电路原理与电机控制第1章电路的基本概念与基本定律.

12•教材1.李承等编，电路原理与电机控制，北京：清华大学出版社，20082.徐安静周鑫霞主编，电工技术实验指导书，武汉：华中科技大学电工基地，2003•参考书目1.艾武、李承等编，电路与磁路，武汉：华中科技大学出版社，20022.杨传谱等编，电路理论学习指导书（修订版），武汉：华中科技大学出版社，20043.汪建等编，新编电路题解，武汉：华中科技大学出版社，20023序言一、本课程的性质与任务学科基础课程先修课程电路理论的体系电路分析：在给定的激励下，求结构已知电路的响应。电路已知激励给定响应待求re电路综合：在特定的激励下，为了得到预期的响应而研究如何构成所需的电路。电路未知激励已知目标给定re4电路分析的过程：实际电路电路模型电路分析分析结果电路的分类：(1)线性电路与非线性电路(3)集总参数和分布参数电路本课程研究的主要对象：线性、时不变、集总参数电路。(2)时变与时不变(定常)电路序言5二、学习方法1.学习本课程，要注意建立电路的基本概念。注意相关概念的内涵和外延。2.在学习电路理论的基本概念、基本原理和基本分析方法时，还要从电路模型和数学模型这两个方面去进行分析和探讨。掌握各种分析求解电路的方法。3.善于归纳和总结序言6第1章电路的基本概念与基本定律1.1电路组成与电路模型1.2电路的基本物理量及其参考方向1.4独立电源1.3电阻元件与欧姆定律1.5基尔霍夫定律71.1电路组成与电路模型•一、电路•1.电路——由各种电气设备和器件按实际需要组合而成的电流的通路。电路示意图信号源负载中间环节10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡扬声器放大器话筒8•2.组成：电路是由电源、负载和中间环节三个基本部分组成。•3.作用：(1)实现电能的传输、分配和转换;(2)实现电信号的传递和处理。激励：将电源或信号源的电压或电流称为激励；响应：激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应。电路分析：在已知电路的结构和元件参数的条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。一、电路9•1.理想电路元件——只反映单一电磁性能共性的电路模型的最小单元。*几种基本的电路元件：电阻元件(R)：表示消耗电能的元件电感元件(L)：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的作用。电容元件(C)：表示各种电容器产生电场，储存电场能的作用。电源元件(ES、IS)：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。•二、理想电路元件、电路模型10•电路模型：足以反映实际电路中电工设备和器件（实际部件）的电磁性能的理想电路元件或它们的组合。例1.RLRSUS+-•2.电路模型简称电路10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡•二、理想电路元件、电路模型11(a)Lab(b)RLab(c)CRLab例2：实际电感元件在不同应用条件下的电路模型。•二、理想电路元件、电路模型121.2电路的基本物理量及其参考方向一、电流及其参考方向tqtidd)(单位：kA、A、mA、μA。1kA=103A、1mA=10-3A、1μA=10-6A直流DC恒定电流I交流ACi周期：正弦、非正弦非周期•电流强度——单位时间内通过导体横截面的电荷量。•表达式：13大小方向(正负）电流任意假定的电流方向称为电流的参考方向。i0i0电流的参考方向与实际方向的关系：i参考方向i参考方向实际方向AABB实际方向参考方向方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。一、电流及其参考方向14例I1=1A例10V10I1+-I1=-1AI110V10+-URI+-R1R2R3R4R5R6U+-一、电流及其参考方向15•1.电压——库仑电场力移动单位正电荷由电场中的a点到为止b点所做的功，称为a、b两点间的电压。•表达式：qwuddab据定义单位：kV、V、mV、μV。1kV=103V、1mV=10-3V、1μV=10-6V二、电压及其参考方向qwuddab直流DC恒定直流Uab交流ACuab周期：正弦、非正弦非周期16•2.电压的参考方向+实际方向–+参考方向–u1u20u10+实际方向––参考方向+u2•例：当ua=3Vub=2V时u1=uab=1Vu2=uba=－1Vabab实际方向：规定为从高点位指向低电位;参考方向：任意假设电位降低的方向，或称为正方向。二、电压及其参考方向17iab+–uabiab–+uab三、关联参考方向与功率i与uab为关联参考方向i与uab为非关联参考方向元件或支路的u，i其参考方向相同，称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。1.电流和电压的关联参考方向18tqi,qwu,twpdddddduitqqwtwpdddddd•2.功率——单位时间内电场力所做的功。功率的单位：W、MW、kW、mW对于直流电路：P=U·I三、关联参考方向与功率193.功率的计算和判断(1)U、I关联参考方向吸收的功率：P=UIP0吸收正功率(吸收)P0吸收负功率(发出)+–IU吸收的功率：P=－UI(2)U、I非关联参考方向+–IU三、关联参考方向与功率P0吸收正功率(吸收)P0吸收负功率(发出)20•例1.2.1计算图示电路各元件吸收或产生的功率。解：(a)、(b)电路中U、I为关联方向，则(c)电路中U、I为非关联方向，则P=－UI=－6×1=－6W(产生功率)(a)P=UI=6×1=6W(吸收功率)(b)P=UI=6×(－1)=－6W(产生功率)21例2：U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。I=UR/5=(U1–U2)/5=(10–5)/5=1APR=URI=51=5WPU1=-U1I=-101=-10WPU2=U2I=51=5WP发=10W，P吸=5+5=10WP发=P吸(功率守恒)(吸收功率)(发出功率)(吸收功率)+–5IURU1U2++––221.3电阻元件与欧姆定律一、电阻元件•1.定义：一个二端元件，若在任一时刻t，其两端电压和通过它的电流之间的关系可用u-i平面上的一条曲线来描述，则该二端元件称为电阻元件。•2.分类：电阻元件线性电阻非线性电阻时不变时变时不变时变23•定义：若电阻元件的特性曲线是u-i平面上的一条过原点且不随时间变化的直线，则该电阻元件称为线性时不变电阻元件。RtgG1/RG称为电导电阻的单位：(欧)电导的单位：S(西)•伏安特性曲线UI0I+–UR线性时不变电阻元件二、线性时不变电阻元件UR·I24(1)电压与电流为关联参考方向，即i+–uRu(t)=Ri(t)或i(t)=Gu(t)(2)电压与电流为非关联参考方向，即i+–uRu(t)=–Ri(t)或i(t)=–Gu(t)U=RI或I=GUU=–RI或I=–GUP吸–UI–(–RI)II2R–U(–U/R)U2/RP吸UII2RU2/R二、线性时不变电阻元件25•(1)普通二极管1)(au0eIi(b)二极管的特性曲线(a)ba+u-i(b)•(2)非线性电阻非线性电阻αIURtanQQ静态电阻(直流电阻)动态电阻(交流电阻)βiuiurtanddlim0iΔΔΔ静态电阻与动态电阻三、非线性电阻元件261.4独立电源一、理想电压源•1.定义：如果一个二端元件(一端口)接到任意电路后，该元件的端电压U始终保持不变，则该二端元件称为理想电压源，简称“恒压源”。•2.电路模型及伏安特性USUIO(b)伏安特性曲线U≡USUS+_IU+_任意外电路(a)电路模型27•3.理想电压源的开路与短路(1)若R，I=0，则称电路为开路状态(2)若R=0，I，则称电路为短路状态；理想电压源出现故障，因此理想电压源不允许短路。IUs+_U+_R一、理想电压源28二、理想电流源ISUIO(b)伏安特性曲线•1.定义：如果一个二端元件（一端口）接到任意电路后，在任意所给定的时间内，流过它的电流与它两端的电压大小无关，则该二端元件称为理想电流源，简称“恒流源”。•2.电路模型及伏安特性ISIU+_任意外电路(a)电路模型I≡IS29•3.理想电流源的短路与开路(2)若R，u，理想电流源出现故障，电路为开路状态。理想电流源不允许开路。(1)若R=0，I=IS，则U=0，电流源为短路状态。IIsU+_R二、理想电流源30三、实际电压源1.定义：如果一个二端元件(一端口）接到任意电路后，该元件的端电压U随外电路负载电流的变化而变，则该二端元件称为实际电压源，简称“电压源”。2.电路模型及伏安特性U=US–RSISSRUPPPUSUIO(b)伏安特性曲线US+_IU+_RS(a)电路模型任意外电路31•3.理想电压源与实际电压源的关系(1)对实际电压源，当RS→0，有U=US，实际→理想。IUS+_U+_RL理想电压源模型(2)当实际电压源的内阻RSRL，则U≈US，实际电压源可近似视为理想电压源.US+_IU+_RS实际电压源模型RL三、实际电压源32I=IS–GSU四、实际电流源GSPPPIISIU+_任意外电路(a)电路模型GSIsUIO(b)伏安特性曲线•1.定义：如果一个二端元件(一端口）接到任意电路后，该元件输出电流I随外电路负载电压的变化而变，则该二端元件称为实际电流源，简称“电流源”。•2.电路模型及伏安特性33U=US–RSIIRURUSSSIIRUSSSSRUIIUGISS等效IUS+_U+_RS(a)电压源电路模型任意外电路ISIU+_任意外电路(b)电流源电路模型GS341.5基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)•一、常用术语+_R1uS1+_uS2R2R3123ab1.支路(branch)：电路中的每一分支。(b)2.节点(node):三条或三条以上支路的联接点。(n)3.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。(l)4.网孔(mesh)：电路内部不含任何分支的回路。(m)b=3l=3n=2m=2351.表述：对于电路中的任一节点，在任一时刻，流入节点电流之和恒等于流出节点电流之和。或该节点的所有支路电流的代数之和等于零。mkktiii10)(或：出入mkIII10或：出入2.表达式：二、基尔霍夫电流定律(KCL)36•解：据KCL有–I3+10–I5+(–12)=0I5=1A∴7–4+I3=0I3=–3A•例：电路如图所示，求出图中未知支路的电流。节点a：I1–I2+I3=0••7A4AI110A-12AI2abI3I4I5I6节点b：–I3+I4–I5+I6=0二、基尔霍夫电流定律(KCL)37•对任何一个闭合曲面，在任意时刻KCL仍成立。电路如图所示，闭合曲面内有三个节点。据KCL可列出三个节点电流方程:KCL的推广应用结论：在任一时刻，通过任一闭合曲面的电流的代数和恒等于零。节点A：IA–IAB+ICA=0节点B：IB–IBC+IAB=0节点A：IC–ICA+IBC=0有：IA+IB+IC=03.KCL的推广应用二、基尔霍夫电流定律(KCL)38KCL的推广应用I=0I1ABI3I2BAI2I1BAII1+I2+I3=0I1=I239•1.表述：对于在任何集中参数电路中的任一回路，在任一时刻，沿任一闭合路径(按固定绕向)的所有支路电压的代数和等于零。•2.表达式：规定：支路电压参考方向与回路绕行方向一致的取正，支路电压参考方向与回路绕行方向相反的取负。mkmkkUtu1100)(或：三、基尔霍夫电压定律(KVL)40首先考虑（选定一个)绕行方向：顺时针或逆时针.–R1I1–US1+R2I2–R3I3+R4I4+US4=0–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4•例:mkU10顺时针方向绕行:I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_电阻压降电源压升SRUU:即三、基尔霍夫电压定律(KVL)41UAB(沿l1)=UAB(沿l2）电位的单值性推论：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。32ABUUU4S