电路分析第1章 电路的基本概念和基本定律.ppt

1、第一章电路的基本概念和基本法则，1.1电路和电路模型1.2电路中的基本物理量1.3欧姆的法则，电阻和电导1.4电气设备的额定1.5基尔霍夫法则1.6电路的等效1.7电压源和电流源及其等效转换1.8控制源课题1， 1.1电路和电路模型1.1.1电路首先看一个例子：图1-1-1是谁都知道的手电筒的实际电路结构图，图中，电池是产生电能的元件(设备)，把化学能转换成电能，电源(electric source ) 称为电珠是消耗电能的电路元件，将电能转换为光能，称为负载(load )的开关是控制元件，控制控制电路的导通和断开的导线发挥传输电能的作用。 图1-1-1，其中电路的下一个定义：电路(也称为网络

2、)以一定方式连接了各种电路元件和设备，完成了某项功能以便为人们生产和生活，或通常提供了电流流通路径实际电路必须包括电源、负载和中间部分。 电路依据其功能，两大类：的第一类是能量的产生传输分配电路，其典型例子是电力系统的输电线路。 在电力电路中，发电站把各种形式的能量(热能、水的电势、原子能、光能等)转换成电能的负载把电能转换成机械能、光能、热能等的中间环节(变压器、高低压输电线等)是电能第二类是信息的传递和处理电路，在此类电路中，作为被称为电源的信号源、也被称为激励的负载的是各种终端设备(例如，计算机的打印机收音机的扬声器、电话系统的电话机等)。 信息的传输和处理电路的输出信号也称为响应，其能

3、量只要能够满足负载设备的正常动作即可。 电路的中间部分由电子装置组成，并且主要用于信号的处理、放大、传送和控制等。 1.1.2电路模型不同电路和电路元件的几何尺寸大小，各种电气设备的结构复杂简单。 为了研究复杂的现实问题，理论分析多用有限的几个理想电路元件来表现施工中的各种设备和电路元件。 例如，电阻只是具有消耗电能的特性，我们用电阻代替具有这种特性的电灯、电炉等设备，这种替代会带来一定的误差，但在一定条件下可以忽略这种微小的误差，在明确了基本规律后，在实际工程问题上需要更精密地研究的情况下由理想电路元件构成的电路被称为电路模型，通过特定符号连接实际电路元件的电路被称为电路图。 一般理想的器件

4、有两个端子按钮，称为双端子电路元件。 未说明具体性质的二端子电路元件用块符号表示，如图1-1-2(a )所示，仅表示抽象的一般的二端子电路元件，其具体性质可以根据该元件上的物理量的关系来决定。 图1-1-2(b )所示的符号表示电池，长线表示正极，短线表示负极(短线可以画得粗)。 图1-1-2(c )是表示理想电压源的符号，其正负标记在圆圈之外。 图1-1-2(d )是表示理想的电阻元件的一般符号，可以表示在满足容许的工程误差的条件下白炽灯、电炉、电炉等消耗能量的电路元件。 图1-1-2和图1-1-3是最简单的电路模型(也是图1-1-1的电路模型)。 图中Us是理想的电压源，向电路供电的r是理

5、想的电阻元件，仅消耗电力的s是开关元件，连接控制电路的接通和断开这三个元件的细实线是理想的导线，起到了输送电力的作用。其他类型电路元件(如电容元件、电感元件和晶体管)的电路型号符号将在相关章节和课程中介绍。 这里，用图1-1-3形式的电路模型描述的电路称为集合参数电路。 这样的电路模型的各要素，在运动学中研究物体的运动时，可以认为没有在一定的条件下将某个物体视为质点这样的几何尺寸的大小。 今后，定义线性电路、非线性电路、时变电路、时变电路等。 图1-1-3、1.2电路的基本物理量，在电路问题上，分析和研究的物理量多，主要是电流、电压和功率，电流、电压是电路的基本物理量。 关于单位制，我国在19

6、84年2月规定使用统一国际单位制(lesystemeintrannationaltdunits，简称SI )。 在国际单位制中，电磁场采用了长单位米(m )、质量单位千克(kg )、时间单位秒(s )、电流单位安培(a )四个基本单位。 除了SI单位之外，实际上在需要使用大单位和小单位时，在SI单位前加前缀。 例如，大长度单位为公里(km )，小长度单位为毫米(mm )等。 常用的词头参照表1- 1，以后研究电路物理量的单位时，以SI单位制执行，需要采用小的单位时，可以在SI单位前加词头。 分别叙述电流、电压、功率等几个物理量的基本概念。 表1-1 SI常用词头，1.2.1电流电荷或带电质点有

7、规则取向运动，形成电流(electric current )。 已知金属导体中有很多带负电荷的自由电子，在常态下，这些自由电子在金属内部做不规则的热运动，无法形成电流。 如果在导体的两端施加电源，则施加电场，如图1-2-1所示，通过电场力向自由电子逆电场力方向运动而形成电流，更准确地说，将该电流称为传导电流(conduction current )。 图1-2-1，表示电流强弱的物理量被称为电流强度(current intensity )，用字母I或i(t )表示，电流是物理现象，在电路分析和工程中多将电流强度简称为电流。 电流强度在数值上与单位时间通过导体截面的电荷量相等。 在图1-2-1中

8、，若设在t时间内通过横截面s电荷量为q，则有(1-2-1)极限，在(1-2-2)式中，q(t )表示q的大小的时间变化电流的方向规定正电荷运动的方向，这个方向称为真方向。 在简单的电路中，电流的真正方向很明确，从电源的正极流出，从电源的负极流入。 在一些复杂的电路中，实际方向很难知道。 图1-2-2中的R6有电流流动，但实际方向只有三种情况：中的一种，从a流向b的第二种是从b流向a，其中三种电流为零。 如图1-2-2所示，电流可以用代数描述，即用箭头指正方向，即假定正电荷的运动方向(称为基准方向)。 如果真方向与基准方向相同，电流为正值，真方向与基准方向相反，则电流为负值。 今后，如果没有特别

9、说明的话，可以认为电路图上画的箭头是电流的参考方向。 电流单位为安培(ampere )，安培(a )，计算大电流时为千安(kA )，计算小电流时为毫安(mA )，微安培(a )。 根据电流的定义式(1-2-1)和式(1-2-2)，安培和电荷量的单位库仑(c )和时间的单位秒(s )的关系是(1-2-3)，即，在1秒内通过导体截面的电荷量为1库仑，电流强度为1安培。 电流可以随时间而变化，也可以不规则地变化，图1-2-3显示了一些例子。 图1-2-3(a )是按正弦规律变化电流，图1-2-3(b )是不规则变化的电流，图1-2-3(c )是一定的电流。用交流电流(alternate curren

10、t )、交流(ac或ac )、小写I或i(t )表示图1-2-3(a )所示的有正、负变化的电流，用直流电流(dc或dc )、大写I表示一定变化的电流图1-2-3、1.2.2电压、电位、电动势1电压，为了在电源的外部电路中使电荷运动生成电流，电荷需要电场力。 如图1-2-4所示，电源的a极板带正电荷，b极板带负电荷，因此在两极板间形成电场，其方向从a朝向b。 如果用引线将负载和电源的正、负极板连接到闭合电路上，正电荷会通过电场力从正极板a经由引线和负载向负极板b (实际上自由电子从负极板b经由引线和负载向正极板a )运动而形成电流，此时，电场力作用于正电荷，因此，将电场力作用的能力作为电压(另

11、外，图1-2-4、a、b这两点的电压由u(t )或uAB表示，在数值上是正的单位正电荷在电场力的作用下，a点经由外部电路向b点移动的电场力的功能。 设电场力移动电荷为dq(t )，功为dw(t )，则a、b两点电压u(t )在国际单位制(SI )中，电压的单位为螺栓(volt )，简称螺栓(v )，功与电荷量的单位的关系为(1-2-4)、(1-2-5) 在理论计算和工程中，大电压以千伏(kV )为单位，小电压以毫安伏(mV )或微伏(v )为单位。 外部电路、电压的真方向规定为正电荷的运动方向。 如图1-2-4所示，正电荷通过负载从a点移动到b点，当用箭头表示a、b间的电压方向时，箭头表示从a

12、朝向b的 ，表示时，a为 ，b为 。 如果两点之间的电压的大小随时间变化，则是交流电压，用小写字母u(t )表示。 如果两点之间的电压大小不随时间变化，则用直流电压，用大写的u来表示，这种不变的电压也称为恒定电压。 2电位在电气设备的调整和检查中，经常测量各点的电位，看是否满足设计要求。 电位(potential )是测量电路中各点具有的电位能量的大小的物理量。 电位定义为从数值上：电场力被赋予单位正电荷的点向基准点(也称为零电位点或接地点)移动的功。 电路分析中变化的电位用小写字母v或v(t )表示，一定电位用大写字母v表示。 电位和电压有内在的关系，如图1-2-5所示，如果将b点设为基准点

13、(即vB=0)，则该a点的电位是vA，a、b之间的电压是u(t )，因此根据电压和电位的定义，u (t )=va-VB=va-0=va (1 设b点电位为vB，同样地u(t)=vA -vB=0- vB=- vB (1- 2- 7)在电路中用曲线符号“”表示基准点。 在图(a )中，将c作为基准点，将a点电位设为vA=2 V，将b点的电位设为vB=1V，将c点的电位设为vC=0V 由此可知，电位的数值与基准点有关。 但是，无论哪个决定电路基准点如何变化，任意两点之间的电压值都不变化。 如图1- 2- 5(a )所示，a、c间电压在u(t)=vA - vC=2-0=2 V (1- 2- 8)图1-

14、 2- 5(b )中，a、c间的电压在u(t)=vA - vC=1-(-1)=2 V (1- 2- 9)中下标如a、b所示，a点表示电压的正极性，b点表示电压的负极性。 从式(1-2-9)可以看出，两点间的电压与两点间的电位差(与基准点的选择无关)，即电压的数值与基准点无关。因此，电压也称为电位差(potential difference )，电压和电位由通过电场力移动正电荷的功定义，因此电位的单位与电压的单位相同，也是伏特(v )。 3电动势(electromotive force，emf )对于电源来说。 在图1-2-4所示的电路中，正电荷通过电场力从a极板持续流过b极板，如果没有外力的作

15、用，a极板因正电荷的减少而电位逐渐下降，b极板因正电荷的增加而电位逐渐上升，因此a、b两点之间的电位差减少，最后成为零。 为了维持导线的电流，必须在a、b两极板之间保持一定的电压。 这是在使因外力而移动到b极板的正电荷通过别的路径返回a极板的过程中，外力起到克服电场力的作用，该外力是非电场力，我们称为电源力。 为了测量电源力作用于正电荷的能力，导入电动势这一物理量。 电动势被定义为：电源力将单位正电荷从电源负(b极板)移动到正(a极板)的工作。 如果用小写字母e或e(t )表示变化的电动势，用大写字母e表示一定电动势，则式(1-2-10 )和式(1-2-4)的表现形式相同，但是必须区别e(t

16、)是电源内部，u(t )是电源以外的电路。 电动势的真正方向被规定为电源内部正电荷移动的方向。 用箭头表示其方向时，如图1-2- 4所示，从电源负向正。 电动势的单位与电压相同，也是伏特(v )。(1-2-10 )、1.2.3电力和电能1电力如上所述，将在dt时间内正电荷dq(t )通过电场力，经由外部电路从a点移动到b点的功设为dw(t )，则将在单位时间内电场力起作用的功表示为p(t )，将电力(即，根据电流和电压的定义，有p(t)=u(t)i(t) (1-2-12 )、(1-2-11 )，关于直流电流和直流电压，设功率为p，则P=UI (1-2-13 )功率的SI单位为瓦(watt )，简称为瓦(w )，即式、(1-2-14 )对于大功率，以千瓦