电工电子 中国石油大学版 课件 第1章 电路的基本概念定律与分析方法

Chapter1电路的基本概念、定律与分析方法Chapter12主要学习内容•电路的基本概念•电路的基本元件•基尔霍夫定律•电路的分析方法Chapter13Chapter1电路：为了某种需要而由电源、导线、开关和负载按一定方式组合起来的电流的通路。§1.1电路的基本概念一、电路与电路模型汽车照明电路电源：提供能量负载：消耗能量开关：控制电路工作Chapter14Chapter1电路模型：用若干理想元件的某种组合来描述实际电路。理想元件：描述实际器件的基本物理规律的数学模型，简称元件。实际电路电路模型+–R理想元件Chapter15电路组成：电池为灯泡提供电能，称之为电源或信号源；灯泡将电能转换为光能和热能，称之为负载；开关、导线用来传输、分配电能，称之为中间环节电路的工作状态：常态：手电筒电路正常工作的状态；开路：开关断开的状态；短路：电源电极直接用导线相连的状态，可能会烧毁电源或设备。Chapter16电路的主要功能：1、能量的转换、传输和分配Chapter17Chapter12、信号的传递、存储和处理Chapter18Chapter1二、电流、电压及参考方向1、电流（I，i）（Current）dtdqi定义：电荷的定向移动形成电流。其实际方向是指正电荷运动的方向。(实际电流方向)数学表示式：直流(DC)交流(AC)单位：安培A;(mAμA)电路的工作是以其中的电压、电流、功率等物理量来描述的。Chapter19Chapter1在复杂电路中难于判断元件中电流的实际方向，电流如何求解？UsIsRIRab电流方向ab？电流方向ba？Chapter110Chapter1iabi0参考方向真实方向电流的参考方向——假定的电流正方向如果求出的电流值为正即i0，说明参考方向与实际方向一致，若i0则说明参考方向与实际方向相反。Chapter111Chapter12、电压（U，u）（Voltage）dq－u电场失去dwabdqu－电场得到dwab定义：单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。baabuudqdwu数学表达式：正电荷由a移到b，若失去能量(电势能)，则uaub，即a端为正b端为负；若得到能量，则uaub。方向：由高电位指向低电位。(实际电压方向)单位：伏特V（mVμV）Chapter112电压的参考方向（极性）——假定的电压正方向ua+bu0+电压参考方向的标注方式：⑴用参考极性表示⑵用箭头表示⑶用双下标表示+−uuabuab真实方向参考方向Chapter113Chapter1abiu+3、关联参考方向对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称关联方向；如不一致，称非关联方向。(a)关联方向abiu−+(b)非关联方向如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。Chapter114Chapter1例1.1在图（a）电路中，Uab=–5V，问a、b两点哪点电位高？+−uabab（a）+−u1ab+−u2（b）在图（b）电路中，U1=–6V，U2=4V，问Uab＝？解：在图（a）电路中UaUb在图（b）电路中Uab=U1–U2=−10VChapter115Chapter1三、电动势表示符号：E――有效值或直流量e――瞬时值或交流量方向与电压方向相反：低电位高电位Chapter116Chapter1+ui+ui四、电路中的功率定义：元件吸收或释放能量的速率。在电路中为：p=uidtdwp数学表达式：wp0p0w单位：瓦特W方向：在电压、电流取关联参考方向下，p=ui表示的是该元件“消耗”（吸收）的电功率的大小。即为：Chapter117Chapter11u_2u3ui例1.2已知i=1A，u1=3V，u2=7V，u3=10V，求ab、bc、ca三部分电路吸收的功率P1、P2、P3。解：11313WPui吸收22717WPui吸收3310110WPui吸收1230PPP吸收吸收吸收（实际吸收）（实际吸收）（实际提供）功率平衡Chapter118Chapter1§1.2电路的基本元件常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端口的电压、电流关系即伏安关系（VAR）来决定的。Chapter119一、分类电磁特性：线性元件和非线性元件能量特性：无源元件和有源元件端子数目：二端元件、三端元件等二、基本元件1、电阻元件（Resistor）（电炉子、白炽灯）电阻元件是一种消耗电能的二端元件。Chapter1Chapter120Chapter1关联方向时：u=Ri或i=Gu功率：RuRiuip22电路符号:+−uiR非关联方向时：u＝−Ri线性电阻的伏安特性曲线R:电阻参数，表征阻碍电流流过的能力,单位Ω。G:电导参数，单位S。欧姆定律：1GRChapter121Chapter1（1）开路电阻元件的两种特殊情况当一个电阻元件中的电流i不论为何值时，它的端电压u恒为零，则称“短路”，即R=0。当一个电阻元件的端电压u不论为何值时，流过它的电流恒为零，则称“开路”，即R→∞。（2）短路Chapter122Chapter12、电容元件（Capacitor）（电容器）伏安关系电路符号：C为电容参数，表征电容储存电荷的能力，单位：法拉(F)电容元件是一种能够储存电场能量的元件。Cui+−dtduCiidu/dt。只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但i=0，相当于开路，即电容具有隔直作用。qCuChapter123Chapter1diCutC1diCUtC010伏安关系UC(0)为初始时刻t＝0时电容的初始电压，反映t＝0前“历史”中电容电流的积累效应——电容对它的电流具有记忆能力。电容元件中的电场能量2)(21CuCuduuidtWttuc电容元件储存的电场能量只和考察时刻它的端电压数值有关。Chapter124Chapter13、电感元件（Inductor）（镇流器）电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件。Ψi电路符号Ψ为磁链是磁通与匝数的乘积L为电感参数，表征电感匝联磁链的能力。单位：亨利(H)Li+uL伏安关系dtdiLu只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，但u=0，相当于短路。LiChapter125Chapter1伏安关系duLitL1duLIitL010I(0)为初始时刻t＝0时电感上的初始电流，反映t＝0前“历史”中电感电压的积累效应——电感对它的电压具有记忆能力。电感元件中的磁场能量2)(21LiLidiuidtWttiL电感在某一时刻所储存的磁场能量只与该时刻电流的瞬时值有关。Chapter126Chapter14、电源元件（source）两种电源：电压源和电流源1）电压源（恒压源）IUabUs特点（1）无论负载电阻如何变化，输出电压不变。（2）电源中的电流由外电路决定，输出功率可以无穷大。IUs+−abUabChapter127Chapter1可见，恒压源中的电流由外电路决定。设:Us=10V当R1、R2同时接入时:当R1接入时:2R1IUs+−abUab2R2I=5AI=10A例1.3Chapter128Chapter1实际电压源模型:由理想电压源串联一个电阻组成U=Us–IRs当Rs=0时，实际电压源模型就变成恒压源模型。UIRs+−UsRLIU0Us理想电压源实际电压源Rs越大斜率越大电源内阻，表示内部损耗Chapter129Chapter1特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流Is。（2）输出电压由外电路决定。2）电流源（恒流源)IIsabUabIUabIsChapter130Chapter1设:Is=1AR=10时，Uab=10VR=1时，Uab=1V则:可见，恒流源两端电压由外电路决定。IIsabUabR例1.4Chapter131Chapter1IsUIRsI=Is–U/Rs当内阻Rs=时，实际电流源模型就变成恒流源模型。实际电流源模型:由理想电流源并联一个电阻组成UIRsIsRLRs越大特性越陡Chapter132Chapter1例1.5（1）求图示电路中电流源两端的电压。（2）当电压源的电压或电阻的阻值变化时，电流源的输出电流是否变化？电流源的电压是否变化？1A10Ω++−−10VUU=10×1−10=0解:（1）（2）不变化;变化。Chapter133Chapter1恒压源与恒流源特性比较恒压源恒流源不变量变化量Uab=Us（常数）Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对Uab无影响。I=Is（常数）I的大小、方向均为恒定，外电路负载对I无影响。输出电流I可变-----I的大小、方向均由外电路决定端电压Uab可变-----Uab的大小、方向均由外电路决定Us+−abIUababIUabIsChapter134Chapter1§1.3基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律KCL基尔霍夫电压定律KVL基尔霍夫定律用于描述由元件之间连接方式所形成的约束关系。Chapter135Chapter1没有分叉且包含一个或多个元件的电路称为支路。b3条或3条以上支路的连接点称为结点。n由一条或多条支路所组成的闭合路径称为回路。l内部不另含支路的回路，称为网孔，又称单回路。m结构相对复杂的电路，称为网络。N+us1－i1R1i2i3R2R3+us2－abcde一、相关概念图示电路有条支路，个节点，个回路，个网孔。3322Chapter136Chapter1二、基尔霍夫电流定律KCL任一时刻，对任一结点，流入结点的电流恒等于流出结点的电流。表述一基尔霍夫电流定律应用于结点处。出入ii0i表述二任何时刻，通过任一节点电流的代数和恒等于零。i1＝i4＋i6i5－i2－i4＝0若取流出为正在图示电路中对于结点a对于结点bChapter137Chapter1基尔霍夫电流定律的扩展：结点任意闭合面i1＋i2＋i3＝0U2U3U1+−RR1R+_+−RII=?I=0广义结点法Chapter138应用:将多个电流源的并联化简成一个电流源123ssssIIIIChapter139Chapter1三、基尔霍夫电压定律KVL表述二：任一时刻，沿任一回路绕行一周，回路中各元件电压的代数和恒等于零回路中支路电压间的约束关系可用基尔霍夫电压定律表示。升降uu表述一：在任一时刻，沿任一回路绕行一周，电压升之和恒等于电压降之和0uUs3+−++−I−−+R1Us1Us2R2−+UR1UR2顺时针绕行UR1−Us2+Us3+UR2−Us1=0UR1+Us3+UR2=Us2+Us1Chapter140Chapter1Uab+−10V++−I−−+30V8V5Ω3ΩKVL推广：基尔霍夫电压定律也适合开口电路。Uab＝5I+8或Uab＝10−3I+30广义回路法Chapter141应用:将多个电压源的串联化简成一个电压源123UUUUChapter142四、注意问题1.KCL、KVL定律具有普遍性。适用范围广，适用于由各种不同元件所构成得电路。如直流和交流，线性和非线性电路等。2.必须标注参考方向。把KCL应用到某一结点时，必须指定支路电流参考方向；列写KVL方程时，必须标注各支路元件电压参考方向，规定回路的绕行方向。3.注意符号：（1）列写KCL方程时支路电流＋、－号的确定，一般规定流出结点的支路电流取+，流入取－；（2）列写KVL方程时巡行方向及方程中元件电压＋、－号的确定，一般规定电压降方向与巡行方向一致时元件电压取＋，相反取－。Chapter143Chapter1图示电路的基尔霍夫电压方程为。A）U=Us+IRB）U=Us−IR；C）U=−Us