前，可以任意选择某一方向为电压的参考方向。当实际电压方向与参考方向一致时，电压值为正，反之为负。单位：伏特(V)千伏(kV)毫伏(mV),电压,电动势,概念：表明单位正电荷在电源力作用下转移时增加的电能。(e)方向：电动势的实际方向是由电源低电位端指向电源高电位端。（电位升高的方向）在分析问题时可设参考方向。单位：电动势与电压的单位相同。为伏特(V)。,电位的概念：,电位,已知I2=2A，I3=2A，R1=10，R2=6，Uab=24V，E2=48V，E1=100V，R3=18。,b点为参考点，求电位Ua，Uc，Ud，和电压Uab，Ucd,2)c点为参考点，求电位Ua，Ub，Ud，和电压Uab，Ucd,例1：,1）以b点为参考点，Ub=0,结论：参考点不同，各点电位不同，但任意两点间的电位差（即电压）保持不变。,2）以c点为参考点，Uc=0,Uab=Ua-Ub=24V，Ucd=Uc-Ud=40V,或Ud=-I1R1+E1=60V或Ud=I2R2+E2=60V,Ud=Udb=,Uc=Ucb=,则Ua=Uab=24V，,则Ua=Uac=,Ub=Ubc=,Ud=Udc=,Uab=Ua-Ub=24V，Ucd=Uc-Ud=40V,E1=100V,I3R3+Uab=60V,-I3R3-I1R1=-76V,-E1=-100V,-I1R1=-40V,I1=4AI2=2AI3=2AR1=10R2=6R3=18E1=100VE2=48V,电压是绝对的：电路中任意两点之间的电压是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,电位是相对的：参考点不同，电路中各点的电位不同；,电压、电位和电动势的参考方向（P6）,采用参考极性表示（在电路图上标出极性）采用箭头表示采用双下标表示,参考方向需要注意的几个问题,电流、电压的方向是客观存在的，但很难事先判定。参考方向是人为规定的电流、电压数值为正的方向，在分析问题是需要先规定参考方向。参考方向一经规定，在整个分析计算过程中必须以此为准，不能变动。不标明参考方向而说某电流或某电压的值为正或负没有意义参考方向可以任意规定而不影响计算结果。,如图为关联方向定义的电压和电流,关联方向当a、b两点间所选择的电压参考方向由a指向b时，也选择电流的参考方向经电路由a指向b，这种参考方向的定义方式成为关联方向。（电流从电压的正极性流入该元件而从它的负极性端流出）,电功率（P）,U、I为关联参考方向时：P=UIU、I为非关联参考方向时：P=UI,单位:MW,kW,W,mW等,电功率：元件两端电压与电流的乘积,电阻在电路中一定消耗功率,起负载作用;恒压源或恒流源在电路中可能吸收功率（负载），也可能发出功率（电源）。,（电源与负载的判别）,根据实际方向判：若U和I的实际方向相反，电流“+”端流出，则该元件发生功率，起电源作用；若U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，取用功率，起负载作用。根据参考方向判：参考方向相关联P=UI或非关联P=-UI得到的功率为正值，吸收（消耗）功率为负载；参考方向相关联P=UI或非关联P=-UI得到的功率为负值，提供（产生）功率为电源。,例1图1-3中已知U1=-1V，U2=-3V，U3=-1V，U4=1V，U5=2V，I1=4A，I5=-2A,I3=-2A试判断各元件是电源还是负载，并验证功率平衡,元件1，3，4，5为负载；元件2为电源,线性电阻元件的欧姆定律,电阻元件电流、电压电阻元件是一种最常见的理想电路元件，它是一个二端元件。二端元件的端钮电流、端钮间的电压分别称为电流、电压。伏安特性电阻元件的特性可以用元件电压与元件电流的代数关系表示（电压电流关系VCR）也称为伏安特性。,电阻元件：伏安关系可用i=u平面过坐标原点的曲线来描述的二端元件。,线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的直线。,非线性电阻：伏安关系为u-i平面过坐标原点的曲线。,+u(t)-,i(t),1）通过的电流与端电压成正比即：i=uG或I=UG注意：电流、电压为关联参考方向2）具有双向性:伏安特性对原点对称3）耗能元件：p=ui=i2/G=u2G04）无记忆元件：i(t)=u(t)G,G单位：S(西门子),1.4理想电压源元件（有源二端元件）,1、定义：能独立向外电路提供恒定电压的二端元件。,2、符号表示,3、特点：恒压不恒流（1）电压源提供的端电压是一定值Us或是一时间函数us(t)，与流过电压源的电流无关。（2）电压源的端电压由自身决定，电流由外电路决定。,4、伏安关系：平行于i轴的一条直线。,5、重要特性：（1）电压源即可以提供电能，也可以消耗电能。（2）电压源提供的电流可以是无穷大。（3）电压源不起作用，相当于导线。,恒压源中的电流由外电路决定,设:US=10V,当R1、R2同时接入时：I=10A,例,R0越大斜率越大,电压源模型,伏安特性,U=USIRO,当R0=0时，电压源模型就变成恒压源模型,由电压源串联一个电阻构成,R0称为电源的内阻,P14掌握开路电压，短路电流值；实际电源的内阻的求解,1.5理想电流源元件（有源二端元件）,1、定义：能独立向外电路提供恒定电流的二端元件。,2、符号表示,3、特点：恒流不恒压（1）电流源提供的电流是一定值Is或是一时间函数is(t)，与电流源的端电压无关。（2）电流源的电流由自身决定，端电压由外电路决定。,4、伏安关系：平行于u轴的一条直线。,5、重要特性：（1）电流源即可以提供电能，也可以消耗电能。（2）电流源的端电压可以是无穷大。（3）电流源不起作用，相当于断路。,恒流源两端电压由外电路决定,设:IS=1A,I=ISUab/R0,当内阻R0=时，电流源模型就变成恒流源模型,电流源模型,由电激流并联一个电阻构成,受控源：依靠其它支路的电流或电压向外电路提供恒定电流或电压的元件。,电路结构特征：具有两条支路：电流源或电压源所在支路受控支路控制电流或电压所在支路控制支路,1.6受控源,电路中的基本物理量,下图所示电路为某电路的一部分，已知U1=4V,U2=-3V,U3=2V,I1=2A,I2=4A,I3=-1A,求各元件吸收或产生的功率。,电路中的基本物理量,功率平衡：对于一个完整电路而言，它吸收的功率与产生的功率总是想等的，即在任一时间t,任一电路中的所有元件吸收的功率的代数和为零。,支路：共3条,回路：共3个,节点：a、b(共2个）,基尔霍夫定律（克希荷夫定律）,包括电流定律(KCL)和电压定律(KVL)两个定律。,名词注释：,支路：共？条,回路：共？个,节点：共？个,6条,4个,独立回路：？个,3个,有几个网孔就有几个独立回路,例,7个,设：电路中有N个结点，B个支路,N=2、B=3,小结,在任一瞬间，流入某节点的电流之和等于由该节点流出的电流之和。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为0。,基尔霍夫电流定律的依据：电流的连续性,例,或：,若流入为正则流出为负,1、基尔霍夫电流定律（KCL）-应用于节点,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I1+I2=I3,I=0,I=?,广义节点,例,该图为直流电桥电路。已知I1=10mA,I2=20mA,I3=15mA,电流的参考方向如图中箭头所示。求其余支路的电流。,解：从结点a得I6=I1+I3=25mA从结点b得I5=I1-I2=-10mA从结点d得I4=I3+I5=5mA,对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电压的代数和为0。或者，电位降等于电位升。,例如：回路#1,即：,对回路#2：,对回路#3：,若电位降为正则电位升为负,2、基尔霍夫电压定律（KVL）-应用于回路,电压定律还可以扩展到开口（不闭合）电路。,(a),-U+EIR=0,(b),-U+E+IR=0,即U=EIR,即U=E+IR,节点a：,列电流方程,节点c：,节点b：,节点d：,b,a,c,d,（其中只有三个独立方程）,例1,