第1章电路的基本概念和基本定律1.ppt

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1、第一篇 电路分析,第1章 电路的基本概念和基本定律,1.1 电路和电路模型,1.2 电路的基本物理量,1.3 常用元件介绍,1.4 电源,1.5 基尔霍夫定律,本章内容提要,重点:(1)电路模型的概念及科学建模;(2)电压、电流的参考方向;(3)电位的概念;(3)基尔霍夫定律及其应用;,难点:(1)关联参考方向的判断;(2)电路模型的建立;(3)支路电流分析法的灵活应用。,1)、实现电能的传输和转换;,2)、实现电信号的传输、处理和存储。,例如电视接收天线将接收到的含有声音和图像信息的高频电视信号,通过高频传输线送到电视机中,这些信号经过选择、变频、放大和检波等处理,恢复出原来的声音和图像信号

2、,在扬声器发出声音并在显像管屏幕上呈现图像,例如电力网络将电能从发电厂输送到各个工厂、广大农村和千家万户,供各种电气设备使用,二、电路的定义,1.1.1 电路,所有的实际电路是由电气设备和元器件按照一定的方式连接起来,为电流的流通提供路径的总体,也称网络。,1.1 电路和电路模型,电源:,负载:,中间环节:,电能或电信号的发生器称为电源,用电设备称为负载,电源又称为激励源简称激励,由激励而在电路中产生的电压和电流称为响应,用以连接电源和负载的部分称为中间环节。如开关,导线等,为了便于对实际电路进行分析,通常是将实际电路器件理想化(或称模型化),即在一定条件下,突出其主要的电磁性质,忽略其次要因

3、素,将其近似地看做理想电路元件,并用规定的图形符号表示。电阻、电感、电容又称无源元件。常见电路元件和符号如表1.1所列。,图1.1手电筒电路,1.1.2 电路模型,今后如未加特殊说明,所说的电路均指电路模型。,其中:i 表示电流强度,单位是安培,用A表示,在计量微小电流时,通常用毫安(mA)或微安(A)作电位;,1.2.1 电流 电荷的定向运动形成电流。电流的实际方向习惯上指正电荷运动的方向。电流的大小用电流强度来衡量,电流强度指单位时间内通过导体横截面积的电荷量,电流强度简称电流,其数学表达式为,按照电流的大小和方向是否随时间变化,分为恒定电流(简称直流DC)和时变电流,分别用符号I和i表示

4、。,dq为微小电荷量,单位是库仑,用C表示;,dt为微小的时间间隔,单位是秒,用s表示。,我们平时所说的交流(AC)是时变电流的特例,它满足两个特点,一是周期性变化,二是一个周期内电流的平均值等于零。,在电路理论中,电路的基本物理量有4个:电流、电压、电荷和磁通,其中最常用的是电流和电压。电路的基本复合物理量为电功率和电能。电路分析的基本任务是计算电路中的电流、电压和功率。,1.2 电路的基本物理量,(1.1),规定对其他物理量一般也用大写字母代表恒定量,用小写字母代表变动的量,参考方向的选择具有任意性(任意假设的方向)。在电路中通常用实线箭头或双字母下标表示,实线 箭头可以画在线外,也可以画

5、在线上。为了区别,电流的实际方向通常用虚线箭头表示,如图1.4所示。,规定:若电流的实际方向与所选的参考方向一致(关联方向),则电流为正值,即i0;若电流的实际方向与所选的参考方向相反(非关联方向),则电流为负值,即i0。如图1.4所示。这样以来,电流就成为一个具有正负的代数量。,在分析电路时往往不能事先确定电流的实际方向,而且时变电流的实际方向又随时间不断变化。因此在电路中很难标明电流的实际方向。为此,我们引入电流的“参考方向”这一概念。,1、定义:在数值上,电路中任意a、b两点之间的电压等于电场力把单位正电荷由a点移到b点所作的功。,(1.3),定义:电路中任选一点作为参考点,则其他各点与

6、参考点的电压叫做该点的电位,用符号V表示。,2、表示:直流电压用大写字母U表示,交流电压用小写字母u表示,单位为伏特,用V表示。为了便于计量,还可以用毫伏(mV)、微伏(V)和千伏(kV)等作为单位。,1.2.2 电压,3、表达式,式中dW是电场力所作的功,单位是焦耳(J)。,4、电位,例如,电路中a、b两点的电位分别表示为Va和Vb,并且a、b两点间的电压与该两点电位有以下关系:Uab=Va-Vb(1.4),注意:两点间电压就是该两点的电位之差。电位与电压既有联系又有区别。其主要区别在于:电路中任意两点间的电压,其数值是绝对的,与该两点间的路径无关;而电路中某一点的电位是相对的,其值取决于参

7、考点的选择。,今后如未说明,通常选接地点作参考点,并且参考点的电位为零。,电压的参考方向(也称参考极性)的选择同样具有任意性,在电路中可以用“+”、“-”号表示,也可用双字母下标或实线箭头表示。如图1.5所示。电压正负值的规定与电流一样。,注意:在求电压、电流时,必须事先规定好参考方向,否则求出的值无意义。,5、方向,通常,对于一个元件或在一段电路中,电流参考方向和电压参考方向都是可以任意选定的,彼此独立无关。但为了分析方便,习惯上将某一元件或某段电路的电压和电流的参考方向选得一致,即选定电流从标以电压“+”极性端流入而从标以“-”极性端流出,这样选定的电压和电流的参考方向称为关联参考方向,简

8、称关联方向,如图1.6(a)和(b)所示。否则,称非关联方向,如图1.6(c)和(d)所示。,6、关联参考方向,注意:对关联欧姆定律表达式写成I=U/R;对非关联欧姆定律表达式写成I=-U/R,电能对时间的变化率即为电功率,简称功率。用p或P表示。功率的表达式为:,(1.5),应用(1.5)式计算元件功率时,首先需要判断u、i的参考方向是否为关联方向。,关联方向:p=u i;,非关联方向:p=-u i;,p0时,元件实际吸收或消耗功率(负载),p0时,元件实际发出或提供功率(电源),1.2.3 电功率与电能,注意:功率的分析与计算要和电压、电流参考方向配合使用,关联方向与非关联方向两种情况下,

9、公式前相差一个负号。,在SI制中,电压单位为伏(V),电流单位为安(A),则功率单位为瓦特,简称瓦,用符号W表示,1 kW=103 W。,1、电功率,例1.1 在图1.7所示电路中,已知U1=1 V,U2=-6 V,U3=-4 V,U4=5 V,U5=-10 V,I1=1 A,I2=-3 A,I3=4 A,I4=-1 A,I5=-3 A。试求各元件的功率,并判断实际吸收还是发出功率。,解:根据题目所给已知条件可得P1=U1 I1=11=1 W(吸收功率1 W)P2=U2 I2=(-6)(-3)=18 W(吸收功率18 W)P3=-U3 I3=-(-4)4=16 W(吸收功率16W)P4=U4

10、I4=5(-1)=-5 W(发出功率5 W)P5=-U5 I5=-(-10)(-3)=-30 W(发出功率30W),结论:电路中各元件发出的功率总和等于吸收功率总和,这就是电路的“功率平衡”。功率平衡是能量守恒定律在电路中的体现。,电能是功率对时间的积累。其表达式可写成W=Pt。电能的单位是焦耳(J),定义为:功率为1 W的设备在1 s时间内转换的电能。,2、电能,工程上常采用千瓦小时(kWh)作为电能的单位,俗称1度电,定义为:功率为1 kW的设备在1 h内所转换的电能。,1、定义:导体对电子运动呈现的阻力称为电阻。对电流呈现阻力的元件称为电阻器,如图1.1(a)和1.2(a)电路中的灯泡、

11、扬声器,它们在电路中可用一个共同的模型电阻元件来代替,字母符号为R。,1.3 常用元件介绍,1.3.1 电阻元件,如果电阻的伏安关系不是一条直线,则称为非线性电阻,半导体二极管就是一个非线性电阻器件,如图1.9所示。,式(1.8)中IS为反向饱和电流;UT为温度电压当量,常温下,UT 26mV。图1.9所示是二极管的伏安关系曲线。,今后如未特别说明,所讨论的电阻元件均指线性电阻。,式(1.6)是欧姆定律的表示式,也就是说,欧姆定律揭示了线性电阻电压与电流的约束关系。式中R和G是电阻的两个重要参数,分别叫电阻和电导,单位分别是欧姆()和西门子(S)。线性电阻元件可简称为电阻,这样,“电阻”一词及

12、其符号R既表示电阻元件也表示该元件的参数。,电路符号如图1.8(a)所示。电阻上的电压和电流有确定的对应关系,可用u-i平面上的一条关系曲线,即伏安曲线或数学方程式来表示。,如电阻的伏安关系是一条通过原点的直线,如图1.8(b)所示,则称为线性电阻。在图1.8(a)所示的关联方向下,线性电阻的电压电流关系可用下式表示;u=R i 或 i=G u(1.6),对于线性电阻元件来说,在电压与电流关联参考方向下,则在任何时刻,电阻元件的功率 p=u i u=R i,(1.7),若电阻元件电压与电流参考方向相反,电阻元件的功率 p=-u i u=-R i,综合上述两种情况,可得线性电阻的功率计算公式为,

13、式(1.7)表明,电阻的功率恒为正值,说明电阻是耗能元件。,1.3.2 电容元件,电容是电路中最常见的基本元件之一。两块金属板之间用介质隔开就构成了实际的电容器。种类规格很多,常用的有电解电容器、瓷片电容器等,,电容元件:是各种实际电容器的电路模型,它是一种理想元件,简称电容,用C表示。其电路符号如图1.10(a)所示。,电容具有充、放电的特性,当在其两端加上电压,两个极板间就会建立电场,储存电场能量,这是充电过程;反之,若给储存有电能的电容提供放电回路,它就会释放其中的能量,这是电容的放电过程。电容放电时,相当一个电压源。,电容是一种能够储存电场能量的元件,储存能量的多少通常用电容量(简称电

14、容)这个参数来表征,该参数也用C表示。在国际单位制中,电容的单位为法拉,用F表示。此外还有微法(F)、纳法(nF)和皮法(pF),它们与F的关系是 1F=106 F=109 nF=1012 pF,电容极板上储存的电荷量q与由此在两极板间建立起的电压u成线性关系,写成表达式为 q=C u(1.9),如图1.10(a)所示,当电压、电流选为关联方向时,其伏安关系为,上式说明,电容元件其电压与电流是一种微分关系,即电流与该时刻电压的变化率成正比。显然,电压变化越快,即变化频率越大,电流就越大;如果电压不变化,即加上直流电压,则i=0,电容相当于开路。这正是电容的一个明显特征:通高频,阻低频;通交流,

15、隔直流。利用该特性,可用电容制成滤波器。,与式(1.9)对应的库伏特性如图1.10(b)所示。,(1.10),式(1.12)表明:任意时刻电容的储能总是大于或等于零,由此可知,电容属于无源元件。,设t=0时,电容两端电压u=0,由式(1.11)可得到,同时还可得到电容的储能公式为,(1.12),实际的电感器(也叫线圈)是用导线绕制而成的。根据用途的不同,电感器也有很多的种类,但它们可用电感元件这个理想化模型来代替,电感元件简称电感,用L表示。其电路符号如图1.11(a)所示。,1.3.3 电感元件,电感同样具有储存和释放能量的特点。当在电感中通入交流电流i时,电感周围就会建立磁场,即储存了磁场

16、能量,而在电感两端会出现感应电压u。电感储存能量的多少通常用电感系数(简称电感)这个参数来表征,该参数也用L表示。,在国际单位制中,电感的单位为亨利,用H表示,此外还有毫亨(mH)、微亨(H),它们与H的关系是 1H=103 mH=106 H,如图 在图1.11(a)所示的关联参考方向下,电感的磁链与电流成线性关系,即(t)=L i(t)(1.13)与式(1.13)对应的韦安特性如图1.11(b)所示。,3、韦安特性曲线:,2、单位:,1、定义,关联方向下,电感元件的伏安关系为,上式表明,电感元件的伏安关系为微分关系,即感应电压与该时刻电流的变化率成正比。电流的变化率越大,则u越大。倘若电流不

17、变化,即在直流电路中,则电压u=0,电感相当于短路。因此,电感具有通低频、阻高频的作用,也可用来制成滤波器。,(1.14),设当 t=0时,电感中的电流 i(0)=0,式(1.14)也可写成,电感的储能公式为,(1.15),式(1.16)表明:任意时刻电感的储能总是大于或等于零,由此可知,电感也属于无源元件。,(1.16),4、表达式,1.3.4 电容、电感的串、并联,C1,C2,Cn多个电容并联,可以等效为一个电容C,如图1.13(P/11)所示。等效电容C等于各个并联电容之和,即,(1.17),C1,C2,Cn多个电容串联,可以等效为一个电容C,如图1.12(P/11)所示。等效电容C的倒数等于各个串联电容的倒数之和,即,1.电容串联,2.电容并联,电感串并联时,其等效电感的求解方法与电容的串并联正好相反。,C=C1+C2+Cn(1.18),

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