吴建华电路原理课件

第一章第一章电路模型和基本定律电路模型和基本定律学习目标与要求（1）充分理解和掌握电流的参考方向和电压的参考极性两个概念；（2）明确电阻、电感、电容等电路元件的电压与电流间的关系；（3）熟练掌握基本定律，并做到灵活运用。••11.11电路和电路模型电路和电路模型••1.21.2电电路基本变量路基本变量••11.33耗能元件和储能元件耗能元件和储能元件••11.44独立电源和受控电源独立电源和受控电源••11.55基尔霍夫定律基尔霍夫定律••11.66电阻的连接及其等效变换电阻的连接及其等效变换••11.77电源的连接及其等效变换电源的连接及其等效变换第一章第一章电路模型和基本定律电路模型和基本定律1.11.1电路和电路模型电路和电路模型电路电路电路的组成电路的组成电路的功能电路的功能电路模型电路模型上页下页目录返回1.1.11.1.1电路、电路组成和功能电路、电路组成和功能电路概念:把若干个电气设备和电气元件按一定方式组合起来,构成电流的通路,此路径的总体称为电路。在电子通信、自动控制、计算机、电力等各个领域中，人们使用不同的电路来完成各种任务。电路概念:把若干个电气设备和电气元件按一定方式组合起来,构成电流的通路,此路径的总体称为电路。在电子通信、自动控制、计算机、电力等各个领域中，人们使用不同的电路来完成各种任务。上页下页目录返回干电池干电池电源电源电源开关开关开关负载负载负载灯泡灯泡上页下页目录返回电路组成:(1)电源:提供电能或发出电信号的设备；(2)负载:用电和接收电信号的设备；(3)传输控制器件(中间环节):包括控制电器(如开关)、保护电器（如熔断器）以及联接导线等。电路组成:(1)电源:提供电能或发出电信号的设备；(2)负载:用电和接收电信号的设备；(3)传输控制器件(中间环节):包括控制电器(如开关)、保护电器（如熔断器）以及联接导线等。上页下页目录返回电路的组成部分电源:提供电能或发出电信号的设负载:消耗电能或接收电信号的装传输控制器件：电源负载中间的连接部分发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线上页下页目录返回放大器扬声器话筒(2)(2)传递和处理信号传递和处理信号((信号电路信号电路))发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线(1)(1)传输、分配和转换能量传输、分配和转换能量((动力电路动力电路))电路的功能电路的功能电路的功能上页下页目录返回1.1.21.1.2电路模型电路模型将实际电路的元器件用理想电路元件适当组合成一模型来代替，该模型称为电路模型或电路图。将实际电路的元器件用理想电路元件适当组合成一模型来代替，该模型称为电路模型或电路图。上页下页目录返回集总参数电路由集总元件构成的电路集总元件假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行集总条件λd注集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但与空间坐标无关上页下页目录返回反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。电路模型sRLRsU10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型电路模型上页下页目录返回几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式上页下页目录返回1.21.2电流、电压电流、电压和功率电流及参考方向电流及参考方向电压及参考方向电压及参考方向电动势电动势功率和能量功率和能量上页下页目录返回1.2.11.2.1电流及其参考方向电流及其参考方向z电流带电粒子有规则的定向运动z电流强度单位时间内通过导体横截面的电荷量dtdqi=z单位A、kA、mA、μA1kA=103A1mA=10-3A1μA=10-6A上页下页目录返回z方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:⊕实际方向实际方⊕AABB上页下页目录返回z参考方向i参考方向大小方向(正负）电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi参考方向i参考方i0i0实际方实际方电流的参考方向与实际方向的关系AABB上页下页目录返回电流参考方向的两种表示•用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向•用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。iABiABAB上页下页目录返回1.2.21.2.2电压及其参考方向电压及其参考方向z电压U单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小dqdWUdef=z单位：V、kV、mV、μV上页下页目录返回复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。z电压(降)的参考方U0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–0U假设的电压降低之方向上页下页目录返回电压参考方向的三种表示方式(1)用箭头表(2)用正负极性表(3)用双下标表示UU+ABUAB上页下页目录返回在电路中任取一点作为参考节点，则其它点到参考点之间的电压称为该点的电位。z电位●关联参考方向元件或支路的u，i采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。i+-U关联参考方向i-+U非关联参考方向上页下页目录返回注(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。ABABi＋－U电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。上页下页目录返回1.2.31.2.3电动势电动势外力把单位正电荷从Ｂ移到Ａ所做的功。dqdWedef=负载AB电压和电动势物理意义不同，但二者都表示电源两端电位的高低；单位及参考方向表示方法与电压相同，但两者实际方向相反。上页下页目录返回1.2.41.2.4功率和能量功率和能量qwudd=tqidd=u=dw/dqdq=dwudw=uidt∫=ttdiuW0)()(ξξξ■能量W上页下页目录返回■功率p能量对时间的变化率称为功率dtdWp=)()()(titutp=功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)上页下页目录返回判断吸收功率或发出功率u,iu,i取关联参考方向u,iu,i取非关联参考方向取非关联参考方向p0吸收功率(消耗电能)p0发出功率发出功率(产生电能)pp00发出功率发出功率((产生电能产生电能))pp00吸收功率吸收功率((消耗电能消耗电能))p=p=uiui®发出功率«吸收功率)()()(titutp=上页下页目录返回例564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解（发出）W221111=×==IUP（发出）W62)3(122−=×−==IUP（消耗）W1628133=×==IUP（消耗）W3)1()3(366=−×−==IUP（发出）W7)1(7355−=−×==IUP（发出）W41)4(244−=×−==IUP注对一完整的电路，发出的功率＝＝消耗的功率上页下页目录返回1.31.3耗能元件和储能元件耗能元件和储能元件电阻元件电阻元件电容元件电容元件电感元件电感元件上页下页目录返回1.3.11.3.1电阻元件电阻元件水泥电阻金属膜电阻绕线式电阻实际电阻上页下页目录返回2.线性定常电阻元件z电路符号R电阻元件对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用u～i平面的一条曲线来描述：0=),(iufiu任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件1.定义伏特1.3.11.3.1电阻元件电阻元件上页下页目录返回zu～i关R称为电阻，单位：Ω(欧)满足欧姆定律(Ohm’sLaw)GuRui==iuR=uiz单位G称为电导，单位：S(西门子)u、i取关联参考方向Rui+－伏安特性为一条过原点的直线Riu=上页下页目录返回(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关公式中应冠以负号注(3)说明线性电阻是无记忆、双向性的元欧姆定律(1)只适用于线性电阻，(R为常数）则欧姆定律写u=–Rii=–Gu公式和参考方向必须配套使用Rui+-上页下页目录返回3.功率和能上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的p=–ui=–(–Ri)i=i2R=–u(–u/R)=u2/Rp=ui=i2R=u2/R功率Rui+-Rui+-上页下页目录返回∫=∫=ttttRuipW00ddξξRiu+–4.电阻的开路与短路能量z短路00=≠ui∞==GorR0z开路00≠=ui0=∞=GorRui上页下页目录返回1.3.21.3.2电容元件电容元件实际电容片式空气可调电容器电解电容器瓷质电容器聚丙烯膜电容器管式空气可调电容器上页下页目录返回iiŒ当电容元件上电压的参考方向规定由正极板指向负极当电容元件上电压的参考方向规定由正极板指向负极板，则任何时刻正极板上的板，则任何时刻正极板上的电荷电荷qq与其端电压与其端电压uu之间的关系有：之间的关系有：qq((tt))=Cu=Cu((tt))式中式中CC————元件的电容元件的电容CapacitanceCapacitance，，单位：法拉单位：法拉F,F,微法微法((μμFF),),皮法皮法((pFpF))介质介质((云母、绝缘纸、电解质等云母、绝缘纸、电解质等))++qq--qq++uu--9999\\\\储存电场能量储存电场能量建立电场建立电场1.3.21.3.2电容元件电容元件上页下页目录返回电容器_q+qε在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是种储存电能的部件。1.定义电容元件储存电能的元件。其特性可用u～q平面上的一条曲线来描述0=),(qufqu库特任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电压u成正比。q~u特性是过原点的直线z电路符号2.线性定常电容元件C＋－u+q-qαtanor∝==uqCCuqquOα上页下页目录返回tuCtqidddd==z线性电容的电压、电流关C＋－uiu、i取关联参考方向电容元件VCR的微分关系表明：(1)i的大小取决于u的变化率,与u的大小无关，电容是动态元件；(2)当u为常数(直流)时，i=0。电容相当于开路，电容有隔断直流作用；(3)实际电路中通过电容的电流i为有限值，则电容电压u必定是时间的连续函数.上页下页目录返回电容元件有记忆电流的作用，故称电容为记忆元件（1）当u，i为非关联方向时，上述微分和积分表达式前要冠以负号;（2）上式中u(t0)称为电容电压的初始值，它反映电容初始时刻的储能状况，也称为初始状态。)(ddd)(∫+=∫∫+=∫=∞−∞−ttttttξiCuidξCξiCξiCtut00001111电容元件VCR的积分关系电容元件VCR的积分关系表明表明注上页下页目录返回3.电容的功率和储能tuCuuipdd⋅==(1)当电容充电，u0，du/dt0，则i0，q↑，p0,电容吸收功率。(2)当电容放电，u0，du/dt0，则i0，q↓，p0,电容发出功率.z功率表明电容能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为电场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电容元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。u、i取关联参考方向上页下页目录返回（1）电容的储能只与当时的电压值有关，电容电压不能跃变，反映了储能不能跃变；（2）电容储存的能量一定大于或等于零。从t0到t电容储能的变化量：从t0到t电容储能的变化量：)(21)(21022tCutCuWC−=)(21)(21)(21)(21ddd2