1电路基本分析_课件_第一章_电路的基本概念和定律

第1章电路的基本概念和定律•欢迎同学们学习本课•本课对同学们电路设计电路维修打下基础•本课是同学们高自考必过课程之一第1章电路的基本概念和定律主讲：机电工程系——曹银生第1章电路的基本概念和定律内容概述：本章主要介绍实际电路，电路模型，电路中的基本物理量：电流、电压、功率和能量，电阻元件，独立电压源和独立电流源，基尔霍夫电压定律（KVL）和电流定律（KCL）。1.电流、电压的参考方向概念及功率的计算。2.基尔霍夫电压定律和电流定律实质及应用。难点：1.功率的计算。2.依据基尔霍夫电压定律和电流定律列方程求解电量。重点：第1章电路的基本概念和定律1.3.1实际电路和电路模型一、实际电路实际电路元件：实际中电气元件的物理实体。如：电灯等。实际电路：由实际电路元件按一定方式连接起来的物理实体。如：日光灯等。第1章电路的基本概念和定律电路的功能：（1）进行电能的产生、传输、分配与转化。（2）实现信号的产生、传递、变换、处理与控制。二、理想电路元件、电路模型理想电路元件：是实际电气器件主要电磁特性的科学抽象。电阻R：消耗电能的单一电磁特性；电感L：建立磁场，储存磁场能量的单一电磁特性；电容C：建立电场，储存电场能量的单一电磁特性；第1章电路的基本概念和定律电路模型：由理想电路元件组成的电路。例如：一实际线圈实际线圈在各种条件下的电路模型直流下高频下交流下三、电路图电路原理图：只表示元件的连接关系。电气图所用元件图形符号见表1-1。电路模型图：由理想电路元件通过一定的连接构成的图。模型图所用元件图形符号见表1-2。第1章电路的基本概念和定律第1章电路的基本概念和定律第1章电路的基本概念和定律四、集总参数电路与分布参数电路1.集总参数电路：其电路的几何尺寸l电路的工作频率对应的波长λ。如：电力系统工频50Hz时，波长λ=6000km，所以大多数电路满足lλ，可作为集总参数电路分析。集总参数电路又分为线性电路和非线性电路。线性电路：元件参数是常数。2.分布参数电路：l≈λ的电路。如：无线电接收系统的频率100MHz，波长λ=3m，所以接收天线工作状态要用分布参数电路分析。本门课程学习集总参数线性电路的分析方法。第1章电路的基本概念和定律1.3.2电路的基本物理量一、电流及电流的参考方向1.定义：电荷的定向运动称为电流。其大小用电流强度表示。电流强度：单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。可表为：tqiddmA10A1A10kA133单位及换算单位：时间t：秒(s)；电荷q：库仑(c)；，电流i：安培(A)第1章电路的基本概念和定律2.方向（1）实际方向：规定为正电荷的移动方向。（2）参考方向：人为规定。为什么引入参考方向？交流电路，方向瞬变。标示：实线箭头二者关系：i0，相同；i0，相反。iabi=-2Aab实际方向与参考方向相同实际方向与参考方向相反如：参考方向i=3Aab如：电路复杂，方向难定；第1章电路的基本概念和定律0A2d)2d(ddtttqiiab实际方向和参考方向相同，由ab。解：例1-1电流参考方向如图示。已知：（1）q=2tA，求i并指出其实际方向。第1章电路的基本概念和定律二、电压、电位及电压的参考方向1.电压：定义：单位正电荷从a点移至b点时电场力所作的功，称为a、b两点间的电压。表示为abddAuq3331MV10kV1kV10V1V10mV单位及换算：单位：电荷q：库仑(c)；功A：焦耳(J)；电压u：伏特(V)第1章电路的基本概念和定律2.电位定义：单位正电荷从a点沿任意路径移至参考点时电场力所作的功，称为a点的电位。表示为Va。单位：伏特（V）参考点：电路中的任意点。常用o表示。规定参考点电位为零。则uao=VA。工程上常选大地或机壳为参考点。3.电压与电位的关系：ABABuVV电压与参考点的选择无关，电位与参考点的选择有关。第1章电路的基本概念和定律4.方向：（1）电压的实际方向：电荷能量失去的方向，即高电位指向低电位。高电位用“+”，低电位用“-”。（2）电压的参考方向：人为规定。标示：极性或实线箭头。二者关系：u0相同，u0相反。（3）电位的参考方向规定为从某点指向参考点。说明：电位是可正、可负的。正号表示某点电位高于参考点电位，负号表示某点电位低于参考点电位。。uab+-u如：参考方向第1章电路的基本概念和定律5.电动势定义：在非电场力作用下，单位正电荷在电源内部从低电位向高电位移动时所增加的电能。实际方向：由电源负极指向正极，即由低电位指向高电位。参考方向：人为规定。电动势与电压的参考方向关系：ue（a）（b）电压和电动势的参考方向ue（c）ue(a)u=e(b)u=e(c)u=-e第1章电路的基本概念和定律三、电压电流的参考方向之间的关系电压电流的参考方向关系共4种：分两类：（1）一致方向称为关联参考方向；（2）不一致方向称为非关联参考方向。（a）iuba（b）iuab（c）iuab（d）uiab（a）关联参考方向（b）关联参考方向（c）非关联参考方向（d）非关联参考方向说明：1.选用哪一种，原则上任意。习惯上：R、L、C取一致方向；电源元件取不一致方向。2.u、i参考方向一经确定，计算过程中不得改变。3.电路图中标出的方向均为参考方向。第1章电路的基本概念和定律四、电功率与电能1.电功率：单位时间电路吸收的能量称为电路吸收的电功率。简称功率。表示为：ddwptp=uiu、i参考方向一致，dt内：dq=idt，dw=udq代入上式，得：单位：电压u：伏特(V)；电流：安培(A)；功率：瓦特(W)；——此段电路吸收的功率第1章电路的基本概念和定律u、i参考方向与p的关系：（1）u、i取关联参考方向时：p=ui为吸收功率，p0为实际吸收功率，p0为实际发出功率；（2）u、i取非关联参考方向时：p=ui为发出功率，p0为实际发出功率，p0为实际吸收功率。2.电能定义：一段时间内电路消耗的功率。表示为：tttuitpw00dd单位：焦耳(J)能量的吸收、发出与u、i参考方向之间的关系同“功率”类似。第1章电路的基本概念和定律小结：1.实际电路或实际电路元件可以用理想电路或理想电路元件组合的电路模型进行模拟。2.电流、电压均有实际方向和参考方向之分，后者原则上可任意规定。同一支路二者参考方向有关联参考方向和非关联参考方向之分。3.判断元件吸收还是发出功率，和其电压、电流参考方向的选择有关。重点掌握电流、电压的参考方向和功率的计算。难点在于功率的吸收或发出与电压、电流参考方向之间的关系。第1章电路的基本概念和定律1.3.3电阻元件及其特性一、电阻元件1.定义：二端元件在任一时刻的电压电流关系可由u-i平面的一条曲线确定，此二端元件称为二端电阻元件。数学表达式为：f（u，i）=0此曲线称为伏安特性曲线。2.分类：时不变时变非线性电阻时不变时变线性电阻电阻元件第1章电路的基本概念和定律iuo（a）非线性时不变电阻iuot1t2（b）线性时变电阻iuot1t2（c）非线性时变电阻3.线性电阻（线性时不变电阻）（1）定义：元件上电压正比于电流的二端元件称为线性电阻。（2）数学表达式：电阻元件的电路符号i+_uRu=Ri当u、i取关联参考方向时，上式成立。单位：电压(V)，电流(A)，电阻()欧姆定律第1章电路的基本概念和定律iuO（3）V-A曲线：电导的定义：RG1Giu单位：西门子(S)欧姆定律还可表为：i=Gu或（4）吸收的功率u、i取关联参考方向时，吸收的功率为：p=ui2222GuGiRuRip将欧姆定律代入后得：注意：上面欧姆定律的使用条件为u、i取关联参考方向。若取非关联参考方向，各式前加负号。第1章电路的基本概念和定律可见吸收的功率p0，所以，电阻元件永远消耗功率。（5）吸收的电能u、i取关联参考方向时，t时间内吸收的电能为：ttttRtGutRituitpW020002dddd直流时：i=I上式为：WR=P(t-0)=Pt=RI2t=Gu2t讨论：（1）电阻元件为耗能元件。（2）R=0，u=0，为短路，短路电流由外电路决定；R=，i=0，为开路，开路电压由外电路决定。（3）R为无源元件，电源供给u、i时，WR0，但R本身不产生能量。第1章电路的基本概念和定律例1-2有一个220V、40W的白炽灯，在额定电压220V下工作时电流、电阻为多少？该灯泡消耗1kWh电需要多长时间？解：40018(A)220PI.U222201210(Ω)40URP1000t25(h)40RWP第1章电路的基本概念和定律独立电源是指其对外特性由电源本身决定，而不受电源以外的其它电路所控制。独立电源是实际电源的一种科学抽象，是理想电路元件。一、独立电压源1.理想电压源（1）定义：输出的电压与流过该元件的电流无关的二端元件。电路符号：+_uSi+_USIi0u直流理想电压源的V-A特性1.3.4电路中的独立电源第1章电路的基本概念和定律（3）特例情况：US=0时，V-A特性与i轴重合。电源短路。（4）电源的功率：uS与i取非关联参考方向时，s0ps0ps0ps0p，实际发出；，实际吸收。uS与i取关联参考方向时，sspui电源发出功率为：sspui电源吸收功率为：，实际吸收；，实际发出。（2）特点：（a）其端电压与外电路无关；（b）其电流可以是任意的，由外电路决定。第1章电路的基本概念和定律2.实际电源的电压源模型实际电源是存在内阻的，通过测量一实际的直流电源，可得到其V-A特性曲线，如图示：ocukiussuiRu可见k为电阻量纲，令k=Rs,uoc=uS有此式为实际电源的电路方程，由它可画出实际电压源的电路模型。如图所示：Rs～电源内阻所以，V-A特性曲线方程：+-uSRSi+-abuiuu=uSuOC0第1章电路的基本概念和定律特例：（1）不接负载时，a，b端开路，此时，Socuuuocu。SSSCRuiisci+_usRsiuR～开路电压～短路电流i=0。（2）a、b短路时，当RS很小时，iSC很大,此种情况不允许出现。一般情况下，电源与负载连接处于工作状态。如图所示：第1章电路的基本概念和定律例1-3开路时测得某直流电源端电压为24V，接上外电阻R后，用电压表测得R两端电压为20V，用电流表测得流经R的电流I=10A，求电阻R与电源内阻RS。+_usRsIR+_u+_第1章电路的基本概念和定律21020R4.0102024OCSIUUR+_usRsIR+_u由题意知本题的电路模型如图所示。解：第1章电路的基本概念和定律（3）特例：IS=0时，V-A特性与u轴重合。此时电源开路。（4）电源发出的功率计算与理想电压源相同。即：sspuiuiiS+-二、独立电流源1.理想电流源（1）定义：输出的电流与该元件的端电压无关的二端元件。电路符号：直流理想电流源的V-A特性如图示。u0i（2）特点：（a）其电流与外电路无关；（b）其端电压可以是任意的，由外电路决定。IS第1章电路的基本概念和定律2.实际电源的电流源模型可测得实际电源端口的V-A特性如图示。uiabGs+-iS其V-A特性曲线方程可表为：i=-ku+iS可见k为电导量纲令k=GS代入上式有i=-GSu+iS此式为实际电源的电路方程，由它可画出实际电源的电流源电路模型。如图示。uii=iSiSC0第1章电路的基本概念和定律（1）a、b端开路，不接负载时，此时，i=0，SOCSiuuG特例：=uOC=0uiabGs+-iSSCSiii（2）a、b端短路，即电源短路时，一般情况下，为带负载正常工作。此时，u=0，uiabGs+-iS=0=iSC=iS第1章电路的基本概念和定律A26122IA224231IIIW24212111IUPW48412332IUP12VU1I1U36I2I3解：电压源吸收的功率为电流源吸收的功率为例1-