电工学-第1章电路基本概念和基本分析方法(1)100915

电工学

06:8003

曹全君

wgz@

为什么学习电工学电工学课程内容电工学指研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，以及电力生产和电工制造两大工业生产体系。电工的发展水平是衡量社会现代化程度的重要标志，是推动社会生产和科学技术发展，促进社会文明的有力杠杆。工科高等院校为各类非电专业开设的一门技术基础课。1800.伏打电能1831年M.法拉第电磁感应1905年福瑞斯真空管1947年肖克莱、巴丁，布拉顿晶体管发展历史顾毓琇《AnalysisandControlofNonlinearSystems》，TheRonaldPress,NewYork《ElectricEnergyConversion》，TheRonaldPress,NewYork《TransientCircuitAnalysis》，D.VanNostrand,Princeton,N.J.《AnalysisandControlofLinearSystems》，InternationalTextbookCo.,Scranton,PA智能电力系统电路的基础理论单相、三相交流电电气自动化装置电动机供电模拟电路数字电路课程考核总评=平时（20%）+实验（20%）期末考试（60%）任课老师联系方式Email：qjcao@Mible考书【1】《电工电子学》，叶挺秀主编，高等教育出版社，1999年第1版【2】《电工技术》，姚海彬主编，高等教育出版社，1999年第1版【3】《电工电子技术》，徐淑华，宫淑珍，电子工业出版社，2003年7月第1版【4】ElectricalEngineering,AllanR.Hambley,PrenticeHall,2nd,20021电路的基本概念与分析方法

1.1电路的基本概念1.2无源电路元件1.3有源电路元件1.4基尔霍夫定律1.5支路电流法1.6叠加原理1.7等效电源定理1.8受控源1.9一阶电路的过度过程1.1.1

电路

电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成的。电路的组成：电源、负载和导线、开关等。翻页实际电路电路模型第1章上页下页返回E+–SIR电力系统扩音器电路的作用实现电能的传输和转换实现信号的传递和处理电路的作用翻页上页下页返回第1章电灯电炉电动机发电机升压变压器降压变压器话筒扬声器放大器1.1.2电压、电流及其参考方向1.基本物理量W、kW、mWV、kV、mV、μVV、kV、mV、μVA、mA、μA(用电或供电)电源力驱动正电荷的方向（低电位高电位）电位降的方向（高电位低电位）

正电荷移动的方向高电位流向低电位PE（直流）

e（交流）U（直流）

u（交流）i（交流）I（直流）物理量单位方向功率电流电压电动势翻页上页下页返回第1章2.电压、电流参考方向

在复杂电路中难于预先判断某段电路中电流的实际方向，从而影响电路求解。问题电流方向ba,ab？abR5R2R1R3R4R6++E1E2E＋¯＋URIab电压、电流实际方向：翻页上页下页返回第1章¯

在解题前先任意选定一个方向，称为参考方向（或正方向）。依此参考方向，根据电路定理、定律列电路方程，从而进行电路分析计算。解决方法:计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为负，实际方向与假设方向相反。

由计算结果可确定U、I

的实际方向：翻页上页下页返回第1章解：假定I的参考方向如图所示。

则：（实际方向与参考方向相反！）

已知：E

=2V,R=1Ω问：当Uab为1V时，I=?翻页,上页下页返回第1章[例1.1.1]URE

IRabd＋－＋－

假定U、I

的参考方向如图所示，若I=-3A

，E

=2V,R=1Ω

Uab=？（实际方向与参考方向一致）解：翻页上页下页返回第1章URE

IRabd＋－＋－={[-(-3）]×1+2}V=5V[例1.1.2]3.为方便列电路方程，习惯假设I与U

的参考方向一致（关联参考方向）。

2.在解题前，先假定电压电流的“参考方向”，然后再列方程求解。当参考方向与实际方向一致时为正，否则为负。翻页上页下页返回第1章

小结1.电压电流“实际方向”是客观存在的物理现象，“参考方向”是人为假设的方向。

设电路任意两点间的电压为U，电流为I,则这部分电路消耗的功率为3电路功率如果假设方向不一致怎么办？功率有无正负？问题：翻页上页下页返回第1章bIRUa+-P=UI

若计算的结果P>

0,此部分电路吸收电功率

（消耗能量）,为负载。

若计算结果P<0,此部分电路输出电功率（提供能量）,为电源

。P=UI翻页上页下页返回第1章bIRUa+-已知：U=

10

V,I=

1A

。按图中

P=10

W

(负载性质）假设的正方向列式：P=UI

1

)

P为“＋”表示该元件吸收功率；P为“－”则表示输出功率。2）在同一电路中，电源产生的总功率和负载消耗的总功率是平衡的。小结：若：U=10

V,I=－1

A

则

P=－10W

（电源性质）IbaU＋－上页下页第1章返回本节结束[例1.1.3]1.2

电阻、电感和电容元件1.2.1

电阻元件1.2.2电感元件

1.2.3

电容元件第1章上页下页返回1.2.4

额定值翻页上页下页第1章返回1.2.1电阻元件电阻（R）：具有消耗电能特性的元件。

伏安特性：电阻元件上电压与电流间的关系称为伏安特性。Riu＋－iu当电压与电流之间不是线性函数关系时，称为非线性电阻。当恒定不变时，称为线性电阻。翻页iu＋-第1章上页下页返回Riu＋－

伏-安特性曲线iu

伏-安特性曲线翻页第1章上页下页返回

实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。式中ρ称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l

是导体的长度，S

为导体的截面积。电阻的单位是欧姆（Ω），千欧（kΩ）。乔治·西蒙·欧姆(GeorgSimonOhm，1789—1854)翻页第1章上页下页返回几种常见的电阻元件普通金属膜电阻绕线电阻电阻排热敏电阻1.2.2电感元件

单位：H,mH,H单位电流产生的磁链

电感：能够存储磁场能量的元件。翻页上页下页第1章返回L符号i电感元件的基本伏—安关系式电感元件的基本关系式翻页其中：第1章上页下页返回uiL+-eL+-u=Ldidt电感是一种储能元件，储存的磁场能量为电感元件在直流电路中相当于一根无阻导线!翻页第1章上页下页返回翻页第1章上页下页返回

线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近介质的导磁性能等有关。

对于一个密绕的N

匝线圈，其电感可表示为

式中μ即为线圈附近介质的磁导率（H/m)，S为线圈的横截面积（m2)，l是线圈的长度（m）。约瑟夫·亨利（HenryJoseph1797-1878）翻页第1章上页下页返回几种常见的电感元件带有磁心的电感陶瓷电感铁氧体电感

1.2.3电容元件C相当于开路!电容元件在直流电路中：电容：具有存储电场能量特性的元件。翻页i=0第1章上页下页返回ui＋－Ci=Cdudt电容元件的基本伏—安关系式i=dud

tCdqdt=dudt=0

电容是一种储能元件，储存的电场能量为：第1章上页下页返回翻页

电容器的电容与其极板的尺寸及其间介质的介电常数有关。式中ε即为其间介质的介电常数（F/m)，S

为极板的面积（m2)，d是极板的距离（m）。翻页第1章上页下页返回几种常见的电容器普通电容器电力电容器电解电容器理想元件的伏安关系第1章上页下页返回RLCu=Rii=Cdudtu=Ldidt翻页（u与i参考方向一致）第1章上页下页返回1.2.4电气设备的额定值任何电气设备的电压、电流和功率都有一定的限额，额定值是电气设备的最合理的使用值。额定转速nN额定电压UN额定电流IN额定功率PN负载设备通常工作于额定状态。*

电源设备的额定功率标志着电源的供电能力，是长期运行时允许的上限值。*电源输出的功率由外电路决定，不一定等于电源的额定功率。*本节结束1.3有源电路元件

1.3.1

理想电压源和理想电流源1.3.2实际电源模型及等效互换下页上页返回第1章1.3.1理想电压源和理想电流源理想电压源简称电压源。US+__(a)符号USU0I理想电压源(c)外特性曲线(b)电压源电路IRLUS+_＋U－特点：

1.输出电压恒定不变或随时间变化us(t)2.输出电流由负载的大小决定理想电流源简称电流源。特点：

1.输出电流恒定不变或随时间变化is(t)2.端电压由负载的大小决定RLI＋U－IS(c)电压源电路IS(a)符号U0I理想电流源IS(b)外特性曲线分析：IS

固定不变,US

固定不变。USIRU-=翻页上页下页第1章返回IsU=?＋－IUS+-R所以：

I=Is,

已知：Is

，US

，R

问：I

等于多少？U

又等于多少？[例1.3.1]解：1.Uab=US

,

2.若R

减小为1Ω，电流源的功率不变！电压源的功率IUs

=I–Is=3A

增大！P=USIUs=12WI=USR=4A翻页上页下页第1章返回为什麽？

已知：Is

，US

，R0试分析：[例1.3.2]US+bRIsIIUsa-1A4V2Ω2.若使R减小为1Ω，I如何变？两个电源的功率如何变？1.I等于多少？I=USR=42=2A1.3.2实际电源的模型1.实际电源的模型电源模型电压源模型电流源模型具有相同的外特性ISUS下页上页翻页第1章返回IU+-实际电源实际电源的外特性IUORba2.电压源模型翻页U=US-IR0--外特性方程第1章下页上页返回IR+U-USR0+–外特性曲线IUUSUSR0

O3.电流源模型I=IS-IR0---外特性方程翻页上页下页第1章返回外特性曲线baIR+U-R0IR0IsUIISO1.3.3两种电源的等效互换翻页上页下页返回第1章U＋－RLI

电源IUS+UR0＋－－IsR0U＋－I等效互换条件U=UsI·R0U=IR0·R0=Is·R0I·R0=(

IsI)·R0翻页上页下页第1章返回IUS+UR0＋－－IsR0U＋－IIUIR0

Us=

R0=R0Is·R0电压源模型

电流源模型电流源模型

电压源模型R0USIs

=R0=R0US=Is·R0

R0=R0下页上页第1章翻页返回IUS+UR0＋－－IsR0U＋－IIsR0U＋－IIUS+UR0＋－－2）所谓“等效”是指“对外电路”等效（即对外电路的伏－安特性一致），对于电源内部并不一定等效。例如，在电源开路时：1）电压源模型与电流源模型互换前后电流的方向保持不变，即IS和Us方向一致。R0

不消耗能量

消耗

能量R0

上页下页第1章翻页返回说明IUS+UR0＋－－IsR0U＋－I

1.4基尔霍夫定律

基尔霍夫定律是电路作为一个整体所服从的基本规律，它阐述了电路各部分电压或各部分电流相互之间的内在联系。

基尔霍夫电流定律(KCL)(Kirchhoff’sCurrentLaw)基尔霍夫电压定律(KVL)(Kirchhoff’sVoltageLaw)翻页返回名词注释：支路：连接两个结点之间电路。同一支路流过电流相同。回路：电路中任一闭合路径称为回路。支路：acb,ab,adb(b=3）回路：adbca,abca,abda(L=3）结点：a,b,(n=2）结点：三个或三个以上电路元件的联结点。网孔：单孔回路。翻页网孔（m=2）aUS1dbc_+R1_+R2R4R3R2US2US1返回1.基尔霍夫电流定律(KCL)依据：电流的连续性。内容：在任何电路中，任何结点上的所有支路电流的代数和在任何时刻都等于零。即

翻页I1I2I3I4表明联接电路中同一结点处各支路电流之间的关系返回∑i入＝∑i出

∑i＝0广义结点

包围部分电路的任意封闭面

基尔霍夫电流定律的扩展应用

--用于包围部分电路的任意封闭面I1=I3+I6翻页R5US5US1I1d_aR6I3bc_+R1+_+R4R3R2US6I6返回I=?KCL的扩展应用举例翻页IsR2R3U