《电路基础》教学详解

返章目录电路分析基础1.5电路的等效变换1.1电路和电路模型1.6直流电路中的几个问题1.3基尔霍夫定律第1章电路的基本概念和基本定律1.4电压源和电流源1.2电路的基本物理量电路分析基础返节目录返节目录本章的学习目的和要求本章内容是贯穿全课程的重要理论基础，要求在学习中给予足够的重视。通过对本章学习，要求理解理想电路元件和电路模型的概念；进一步熟悉电压、电流、电动势和电功率等基本物理量的概念；深刻理解和掌握参考方向在电路分析中的作用；初步理解和掌握基尔霍夫定律的内容及其应用；领会电路等效的概念和掌握电路等效的基本方法。电路分析基础返节目录返节目录1.1电路和电路模型•电路的概念由实际元器件构成的电流的通路称为电路。1、电路的组成及其功能电路分析基础返节目录返节目录电路通常由电源、负载和中间环节三部分组成。•电路的组成1、电路的组成及其功能火线..零线电源连接导线和其余设备为中间环节负载电路分析基础返节目录返节目录•电路的功能1、电路的组成及其功能电路可以实现电能的传输、分配和转换。电力系统中电子技术中电路可以实现电信号的传递、变换、存储和处理。电路分析基础返节目录返节目录2、电路模型实体电路负载电源开关连接导线SRL+U–IUS+_R0电路模型电源负载中间环节用抽象的理想电路元件及其组合，近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。电路分析基础返节目录返节目录•理想电路元件2、电路模型R+US–电阻元件只具耗能的电特性电容元件只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定。L电感元件只具有储存磁能的电特性IS理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、精确，可定量分析和计算。C电路分析基础返节目录返节目录•利用电路模型研究问题的特点2、电路模型1、电路模型是用来探讨存在于具有不同特性的、各种真实电路中共同规律的工具。2、电路模型主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路，集总参数电路中的元件上所发生的电磁过程都集中在元件内部进行，任何时刻从元件两端流入和流出的电流恒等、且元件端电压值确定。因此电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算。3、电路分析基本理论中运用电路模型，其主要任务就是在寻求实际电路共有的一般规律、探讨各种实际电路共同遵守的基本规律时带来方便。电路分析基础返节目录返节目录电路由哪几部分组成？各部分的作用是什么？何谓理想电路元件？其中“理想”二字在实际电路的含义？集总参数元件有何特征？如何在电路中区分电源和负载？试述电路的功能？何谓“电路模型”？学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。电路分析基础返节目录返节目录1、电流1.2电路的基本物理量•电流的大小idqdt=……（1-1）稳恒直流情况下IQt=……（1-2）1A=103mA=106μA=109nA单位换算•电流的方向习惯上规定以正电荷移动的方向为电流的正方向。电路图上标示的电流方向为参考方向，参考方向是为列写方程式提供依据的，实际方向根据计算结果来定。电路分析基础返节目录返节目录2、电压、电位和电动势Ia电位V是相对于参考点的电压。参考点的电位:Vb=0；a点电位：Va=E-IR0=IRb+U–RL_SE+R0电动势E只存在电源内部，其数值反映了电源力作功的本领，方向规定由电源负极指向电源正极路端电压U。电压的大小反映了电场力作功的本领；电压是产生电流的根本原因；其方向规定由“高”电位端指向“低”电位端。电路分析基础返节目录返节目录•三者的定义式2、电压、电位和电动势Uab=Wa－WbqVa=Wa－W0qE=W源q显然电压、电位和电动势的定义式形式相同，因此它们的单位一样，都是伏特[V]。电压等于两点电位之差：•三者的区别和联系Uab=Va－Vb电源的开路电压在数值上等于电源电动势；电路中某点电位数值上等于该点到参考点的电压。电路分析基础返节目录返节目录3、电功和电功率•电流能使电动机转动、电炉发热、电灯发光，说明电流具有做功的本领。电流做的功称为电功。单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】若U【KV】；I【A】；t【h】时，电功W为度【KW·h】1度电的概念1000W的电炉加热1小时100W的灯泡照明10小时40W的灯泡照明25小时•日常生活中，用电度表测量电功。当用电器工作时，电度表转动并且显示电流作功的多少。显然电功的大小不仅与电压电流的大小有关，还取决于用电时间的长短。W=UIt电路分析基础返节目录返节目录3、电功和电功率•单位时间内电流所作的功称为电功率，电功率的大小表征了设备能量转换的本领。P=UI=I2R=U2/R国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】。•用电器的铭牌数据值称为额定值，额定值指用电器长期、安全工作条件下的最高限值，一般在出厂时标定。•额定电功率反映了设备能量转换的本领。例如额定值为“220V、1000W”的电动机，是指该电动机运行在220V电压时、1秒钟内可将1000焦耳的电能转换成机械能和热能；“220V、40W”的电灯，表明该灯在220V电压下工作时，1秒钟内可将40焦耳的电能转换成光能和热能。电路分析基础返节目录返节目录•关联和非关联4、参考方向aI负载元件＋U－b关联参考方向aI电源元件＋U－b实际电源上的电压、电流方向总是非关联的，实际负载上的电压、电流方向是关联的。因此，假定某元件是电源时，其电压、电流方向应选取非关联参考方向；假定某元件是负载时，其电压、电流方向应选取关联参考方向。非关联参考方向电路分析基础返节目录返节目录•关于参考方向的有关注意事项4、参考方向(1)分析电路前应选定电压电流的参考方向，并标在图中；(2)参考方向一经选定，在计算过程中不得任意改变。参考方向是列写方程式的需要，是待求值的假定方向而不是真实方向，因此不必追求它们的物理实质是否合理。(4)参考方向也称为假定正方向，以后讨论均在参考方向下进行，实际方向由计算结果确定。(3)电阻、电抗或阻抗一般选取关联参考方向，独立源上一般选取非关联参考方向。(5)在分析、计算电路的过程中，出现“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几个名词概念时，不可混为一谈。电路分析基础返节目录返节目录仔细理解下面的例题图示电路，若已知元件吸收功率为－20W，电压U为5V，求电流I。+UI元件I=PU=－205=－4A解图示电路，已知元件中通过的电流为－100A，电压U为10V，电功率P。并说明元件性质。+UI元件解P=UI=10×(-100)=1000W元件吸收正功率，说明元件是负载。电路分析基础返节目录返节目录想想、练练电压、电位、电动势有何异同？电功率大的用电器，电功也一定大，这种说法正确吗？为什么？电路分析基础返节目录返节目录▪电路分析中引入参考方向的目的是为分析和计算电路提供方便和依据。思考回答•在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？•应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几对名词的不同之处吗？▪应用参考方向时，“正、负”指在参考方向下，电压电流数值前面的正、负号，若参考方向下某电流为“－2A”，说明其实际方向与参考方向相反，参考方向下某电压为“＋20V”，说明其实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下电路方程式各项前面的正、负符号；“相同”是指电压、电流参考方向关联，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。电路分析基础返节目录返节目录1、几个常用的电路名词1.3基尔霍夫定律•支路：一个或几个二端元件首尾相接中间无分岔，使各元件上通过的电流相等。（m）•结点：三条或三条以上支路的汇集点。（n）•回路：电路中的任意闭合路径。（l）•网孔：不包含其它支路的单一闭合路径。m=3abl=3n=2112332网孔=2+_R1US1+_US2R2R3电路分析基础返节目录返节目录2、结点电流定律[KCL]•KCL定律的内容任一时刻，流入电路中任一结点上电流的代数和恒等于零。数学表达式为：I1I2I3I4a–I1+I2–I3–I4=0通常规定以指向结点的电流取正，背离结点的电流取负。在此规定下，根据KCL可对结点a列出KCL方程：∑i=0（任意波形的电流）∑I=0（稳恒不变的电流）电路分析基础返节目录返节目录KCL的有关举例与讨论•举例1i1i4i2i3•整理为i1+i3=i2+i4可列出KCL：i1–i2+i3–i4=0根据∑i（t）=0可得KCL的另一种形式：∑i入=∑i出电路分析基础返节目录返节目录KCL的推广应用对图示电路的三个结点分别列KCL即I=0IA+IB+IC=0可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。IAIBIABIBCICAICABCIA=IAB–ICAIB=IBC–IABIC=ICA–IBC把上述三式相加可得电路分析基础返节目录返节目录KCL的推广应用二端网络的两个对外引出端子，电流由一端流入、从另一端流出，因此两个端子上的电流数值相等。只有一条支路相连时：i=0ABi1i2i3IA=IAB–ICAABi1i2ABi•图示B封闭曲面均可视为广义结点，电路分析基础返节目录返节目录KCL应用举例jA=jB?ABi2i1i1=i2jA=jB+_1Ω+_1Ω1Ω3V1Ω1Ω1Ω2Vi1=i2?右封闭曲面可视为广义节点？•举例1电路分析基础返节目录返节目录3、回路电压定律[KVL]任一瞬间，沿任一回路参考绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。数学表达式为：ΣU=0基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各段电压之间关系的电压定律。回路电压定律依据“电位的单值性原理”，其内容：I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4先标绕行方向根据：U=0得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0电路分析基础返节目录返节目录I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4–R1I1–US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0–R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1–US4电阻压降可得KVL另一形式：∑IR=∑US电源压升KVL定律的第二种形式根据电路图将各电压改写为：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0把上式加以整理：电路分析基础返节目录返节目录KVL定律的推广应用或写作对假想回路列KVL：USIUR+_+_USIRU=0U=USIR电路分析基础返节目录返节目录KVL定律的推广应用ABCUA+_UAB+_UB+_UAUBUAB=0UAB=UAUB对假想回路列KVL：或写作电路分析基础返节目录返节目录KVL定律应用举例#1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2根据ΣU=0对回路#1列KVL方程电阻压降0S13311URIRI电源压升即电阻压降等于电源压升#1方程式也可用常用形式S13311URIRI对回路#2列KVL常用形式S23322URIRI电路分析基础返节目录返节目录KVL定律应用举例#1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2此方程式不独立省略！对回路#3列KVL方程S1S22211UURIRI）（）（21S23322S13311URIRIURIRI图示电路KVL独立方程为KVL方程式的常用形式，是把变量和已知量区分放在方程式两边，显然给解题带来一定方便。电路分析基础返节目录返节目录基尔霍夫定律应用举例？•举例1：求图中电压U和电流I。UIKCL：-3-1+2-I=0→I=-2AVAR:U1=3I=3×(-2)=-6VKVL：U+U1+3-2=0→U=5V3A3V2V3WU11A2A解电路分析基础返节目录返节目录基尔霍夫定律应用举例？解•举例2：求图中电位Va。1Ω4A2Ω3V＋-I=0aVa=－U1+3V=(－4)×1+3=－1VU1电路分析基础返节目录返节目录根据自己的理解说明什么是支路？回路？结点和网孔？某电压或某电流得负值说明什么？基尔霍夫