1第一章电路基本概念和基本定律

任课教师：邸彩芸,电路基础,一、电能的应用电能应用在工业、农业及国民经济各部门，在日常生活中也是不可缺少的。,1.电能的优越性（1）便于转换（2）便于传输（3）便于控制,2.不足之处难于储存,电路基础,第一章电路的基本概念与基本定律,第一节电路与电路模型第二节电路的基本物理量第三节基尔霍夫定律,一、电路的作用和组成,电路由若干电气设备或器件按一定的方式连接起来而构成的电流通路,1.电路的作用,电能产生、传输和转换,发电机,升压变压器,降压变压器,电灯电动机,热能,水能,核能转电能,传输分配电能,电能转换为光能,热能和机械能,(电源),(中间环节),(负载),第一节电路与电路模型,信号的传递和处理,放大器,扬声器,将语音转换为电信号,(信号源),信号转换、放大、信号处理,(中间环节),接受转换信号的设备,(负载),一、电路的作用和组成,1.电路的作用,第一节电路与电路模型,第一节电路与电路模型,一、电路的作用和组成,2.电路的组成,电源（信号源）：将非电能转换成电能的装置,(干电池,蓄电池,发电机),中间环结：把电源与负载连接起来的部分,(连接导线,开关),负载：将电能转换成非电能的用电设备,(电灯,电炉,电动机),电源,负载,导线,电路模型,实际电路,二、电路模型,手电筒电路,第一节电路与电路模型,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,所谓电路模型，就是把实际电路的本质抽象出来所构成的理想化了的电路。将电路模型用规定的理想元件和理想导线画在平面上形成的图形称作电路图。,第一节电路与电路模型,二、电路模型,今后我们分析的都是电路模型，简称电路。,电路模型只能反映实际电路的作用及其连接方式，不反映实际电路的结构、位置。,1.电阻:电路中消耗电能的理想元件,2.电容:电路中储存电场能的理想元件,3.电感:电路中储存磁场能的理想元件,理想电路元件是一种理想化的模型，简称电路元件。要求这些电路元件只包含单一的电磁关系，即每个元件仅有一个电磁约束关系，且电磁过程均发生在元件内部，所以在任何时刻，从具有两个端钮的理想元件的某一端钮流入的电流恒等于从另一端钮流出的电流，并且元件两个端钮间的电压值也是完全确定的。,二、电路模型,第一节电路与电路模型,理想电路元件：,消耗电能（电阻性）,产生磁场储存磁场能量（电感性）,忽略L,理想电路元件,第一节电路与电路模型,例如：,以上所说电路元件，都具有两个端钮，称为二端元件。这些元件又称为集总参数元件，由集总参数元件组成的电路称为集总参数电路,第二节电路的基本物理量,一、电流及其参考方向,电荷（电子、离子等）有规则的定向移动形成电流。电流的大小是用单位时间内通过导体某一横截面的电量进行衡量的，称为电流强度，用符号i表示,当电流i的大小和方向均不变时，称为直流电流，简称为直流（DC），常用大写的I表示,国际单位制(SI)中，电荷的单位是库仑(C)，时间的单位是秒(s)，电流的单位是安培，简称安(A)，实用中还有千安（kA）毫安(mA)和微安(A)等。,第二节电路的基本物理量,习惯上规定正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向为电流的正方向，并称为电流的实际方向。在分析与计算电路时，常可任意选定某一方向作为电流的参考方向。当电流的实际方向与其参考方向一致时，则电流为正值；当电流的实际方向与其参考方向相反时，则电流为负值。,一、电流及其参考方向,Iab=-Iba,第二节电路的基本物理量,应当指出：电流的实际方向是客观存在的；参考方向是假设的电流方向，可以任意假定，但是一经规定，在计算过程中便不得随意改变；在电路分析计算中，没有规定参考方向的电流数值的含义是不完整、不正确的,一、电流及其参考方向,第二节电路的基本物理量,二、电压、电位、电动势及其参考方向,1.电压及其参考方向,电场力把单位正电荷从电场中a点移动到b点所做的功，称为a、b两点的电压，用uab表示,电压的单位为伏特，简称伏(V)，实用中还有千伏(kV)，毫伏(mV)和微伏(V)等。,上式中，正电荷的电量用正值，负电荷的电量用负值；电荷失去能量用正值，电荷获得能量用负值。当dw/dq为定值时，称为直流电压，常用大写的U表示,第二节电路的基本物理量,二、电压、电位、电动势及其参考方向,电压方向（实际方向）习惯上规定为正电荷电能减少的方向，即电位降低（由高电位端指向低电位端）的方向。,电压参考方向任选一方向为电压正方向。,电压参考方向的表示方法：,Uab=-Uba,+、-极性表示,双下标表示,箭头表示,在规定的参考方向下，计算后，若u0，实际方向与参考方向一致u0时,则说明u、i的实际方向一致，此部分电路吸收电功率，为负载。,当计算得p0，吸收10W功率，是负载。（b）关联方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收10W功率，是负载。,第二节电路的基本物理量,解：元件A：非关联方向，P1=U1I=101=10W，P10，吸收6W功率，负载。元件C：关联方向，P3=U3I=41=4W，P30，吸收4W功率，负载。P1+P2+P3=10+6+4=0，功率平衡。,例：I=1A，U1=10V，U2=6V，U3=4V。求各元件功率，并分析电路的功率平衡关系。,第二节电路的基本物理量,基本物理量之间的普遍规律,第三节基尔霍夫定律,一、有关电路的几个名词,1.支路一个二端元件或同一电流流过的几个二端元件互相连接起来组成的分支称为支路。2.节点电路中3条或3条以上支路的汇集点称为节点。,3.回路电路中由若干条支路组成的，其中每一个节点与两条支路相连接的闭合路径称为回路。4.网孔将电路画在平面上，在回路内部不另含有支路的回路称为网孔。,支路：ab、acb、adb（共3条）,结点：a、b(共2个）,回路：acba、adba、acbda（共3个）,网孔：acba、adba（共2个）,第三节基尔霍夫定律,二、基尔霍夫电流定律（KCL）,1.内容：在任何时刻，流入同一节点的各支路电流的代数和恒等于零。,2.数学表达式：i=0,3.说明：规定流入结点的电流前面取“+”号，流出结点的电流前面取“-”号。电流是流出结点还是流入结点按电流的参考方向来判断。,第三节基尔霍夫定律,a,b,对结点a：,=0,+,+,-,对结点b：,=0,+,+,-,对任何结点，在任一瞬间，流入结点的电流等于由结点流出的电流。,第三节基尔霍夫定律,图示电路，各支路电流的参考方向确定。假定流出节点的电流取正号，对各节点列写KCL方程：,节点,节点,节点,节点,4.KCL的扩展KCL定律还可以扩展到电路的任意封闭面（广义结点）。,I=?,I1+I2=I3,I=0,第三节基尔霍夫定律,节点：1节点：2节点：3,将以上三式相加,得,第三节基尔霍夫定律,解：首先设定各支路电流的参考方向如图中所示，由于Uab=US=10V，根据欧姆定律，有,对节点a列方程，有,例：在所示电路中，已知R1=2，R2=5，US=10V。求各支路电流。,第三节基尔霍夫定律,KCL方程的列写方式,对闭合面,流入电流之和流出电流之和,对节点,节点：,节点：,节点：,例：求未知电流。,对各节点列KCL方程得,只求电流i5，对闭合边界S列写KCL方程,解：,：,：,：,：,三、基尔霍夫电压定律（KVL）,1.内容：对于任一电路中的任一回路，在任一时刻，沿着该回路的所有支路的电压降之和恒等于零。,2.数学表达式：u=0,3.说明：先任意指定一个回路的绕行方向，凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取“+”号，支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者，该电压前面取“-”号。,第三节基尔霍夫定律,对回路1,=0,+,+,-,对回路2,+,-,-,=0,基尔霍夫电压定律实质上是电压与路径无关这一性质的反映。,i1R1,i3R3,第三节基尔霍夫定律,基尔霍夫电压定律,在集中参数电路中，任一时刻、任一回路，各支路电压的代数和等于零。,回路1：,回路2:,回路3:,说明：平面电路网孔上的KVL方程是一组独立方程。设电路有b个支路n个节点，有且仅有b-(n-1)个独立KVL方程。,例：求图示电路中的未知电流和未知电压。,解：以节点为参考点。对于节点,对节点,对节点,对两个网孔分别列写KVL方程,假想回路,KVL适用,实际回路,假想回路,假想回路I,假想回路II,假想回路III,例：求各支路电压。,回路1：,回路2：,回路3：,回路4：,解：对图中各回路列写KVL方程,4.KVL的扩展KVL定律也应用于回路的部分电路。,把基尔霍夫电压定律适用的场合，由回路推广到电路中的任一假想回路。u=uab+ub-ua=0或uab=ua-ub,第三节基尔霍夫定律,u=u+u1-uS=0或u=uS-u1=uS-Ri,第三节基尔霍夫定律,解：,假定I的正方向如图所示。,则电路方程：,实际方向与假设方向相反！,已知：E=2V,R=1问