电路-1基本概念定律课件

电力专业基础与实务电路电路电力专业基础与实务电路1第一部分第一部分电路的基本概念与电路的基本概念与基本定律基本定律第一部分21.1 电路和电路模型（电路和电路模型（model)1.实际电路实际电路功能功能a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b 信息的传递与处理。信息的传递与处理。共性共性建立在同一电路理论基础上建立在同一电路理论基础上由电工设备和电气元件按预期目的连由电工设备和电气元件按预期目的连接构成的电流的通路。接构成的电流的通路。1.1 电路和电路模型（model)1.实际电路功能a 3导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡2.电路模型电路模型 (circuit model)电路图电路图l理想电路元件理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件有某种确定的电磁性能的理想元件反映实际电路部件主要电磁反映实际电路部件主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。性质的理想电路元件及其组合。l电路模型电路模型导线电池开关灯泡2.电路模型 (circuit mode4几种基本的电路元件：几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电阻元件：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电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件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51.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 (reference direction)电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路分分析析中中人人们们主主要要关关心心的的物物理理量量是电流、电压和功率。是电流、电压和功率。1.电流的参考方向电流的参考方向(current reference direction)l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动带电粒子有规则的定向运动单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量1.2 电流和电压的参考方向 电路中的主要物理6l 方向方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l 单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向实际方向实际方向AABB问题问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断电流的实际方向往往很难事先判断 方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 单位1kA=107l参考方向参考方向i 参考方向参考方向大小大小方向方向电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。流的参考方向。ABi 参考方向参考方向i 参考方向参考方向i 0i 0实际方向实际方向实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：电流的参考方向与实际方向的关系：AABB参考方向i 参考方向大小方向8电流参考方向的两种表示：电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。电流的参考方向。用双下标表示：如用双下标表示：如 iAB,电流的参考方向由电流的参考方向由A指向指向B。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参9l电压电压Ul 单位：单位：V(伏伏)、kV、mV、V2.电压的参考方向电压的参考方向(voltage reference direction)单单位位正正电电荷荷q 从从电电路路中中一一点点移移至至另另一一点点时时电场力做功（电场力做功（W）的大小）的大小l 电位电位 单位正电荷单位正电荷q 从电路中一点移至参考点从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小时电场力做功的大小l 实际电压方向实际电压方向 电位真正降低的方向电位真正降低的方向电压U 单位：V(伏)、kV、mV、V2.电压的参考10问题问题复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往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。不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。l 电压电压(降降)的参考方向的参考方向U 0参考方向参考方向U+实际方向实际方向+实际方向实际方向参考方向参考方向U+U假设的电压降低方向假设的电压降低方向问题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，11电压参考方向的三种表示方式电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示用箭头表示(2)用正负极性表示用正负极性表示(3)用双下标表示用双下标表示UU+ABUAB电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示(2)用12元件或支路的元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为采用相同的参考方向称之为关联参考关联参考方向方向。反之，称为反之，称为非关联参考方向非关联参考方向。关联参考方向关联参考方向非关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向关联参考方向i+-+-iUU元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考关联参考131.3 电路元件的功率电路元件的功率(power)1.电功率电功率功率的单位：功率的单位：W(瓦瓦)(Watt，瓦特，瓦特)能量的单位：能量的单位：J (焦焦)(Joule，焦耳，焦耳)单位时间内电场力所做的功。单位时间内电场力所做的功。1.3 电路元件的功率(power)1.电功率功率142.电路吸收或发出功率的判断电路吸收或发出功率的判断l u,i 取取关联参考方向关联参考方向P=ui 表表示元件吸收的功率示元件吸收的功率P0 吸收正功率吸收正功率 (实际吸收实际吸收)P0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P0，d i/d t0，则，则u0，p0,电感吸收功率。电感吸收功率。(2)当电流减小，当电流减小，i0，d i/d t0，则，则u0，p0，d i/d t23电感的分类电感的分类 按电感形式：固定电感 可变电感 按导磁体性质：空芯线圈 铁氧体线圈 铁芯线圈 铜芯线圈电感的分类 按电感形式：固定电感24电感元件的参数特性电感元件的参数特性n n电感值电感值L Ln n感抗感抗X XL Ln n品质因数品质因数Q Q（越大越好）（越大越好）表示线圈质量的一个物理量，表示线圈质量的一个物理量，Q Q为感抗为感抗X XL L与其等与其等效的电阻的比值，即：效的电阻的比值，即：Q=XQ=XL L/R/R。Q Q值通常为几十值通常为几十到几百。到几百。空心电感计算：空心电感计算：L=L=匝数平方匝数平方 线圈截面积线圈截面积/线圈长度线圈长度空心线圈中插入铁心可提高空心线圈中插入铁心可提高L L和和Q Q；电感元件的参数特性电感值L空心电感计算：L=匝数平方251.6 电容元件电容元件 (capacitor)电容器电容器_q+q 在外电源作用下，在外电源作用下，两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电两极板上分别带上等量异号电荷，撤去电源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一源，板上电荷仍可长久地集聚下去，是一种储存电场能量的部件。种储存电场能量的部件。1。定义。定义电容元件电容元件储存电能的元件。其储存电能的元件。其特性可用特性可用qu 平面平面上的一条曲线来描述上的一条曲线来描述uq库伏库伏特性特性1.6 电容元件 (capacitor)电容器_q+q26任任何何时时刻刻，电电容容元元件件极极板板上上的的电电荷荷q与与电电压压 u 成成正正比比。q u 特性是过原点的直线特性是过原点的直线l 电路符号电路符号2.线性定常电容元件线性定常电容元件Cu+q-q C 称为电容器的电容称为电容器的电容,单位：单位：F(法法)(Farad，法拉，法拉),常用常用 F，p F等表示。等表示。quO l 单位单位任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电压 u 成正比。q 27l 线性电容的电压、电流关系线性电容的电压、电流关系Cuiu、i 取关取关联参考方向联参考方向电容元件电容元件VCR的微分关系的微分关系表明：表明：(1)i 的大小取决于的大小取决于 u 的变化率的变化率,与与 u 的大小无关，的大小无关，电容是动态元件；电容是动态元件；(2)当当 u 为常数为常数(直流直流)时，时，i=0。电容相当于开路，电容。电容相当于开路，电容 有隔断直流作用；有隔断直流作用；(3)实际电路中通过电容的电流实际电路中通过电容的电流 i为有限值，则电容电压为有限值，则电容电压u(4)必定是时间的连续函数必定是时间的连续函数.线性电容的电压、电流关系Cuiu、i 取关联参考方向283.电容的功率和储能电容的功率和储能(1)当电容充电，当电容充电，u0，d u/d t0，则，则i0，q ，p0,电容吸收功率。电容吸收功率。(2)当电容放电，当电容放电，u0，d u/d t0，则，则i0，q ，p0，d u/d t29电容元件的参数特性电容元件的参数特性n n电容值Cn n容抗XC=1/wc平板电容的影响因素：平板电容的影响因素：kDSpe4C=电容元件的参数特性电容值C平板电容的影响因素：kDSpe30电容元件与电感元件的比较：电容元件与电感元件的比较：电容电容 C电感电感 L变量变量电流电流 i磁链磁链 关系式关系式电压电压 u 电荷电荷 q(1)元件方程的形式是相似的；元件方程的形式是相似的；(2)若若把把 u-i，q-，C-L互互换换,可可由由电电容容元元件件的的方方程得到电感元件的方程；程得到电感元件的方程；(3)C 和和 L称为对偶元件称为对偶元件,、q等称为对偶元素。等称为对偶元素。*显然，显然，R、G也是一对对偶元素也是一对对偶元素:I=U/R U=I/GU=RI I=GU结结论论电容元件与电感元件的比较：电容 C电感 L变量电流 i31 1.7 电源元件电源元件(independent source)其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。无关的元件叫理想电压源。l 电路符号电路符号1.理想电压源理想电压源l 定义定义i+_ 1.7 电源元件(independent source32(1)电源两端电压由电源本身决定，电源两端电压由电源本身决定，(2)与外电路无关；与流经它的电流与外电路无关；与流经它的电流方方(3)向、大小无关。向、大小无关。(2)通过电压源的电流由电源及外通过电压源的电流由电源及外(3)电路共同决定。电路共同决定。l 理想电压源的电压、电流关系理想电压源的电压、电流关系ui伏安关系伏安关系例例Ri-+外外电电路路电压源不能短路！电压源不能短路！电源两端电压由电源本身决定，通过电压源的电流由电33 实实际际电电压压源源也也不不允允许许短短路路。因因其其内内阻阻小小，若若短路，电流很大，可能烧毁电源。短路，电流很大，可能烧毁电源。usuiOl 实际电压源实际电压源i+_u+_考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性一个好的电压源要求一个好的电压源要求 实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大34恒压源特性中不变的是：恒压源特性中不变的是：_E恒压源特性中变化的是：恒压源特性中变化的是：_I_ 会引起会引起 I 的变化。的变化。外电路的改变外电路的改变I 的变化可能是的变化可能是 _ 的变化，的变化，或者是或者是_ 的变化。的变化。大小大小方向方向恒压源特性小结恒压源特性小结+_IEUababR恒压源特性中不变的是：_E恒压源特性35 其输出电流总能保持定值或一定其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压的时间函数，其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。无关的元件叫理想电流源。l 电路符号电路符号2.理想电流源理想电流源l 定义定义u+_(1)电流源的输出电流由电源本身决定，与电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关外电路无关；与它两端电压方向、大小无关(2)电流源两端的电压由电源及外电路共同决定电流源两端的电压由电源及外电路共同决定l 理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、电流关系ui伏安伏安关系关系 其输出电流总能保持定值或一定 电路符号2.理想电36例例外外电电路路电流源不能开路！电流源不能开路！Ru-+实际电流源的产生实际电流源的产生可可由由稳稳流流电电子子设设备备产产生生，如如晶晶体体管管的的集集电电极极电电流流与与负负载载无无关关；光光电电池池在在一一定定光光线线照照射射下下光光电电池池被被激激发发产产生生一一定定值值的的电流等。电流等。例外电路电流源不能开路！Ru-+实际电流源的产生可由稳流电子37 实实际际电电流流源源也也不不允允许许开开路路。因因其其内内阻阻大大，若若开路，电压很高，可能烧毁电源。开路，电压很高，可能烧毁电源。isuiOl 实际电流源实际电流源考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性一个好的电流源要求一个好的电流源要求u+_i 实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高38恒流源特性小结恒流源特性小结恒流源特性中不变的是：恒流源特性中不变的是：_Is恒流源特性中变化的是：恒流源特性中变化的是：_Uab_ 会引起会引起 Uab 的变化。的变化。外电路的改变外电路的改变Uab的变化可能是的变化可能是 _ 的变化，的变化，或者是或者是 _的变化。的变化。大小大小方向方向abIUabIsR恒流源特性小结恒流源特性中不变的是：_391.8 受控电源受控电源(非独立源非独立源)(controlled source or dependent source)电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压受电路中某个地方的电压(或电流或电流)控制的电源，称受控源控制的电源，称受控源l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.定义定义受控电流源受控电流源1.8 受控电源(非独立源)电压或电流的大小和40(1)(1)电流控制的电流源电流控制的电流源(CCCS):电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压根据控制量和被控制量是电压u u 或电流或电流i i ，受控源可分，受控源可分四种类型：四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。控制量是电流时，用受控电流源表示。2.分类分类四端元件四端元件b b i1+_u2i2_u1i1+输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分(1)电流控制的电流源(CCCS):电流放大倍41g:转移电导转移电导(2)(2)电压控制的电流源电压控制的电流源(VCCS)u1gu u1 1+_u2i2_i1+(3)(3)电压控制的电压源电压控制的电压源(VCVS)u1+_u2i2_u1i1+-:电压放大倍数电压放大倍数 g:转移电导(2)电压控制的电流源(VCCS)u42ru1+_u2i2_u1i1+-(4)(4)电流控制的电压源电流控制的电压源(CCVS)r:转移电阻转移电阻 ru1+_u2i2_u1i1+-(4)电流控制的电压源 431.9 1.9 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 (Kirchhoffs Laws)(Kirchhoffs Laws)基基尔尔霍霍夫夫定定律律包包括括基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律 (KCL)和和基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律(KVL )。它它反反映映了了电电路路中中所所有有支支路路电电压压和和电电流流所所遵遵循循的的基基本本规规律律，是是分分析析集集总总参参数数电电路路的的基基本本定定律律。基基尔尔霍霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。1.9 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 441.1.几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上支路的连接点称三条或三条以上支路的连接点称为节点。为节点。(n n )b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路）支路 (branch)电路中每一个两端元件就叫一条支路电路中每一个两端元件就叫一条支路i3i2i1(2)(2)节点节点(node)(node)1.几个名词电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上45由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。(l)两节点间的一条通路。由支路构成。两节点间的一条通路。由支路构成。对对平面电路平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。，其内部不含任何支路的回路称网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3)(3)路径路径(path)(path)(4)(4)回路回路(loop)(loop)(5)(5)网孔网孔(mesh)(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔由支路组成的闭合路径。(l)两节点间的一条通路。由支路构462.2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 (KCL)令流令流出出为为“+”，流，流入入为为“”，有：，有：例例 在在集集总总参参数数电电路路中中，任任意意时时刻刻，对对任任意意结结点点流流出出或或流流入入该该结点电流的代数和等于零。结点电流的代数和等于零。流进的电流进的电流等于流流等于流出的电流出的电流2.基尔霍夫电流定律(KCL)令流出为“+”，流入为“47I4=?+-10V335-3A4AI4ABCI1I2I3I5对结点对结点B对结点对结点CA154-=-=354III-=543III=+AI25101=213III-=A5)3(2=-=321III+=I4=?+-10V335-3A4AI4ABCI1I2I48KCL通常用于节点，但是对于包围几个通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。节点的闭合面也是适用的。例：列出下图中各节点的例：列出下图中各节点的KCL方程方程解：取流入为正解：取流入为正以上三式相加：以上三式相加：I1I2I3 0 节点节点a I1I4I60节点节点b I2I4I50节点节点c I3I5I60KCL通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。49（2 2）选定回路绕行方向，）选定回路绕行方向，顺顺时时针针或或逆逆时时针针.参参考考方向与之一致电压取方向与之一致电压取“”U1US1+U2+U3+U4+US4=03.3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)在在集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕行，各支路电压的代数和等于零。行，各支路电压的代数和等于零。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1 1）标定各元件电压参考方向）标定各元件电压参考方向 （2）选定回路绕行方向，U1US1+U2+U3+U4+U50例：图示电路，已知例：图示电路，已知U1=5V，U3=3V，I=2A，求，求U2、I2、R1、R2和和US。解：解：I2=U32=32=1.5AU2=U1U3=53=2VR2=U2I2=21.5=1.33I1=II2=21.5=0.5AR1=U1I1=50.5=10US=UU1=235=11V例：图示电路，已知U1=5V，U3=3V，I=2A，求U51例：图示电路，已知例：图示电路，已知US1=12V，US2=3V，R1=3，R2=9，R3=10，求，求Uab。解：由解：由KCL I3=0，I1=I2由由KVL I1 R1 I2 R2=US1由由KVL解得：解得：解得：解得：A1931221S112=+=+=RRUIIV12310091S23322ab=+-=+-=URIRIU0S23322ab=-+-URIRIU例：图示电路，已知US1=12V，US2=3V，R1=3，52