第1章 电路的基本概念和基本定律.ppt

1、1.1 电路的作用与组成,1.2 电流和电压的参考方向,1.3 电路的基本元件,1.4 电路的基本定律,1.5 电路的电位及其计算,内容, 重 点,1.1 电路的作用与组成,一、电路的作用：, 能量（电能）的传输、分配和转换，如电力系统（强电）,为何要升压高压传输？, 信息的采集、传递和处理，如半导体扩音器电路（弱电）,二、电路的组成：,中间环节：其繁简决定了电路的复杂程度,导线、开关 （中间环节）,开关S,1.2 电流和电压的参考方向,一.实际方向：物理中对电量规定的方向,电流：正电荷移动的方向。,电压：由高电位到低电位即电位降低的方向,电动势：电源内部由低电位到高电位即电位升高方向,简单电

2、路：,(1)复杂电路：事先无法确定某电流或电压的实际方向。为分析方便而假设的方向。,为什么要引入参考方向？,(2)交变电路：电流和电压是交变的，无法标出实际方向。为分析方便也要事先假设电压或电流的方向。,二. 电流和电压参考方向（正方向）,1.参考方向的定义,2.参考方向的表示方法（标注）：,电流参考方向有两种标注表示：, 箭头表示法：箭头的指向为电流的参考方向。, 双下标表示法：如iAB,电流的参考方向由A点指向B点。,电路分析中的假设方向，是人为设定的方向，称为参考方向,电压参考方向有三种表示方法：, 箭头表示法：箭头指向为电压（降）的参考方向, 正负极性表示法：由正极指向负极的方向为电压

3、的参考方向, 双下标表示法：如UAB ,由A指向B的方向为电压 的参考方向,3.参考方向与实际方向的关系：,i 0,i 0,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,例如：,U1=10V，U2=5V,URU1U2=5V,I=UR/5=1 A,U1=5V，U2=10V,则,URU1U2=510=5V,I=UR/5=1 A,三.电流与电压的关联方向,关联方向： 与 的参考方向一致,对任一元件或一段电路,非关联方向： 与 的参考方向相反,小结：,注意：欧姆定律在不同参考方向下形式不同。为方便分析计算，一般设电压与电流为关联方向。,参考方向下的欧姆定律,关联

4、方向时,非关联方向时,四.电路的功率,1.功率的概念：设电路中任意两点间的电压为 U ,流入此部分 电路的电流为 I， 则这部分电路的功率为:,P = UI或 pui,2.功率的计算：,P = UI或 pui,3.功率性质：,解：各方框电路的功率为：,U1=14V,I1=2A； U2=10V,I2=1A； U3=-4V,I4=-1A,功率平衡,本例目的：熟悉功率计算公式，体会功率性质并验证功率平衡,如图所示，当电路中有多个电源元件时， 各个电源元件是否都起电源作用（发出功率）？,提示：一定要通过计算各电源元件功率P 确定其性质！,当U1=10V，U2=5V时,I(U1U2)/5=1A,当U1=

5、5V，U2=10V,则,I(U1U2)/5= 1A,U1为电源发出功率， U2为负载吸收功率。,U2为电源发出功率， U1为负载吸收功率。,1.3 电路元件,伏-安特性： u=R i （u，i关联）,线性电阻,非线性电阻,一、 电阻元件,电路符号,伏-安特性曲线：,功率关系:,说明电阻总是吸收功率，是负载，是耗能元件,即时性：电压电流都可以发生跃变,额定值：表示电气设备正常工作条件和工作能力的值 额定状态：实际值额定值。不要过载或欠载,连接与使用： 串联：顺序连接，电流相同。用于分压、调压、 限流、调流。注意等效电阻与分压公式。,并联：并行连接，电压相同。用于分流和调流 。 注意等效电阻与分流

6、公式。,常用的各种电阻器件(更多电阻知识),二、电感元件,电感L的定义：单位电流产生的磁链,即为自感系数，简称自感或电感 单位为H, mH, H,线性电感：韦安曲线为直线，Lconst，如空心线圈。,非线性电感：韦安曲线非直线，Lconst，如铁心线圈。,电磁感应定律 感应电动势阻碍电流变化，且其大小与电流变化快慢有关,对于线性电感,伏安关系,电压与电流的变化率成正比，电感是动态元件,说明1：,伏-安关系： 电压电流关系 （u，i关联参考方向下）,在直流电路中，电感相当于短路.,伏安关系的另一种形式,说明2：电感元件中t 时刻电流与以往各时刻的电压都有关系，电感元件具有记忆功能，是记忆元件,（

7、电能 磁场能）,0时，吸收能量，电能,0时，发出能量，磁场能,磁场能,电能,能量关系,可逆,设电感无初始储能，即t0时，i0，则电感t时刻储存的磁场能量记为WL(t）：,说明3：电感是储能元件，存储的能量与其电流的平方成正比。,电感的连接与使用：,串联：电感L1与L2顺序连接，电流相同。不考虑互感时:,并联：电感L1与L2并行连接，电压相同。不考虑互感时：,电感图片,磁棒电感线圈,双层空心电感线圈,工字形电感线圈,贴片电感,铁心电感线圈,磁珠电感,多层空心电感线圈,三、 电容元件,电容C的定义：单位电压下存储的电荷,（单位：F, F, pF）,电路符号,无极性,C =const时，为线性电容,

8、在直流电路中，电容相当于断路.,伏安关系,伏-安关系： 电压-电流关系 （u，i关联参考方向下）,伏安关系的另一种形式,说明2：电容元件中t时刻电压与以往各时刻的电流都有关，所以电容元件有记忆功能，是记忆元件,（电能 电场能）,0时，吸收能量，电能,0时，发出能量，电场能,电场能,电能,能量关系,可逆,设电容无初始储能，即t0时，u0，则电容t时刻储存的电场能量记为WC(t）：,说明3：电容也是储能元件，且存储的能量与电压的平方成正比。,电容的连接与使用,串联：电容C1与C2顺序连接，电流相同。,并联：电容C1与C2并行连接，电压相同。,电容图片,陶瓷电容,云母电容,薄膜电容,复合介质电容,铝

9、电解电容,钽电解电容,真空电容,电感 L,电容 C,电阻 R,u，i均可跃变,i不能跃变,u不能跃变,元件,电压电流关系,参数定义,能量,耗能元件,储能元件,储能元件,其他,电阻R,短路（u0）,开路（i0）,直流特性,E,理想,特点：输出电压U不变，其值恒等于电动势。 即 U E；,电源电流I由外电路决定。,四.理想电压源,当R1 R2 同时接入时： I=10A,当IS=1A的电流源接入时：I=-1A,本例目的：熟悉并体会恒压源的特点,特点：输出电流I不变， 其值恒等于电激流 即 I Is ；,输出电压U由外电路决定。,理想,五.理想电流源,R=10 时， U =10 V,当R=1 时， U

10、 =1 V,当又有E=5V的电压源接入时，U=E=5V,本例目的：熟悉并体会恒流源的特点,开关S闭合后图示各电压电流有无变化，如何变化？,Is不变,则I1不变，U1不变,S闭合后：R2与R3并联，其等效电阻减小，故U2 减小,U3U1+U2 也减小,各量如何变化?,五种理想电路元件分为无源元件和有源元件两类,无 源,二.基尔霍夫定律,例,基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current LawKCL），反映电路中支路电流间的约束关系。 基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage LawKVL），反映电路中某回路中电压间的约束关系。,1.4 电路的基本定律,一、欧姆定律,名词注

11、释：,结点（node）：三个或三个以上支路的联结点,支路（branch）：电路中每一个分支,回路（loop）：电路中任一闭合路径,网孔（Net）：未被支路分割的回路,acb,，ab,，adb,a,，b,acba,，adba,，acbda,acba,，adba,网孔均是回路，而回路不一定是网孔。,支路：ab、ad、bd 、cd、bc、ac （共6条）,回路：abda、 bcdb、 . （共7 个）,结点：a、 b、c、d (共4个）,网孔：abda、 bcdb、adca. （共3 个）,1.基尔霍夫电流定律（KCL）,内容： 对任一结点，在任一瞬间，流入结点的电流等于由结点流出的电流。或者说，在

12、任一瞬间，流进任意一个结点的电流的代数和为0。,依据：电流的连续性，电荷守恒,或：,列写KCL方程时， 各支路电流的方向采用的均是参考方向,!,4A,3A,1A,=?,-5A,8A,-7A,4 + 3 +(-7) =0,IA + IB +IC =0,KCL的推广：,结点 封闭面（广义结点）,流入任一封闭面的电流的代数和等于零。,?,KCL的普适性： 非线性电路,I0A,I11A,首先为回路选定一个绕行方向：顺时针或逆时针。,若选顺时针方向绕行时：,内容：任何时刻，沿任一回路绕行一周，各部分（元件）电压的代数和恒等于零。即,2. 基尔霍夫电压定律（KVL）,Uad +Udb + Ubc Uca

13、= 0,电阻电流的方向与回路绕行方向一致时，取“”号，反之取“-”号；电动势的方向与回路绕行方向相同时，取“”号，反之取“-”号,KVL定律的第二种形式 （IR）= E,!,Uca +Uad +Udb + Ubc = 0,I1R1 -I2R2 = E1 E2,I1R1 -I2R2 E1 +E2 =0,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 = E1,应用KVL列方程,R6,KVL的推广：,推论：电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。元

14、件电压方向与路径绕行方向一致时取正号，相反取负号。,回路 开路（假想闭合路径）,b,a,+,-,R1,E1,I1,c,Uab,I1R1 + Uab =E1,Uab = -I1R1 +E1,KCL、KVL小结：,KCL是约束结点上各支路电流的关系KVL是约束回路中各段电压关系。,KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,应用KCL或KVL定律前都必须先设定支路电流及相关电压的参考方向。,关键：寻找未知量少的合适的回路。 再应用KVL/KCL方程及欧姆定律求解,练习：在下图示电路中，求各理想电流源的端电压、功率及 各个电阻上所消耗的功率。,电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX” 。,电

15、位的计算: (1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位为零； (2) 标出各电流参考方向并计算； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,电位的概念,1.5电路中的电位及其计算,Vb = 0V， Va = 5V， Va Vb,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。,设 a为参考点， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,Ucd = Vc- Vd= 50V,b,a,Ucd = Vc- Vd= 50V,电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而