电路理论第一章课件

电子与电气信息类学科基础课程电子与电气信息类学科基础课程（72学时）学时）2014年年9月月序言序言一、课程的任务与作用一、课程的任务与作用通过本课程的学习，获得电子技术必要的基本理论、基本通过本课程的学习，获得电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解电工技术的应用和我国电工技术发展知识和基本技能，了解电工技术的应用和我国电工技术发展的概况，为学习后续课程以及从事有关的工程技术工作和科的概况，为学习后续课程以及从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。学研究工作打下一定的基础。电类专业研究生入学考试必考课程。电类专业研究生入学考试必考课程。基本理论、基本基本理论、基本知识知识和和基本技能基本技能二、课程的学习方法（二、课程的学习方法（3030字口诀）字口诀）课前做好预习课前做好预习课堂认真听课课堂认真听课课后及时复习课后及时复习认真完成作业认真完成作业疑难立马解惑疑难立马解惑总评成绩三、参考书目三、参考书目 课程网站 电路理论学习指导书电路理论学习指导书（修订版）（修订版）杨传谱、黄冠杨传谱、黄冠 斌、孙亲锡、孙敏斌、孙亲锡、孙敏 华中科技大学出版社出版（华中科技大学出版社出版（2004 年年1月）月）电路分析基础电路分析基础（第（第4 版）版）李瀚荪李瀚荪 高等教育出版社出版高等教育出版社出版 （2006年年5月）月）电路理论学习与考研指南电路理论学习与考研指南黄冠斌、张霞黄冠斌、张霞 华中科技大学出版社出版（华中科技大学出版社出版（2009年年6月）月）第一章第一章 电路基本定律与二端电阻性元件电路基本定律与二端电阻性元件1.1 1.1 电路电路的基本组成和电路模型的基本组成和电路模型1.2 1.2 电压及其参考方向电压及其参考方向1.4 1.4 电功率和电能电功率和电能1.5 1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.6 1.6 电阻元件电阻元件1.7 1.7 独立电源独立电源1.3 1.3 电流及其参考方向电流及其参考方向（3 3）中间环节：起）中间环节：起输送、分配电能输送、分配电能的作用。包括连接的作用。包括连接导线、控制、保护装置等。如开关电器、熔断器、仪器仪导线、控制、保护装置等。如开关电器、熔断器、仪器仪表等。表等。（1 1）电源：是）电源：是将其他形式的能转将其他形式的能转换成电能换成电能的装置。它是电路中能量的的装置。它是电路中能量的提供者，如干电池、蓄电池、发电机提供者，如干电池、蓄电池、发电机或信号源等。或信号源等。（2 2）负载：是将）负载：是将电能转换成其他形式能电能转换成其他形式能的器件或设备，的器件或设备，是电路中能量的消耗者，如电灯、电炉、电动机等。负载是电路中能量的消耗者，如电灯、电炉、电动机等。负载是各类用电器的统称。是各类用电器的统称。手电筒电路手电筒电路一、一、电路的组成电路的组成1.1.1 1.1.1 电路的组成及各部分的作用电路的组成及各部分的作用1.11.1 电路电路的基本组成和电路模型的基本组成和电路模型电路的定义：电流流过的路径。电路的定义：电流流过的路径。二、二、电路的作用电路的作用1.1.电能的传送、分配与转换电能的传送、分配与转换（强电）2.2.传递和处理信号传递和处理信号（弱电）发电厂中发电机发出的电能通过变压器、输电线等送到用电单位，将电并通过负载转换成其他形式的能量（如热能、机械能等）。通过电路将输入的信号进行转换、传送或加工处理，使之成为满足一定要求的输出信号。对于实际电路是由实际的电路元件连接而成的。而实对于实际电路是由实际的电路元件连接而成的。而实际元件种类繁多，即使最简单的电路元件，其电磁性能也际元件种类繁多，即使最简单的电路元件，其电磁性能也十分复杂，很难把其所有性能都考虑进去，很难用一个简十分复杂，很难把其所有性能都考虑进去，很难用一个简单的数学表达式表达出来。单的数学表达式表达出来。理想电路元件是一种理想化的模型理想电路元件是一种理想化的模型,简称为电路元件：简称为电路元件：电阻元件是一种只表示消耗电能的元件电阻元件是一种只表示消耗电能的元件;电感元件是表示电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件;电容电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件等。元件等。实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导体连接起来模拟体连接起来模拟,这便构成了这便构成了电路模型电路模型。在一定条件下对实际器件加以理想化在一定条件下对实际器件加以理想化,只考虑其中只考虑其中起主要作用的某些电磁现象。起主要作用的某些电磁现象。1.1.2 1.1.2 理想电路元件和理想电路元件和电路模型电路模型电路元件电路元件 无源二端元件有电阻元件无源二端元件有电阻元件R R、电感元件、电感元件L L、电容元件、电容元件C C。有源二端元件分为电压源有源二端元件分为电压源元件和电流源元件。元件和电流源元件。手电筒实际电路的电路模型手电筒实际电路的电路模型二端元件、多端元件二端元件、多端元件电荷的定向移动形成电流。单位时间内通过导体某一横截电荷的定向移动形成电流。单位时间内通过导体某一横截面的电量称为电流强度（电流）。设在面的电量称为电流强度（电流）。设在dtdt时间内通过导体截时间内通过导体截面的电荷量为面的电荷量为dqdq，则有：，则有：电流的大小和方向均不随时间变化称为稳恒直流电流，简电流的大小和方向均不随时间变化称为稳恒直流电流，简称直流（称直流（DCDC），用大写字母），用大写字母I I表示，即表示，即 电流的单位是电流的单位是安培（安培（A A）。较小的单位有毫安（）。较小的单位有毫安（mAmA）、）、微安（微安（AA）、纳安（）、纳安（nAnA）。）。1.3.1.3.电流及其参考方向流及其参考方向1.3.1 1.3.1 电流的概念流的概念电流的方向电流的方向画图画图：1.1.正电荷运动的方向；正电荷运动的方向；2.2.电子流的反方向电子流的反方向电流的分类电流的分类各种电流的波形图如图所示。一、为什么引入参考方向？一、为什么引入参考方向？1.3.2 1.3.2 电流的参考方向电流的参考方向R1R2R3R4R5R6EabR1R2R3R4R6E1.3.2 1.3.2 电流的参考方向电流的参考方向二、参考方向的表示二、参考方向的表示交通部门交通部门电流的参考方向电流的参考方向1.预先任意假定的电流方向称电流的参考方向（或正方向）。2.电流的参考方向在连接导线上用箭头或用双下标表示。三、电流参考方向的意义三、电流参考方向的意义 交通部门 当参考方向与实际方向一致时电流值为正;当参考方向与实际方向相反时，电流值为负。根据参考方向，结合电流数值的正负，确定电流实际方向根据参考方向，结合电流数值的正负，确定电流实际方向注意：注意：2.交通部门例对同一电流，当参考方向改变时，电流值要改变符号。1.参考方向一经选定不要随意改动。3.没有参考方向，数值的正负没有意义。交通部门 即：电流值为正，表示电流的实际方向与参考方向一致；电流值为负，表示电流的实际方向与参考方向相反。式中式中,dq为由为由a点移动到点移动到b b点的电荷量点的电荷量,dWabab为移动为移动过程中电荷所减少的电能。过程中电荷所减少的电能。1.2 1.2 电压及其参考方向电压及其参考方向1.2.1 1.2.1 电压的概念电压的概念电压的实际方向是正电荷在电场力的作用下电能减少电压的实际方向是正电荷在电场力的作用下电能减少的方向，即从高地位指向低电位。的方向，即从高地位指向低电位。电压的电压的实际方向实际方向是正电荷在电场力的作用下电能减少是正电荷在电场力的作用下电能减少的方向，即的方向，即从高地位指向低电位从高地位指向低电位。电场力移动单位正电荷由a点到b点所作的功注意:电压是代数量abdq1.2.2 1.2.2 电压的参考方向电压的参考方向(或正方向或正方向)定义：任意假设的电压方向称为电压的参考方向（或正定义：任意假设的电压方向称为电压的参考方向（或正方向）。方向）。电压参考方向的表示电压参考方向的表示:关联参考方向、非关联参考方向：关联参考方向、非关联参考方向：当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值；当当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值；当电压的实际方向与参考方向相反时，电压为负值。电压的实际方向与参考方向相反时，电压为负值。即：电压值为正，电压的实际方向与参考方向一致；电即：电压值为正，电压的实际方向与参考方向一致；电压值为负，电压的实际方向与参考方向相反。压值为负，电压的实际方向与参考方向相反。参考方向的意义参考方向的意义例（例（P5P5例例1-11-1）：）：+u+u例：电路如图所示，例：电路如图所示，各电量的参考方向在图中已经标出。请问：（各电量的参考方向在图中已经标出。请问：（1 1）各段）各段电路电流、电压的参考方向是否关联？（电路电流、电压的参考方向是否关联？（2 2）各段电路电）各段电路电流的实际方向如何？（流的实际方向如何？（3 3）ABAB段电压的实际方向如何？段电压的实际方向如何？解：（解：（1 1）一个两端元件若电流从电压的正极流入、从负）一个两端元件若电流从电压的正极流入、从负极流出，则电压电流为关联方向；反之为非关联方向。极流出，则电压电流为关联方向；反之为非关联方向。由图可知由图可知为关联方向为关联方向为关联方向为关联方向为非关联方向为非关联方向为正值，实际方向与参考方向一致为正值，实际方向与参考方向一致为负值，实际方向与参考方向相反为负值，实际方向与参考方向相反因因 U U1 1的实际方向与参考方向相反，故的实际方向与参考方向相反，故B B点的点的电位高，电位高，A A点的电位低。点的电位低。ABAB段电压的实际方向是由段电压的实际方向是由B B指指向向A A。1.2.3 1.2.3 电位电位 一、电位一、电位 任选电路中的一点o为参考点，则电路中的某点a与参考点o间的电压就称为a点的电位，用a 表示，单位也是伏特。参考点的电位规定为零，故参考点又称为零电位点。1.物理学中常选无限远处或大地为参考点。2.电工学中若研究的电路有接地点，就选择接地点为参考点，用符号 表示。3.电子线路中，常取若干导线汇集的公共点或机壳作为电位的参考点，用符号 表示。二、参考点的选择二、参考点的选择三、电压与电位的关系三、电压与电位的关系即：电路中即：电路中a a、b b两点间的电压等于两点间的电压等于a a、b b两点的电位之差。两点的电位之差。1.1.下标调，符号调；下标调，符号调；2.2.电压可以分段计算（结论）电压可以分段计算（结论）Uab =Uao+Uob=Uao-Ubo=a-b如果已知a、b两点的电位各为a、b,则此两点间的电压FABCDE(4)(1)(2)(3)(1)4=01=5V，2=3V，3=6V求电压U12、U23、U31(2)2=0例（例（P5P5例例1-41-4）：在图示电路中，当选择（）：在图示电路中，当选择（4 4）为参考点时，）为参考点时，（1 1）、（）、（2 2）、（）、（3 3）各点电位分别为）各点电位分别为5V5V、3V3V、-6V-6V。求电。求电压压U U1212、U U2323、U U3131；若将参考点改为（；若将参考点改为（2 2），求其他各点电位），求其他各点电位和和U U1212、U U2323、U U3131 。结论：结论：1.1.参考点选择不同，各点电位就不同参考点选择不同，各点电位就不同电位是电位是相对的；相对的；2.2.任意两点间的电压与参考点的选择无关任意两点间的电压与参考点的选择无关任意两点间的电压是绝对的。任意两点间的电压是绝对的。在电子电路中，为了简化电路的绘制，常采用电位标注法。如图（a）所示电路用电位标注时，可简化成图（b）的形式电子线路习惯画法。例题四、电子线路习惯画法四、电子线路习惯画法1.2.4 1.2.4 电动势电动势一、电动势一、电动势 在电源内部，电源力电源力将单位正电荷由低电位移到高电位所做的功定义为电源的电动势，电动势用符号e表示。直流电源的电动势为二、电动势的图形符号二、电动势的图形符号维持电路中电流的流动三、电源电动势三、电源电动势E E与其两端电压与其两端电压U U的关系的关系 电压源对外电路的作用效果既可以用电动势表示，也可以用电压表示。沿电动势的方向电位升高了E伏，沿电压的方向电位降低了同样的数值，故有。结论：结论：U参考方向与电动势E实际方向（-+）相同 U=-E；U参考方向与电动势E实际方向（-+）相反 U=E一、电功率一、电功率 单位时间内电流所做的功称为电功率，简称功率，用符号p或P表示。直流情况下 1.4 1.4 电功率和电能电功率和电能 功率的单位为瓦特,简称瓦,符号为W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。二端元件(或二端电路)功率的计算及吸收或发出功率的判断p=ui 实际黑匣子p=ui 表示吸收的功率p=ui000实际吸收功率实际发出功率+uii+u例例：求图示各二端元件的功率，并说明各功率的性质。吸收10W的功率。该元件为负载。图（b）中电流、电压关联方向，因此产生10W的功率。该元件为电源。图（c）中电流、电压非关联方向，因此吸收10W的功率。该元件为负载。图（d）中电流、电压非关联方向，因此产生10W的功率。该元件为电源。P=UI=5(-2)=-10W P=UI=5(-2)=-10W P=UI=52=10W P=UI=(-5)(-2)=10W解：图（a）中电流、电压关联方向，因此例（见例（见P8P8例例1-61-6）：）：例（见P8例1-5）：+312I3U1U2U3I2I1U1=5V，I1=3AU2=4V，I2=4AU3=3V，I3=1A二、电能二、电能 从t0到t时间内,电路吸收（消耗）的电能为 电能的电能的SISI主单位是焦耳主单位是焦耳,符号为符号为J J。电力部门以“度”为单位核算电能1度电=1000Wh=1033600=3.6106J 电阻元件是从实际电阻器件中抽象出来的理想化模型。电阻元件在电路中只消耗电能。即它是耗能元件。耗能元件。其电压与电流实际方向总电压与电流实际方向总是相同的。是相同的。在电路中总是吸收功率吸收功率.1.6 1.6 电阻元件电阻元件与欧姆定律与欧姆定律一、电阻元件一、电阻元件二、电阻元件的伏安关系二、电阻元件的伏安关系 若不加特殊说明，电阻元件均指线性电阻元件，线性电阻元件简称电阻。电阻元件及线性、非线性电阻元件的伏安特性(无源支路欧姆定律无源支路欧姆定律)U=USRII=RUSUI=RUSUI=RUS+UI=RUS+UU=USRIU=US+RIU=US+RI(含源支路的欧姆定律)例1（教材p22习题1-11）+USRIU(1)+USRIU(2)+USRIU(3)+USRSIU(4)US URI=电压表达式：U=USRI电流表达式：开(断)路i0，u=任意有限值短路u0，i=任意有限值三、开路和短路的概念(1)直线和电压轴重合(R=或G=0)(2)直线和电流轴重合(R=0或G=)+ui+ui0ui斜率R 电阻的倒数称为电阻元件的电导。令G=1/R，其单位是西门子（S）在电流和电压关联参考方向下，任何瞬时线性电阻元件接收的电功率为电流、电压关联方向时电流、电压非关联方向时三、电导三、电导四、电阻元件的功率四、电阻元件的功率 实际应用中应注意电阻的功率不可超过其标称值!例：例：有220V,100 W灯泡一个,其灯丝电阻是多少？每天用5h,一个月（按30天计算）消耗的电能是多少度？解：解：灯泡灯丝电阻为一个月消耗的电能为一个月消耗的电能为补充有源支路欧姆定律补充有源支路欧姆定律1.5 1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律一个电路的各部分电压之间或电流之间是如何互相制约的？二端元件（或称一端口元件、单口元件）支路支路电流支路电压节点1234123564i1i2i3i4i5i6u1+1-5-1 有关的电路术语回路(网孔)13支路14支路6支路4l1l2l3l41235612344i1i2i3i4i5i6u1+i1+i2+i4=0i1 i3+i6=0节点(1):节点(3):i2+i3+i5=0节点(2):1.定律内容 即:ik(t)=01-5-2 基尔霍夫电流定律（KCL）2.备注 定律与电路元件的性质无关 定律是电荷守恒原理在电路中的体现i4 i5 i6=0节点(4):定律对广义节点仍然适用i1 i2+i5+i6=01235612344i1i2i3i4i5i63.备注 对任意作出的包围部分电路的闭合曲面，在任一时间，离开此闭合曲面的各支路电流代数和为零。1-5-2 基尔霍夫电流定律（KCL）i2i1i3i1+i2 i3=0N1N2iNii=0i=01-5-2 基尔霍夫电流定律（KCL）4.备注:电流在回路中流动1.定律内容uk(t)=0l1l2l3u1 u3u2=0u2+u5u4=0u3+u6u5=0235641+u1u3+u2u4u6u5+1-5-3 基尔霍夫电压定律（KVL）代数和正负号的确定代数和正负号的确定：先要任意规定回路绕行的方向回路绕行的方向及各支路各支路（元件）电压的参考方向（元件）电压的参考方向,凡支路（元件）电压的参考方向与回路绕行方向一致者（电位降）,此电压前面取“+”号,支路（元件）电压的参考方向与回路绕行方向相反者（电位升）,则电压前面取“-”号。定律是能量守恒原理在电路中的体现。2.备注:定律与电路元件的性质无关。形式一形式一（1）对虚拟回路也适用u34 u4+u2+u3=0u34=u3 u2+u42.备注+u66u5+5u1+u4u3u2+123123441-5-3 基尔霍夫电压定律（KVL）以总电压参考方向为标准，以总电压参考方向为标准，分电压以分电压以“降为正降为正”，“升为负升为负”的原则写正负号的原则写正负号1.5.31.5.3 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVLKVL）1 1定律内容定律内容（2）若电路中只包含线性电阻和电压源，则回路中所有电阻上电压降的代数和恒等于回路中电压源电压的代数和，即代数和正负号的确定代数和正负号的确定：电流参考方向与回路绕行方向一致时IR前取正号，相反时取负号；电压源的方向（低到高）与回路绕行方向一致时E 前取正号，相反时取负号。形式二形式二解：由KCL得出：对回路由KVL得出：例例：如图所示电路中，已知求：P22P22题题1-81-8+12345678910+abcde例：（教材p12例1-7）I1=I2=I3=I5=I7=I8=2AU4=U6=U9=U10=4Vbd c a ed c a e求：I4、I6、I9、I10；Ube、ude例题例题1.7 1.7 独立电源独立电源电压源与电流源电压源与电流源1.7.1 1.7.1 电压源电压源一、电压源一、电压源 电压源特点：（1）其端电压恒定不变 或按某一定规律随时间变化（理想电压源、恒压源）（理想电压源、恒压源）P16P16例例1-91-9任意电路i+u+us(t)3V4V1I2ba3V1I1abUSiu0USi（2)通过电压源的电流（包括大小和实际方向），由其联接的外部电路确定。二、实际电压源二、实际电压源实际直流电压源模型的伏安关系为：实际直流电压源模型的伏安特性曲线如图（b）所示:开路：I=0，U=US,短路：U=0，I=US/Rs；有载：U=US-IRsU=USRSIUI0USUS/RS+USRSIU戴维南电路1.7.2 1.7.2 电流源电流源一、电流源一、电流源 电流源特点：（1）其输出电流恒定不变或按某一定规律随时间变化（理想电流源、恒流源）（理想电流源、恒流源）P18P18例例1-101-10ui0t=t2t=t1t=t3t=t4+u任意电路is(t)i+32U1A2V+32U1A5AI（2)电流源两端的电压的外部电路确定。（包括大小和实际方向），由其联接实际直流电流源模型的伏安关系为：实际直流电流源模型的伏安特性曲线如图（b）所示：开路：I=0，U=IsRP，短路：U=0,I=Is,有载：二、二、实际直流电源的另一种模型诺顿电路IR+ISRPIUI=ISGPUIU0ISISRP例例:计算图示电路中电流源的端电压U1,5电阻两端的电压U2和电流源、电阻、电压源的功率P1,P2,P3。解解：电流源的电流、电压选择为非关联参考方向,所以P1=U1Is=132=26W(发出)电阻的电流、电压选择为关联参考方向,所以P2=102=20W(接受)电压源的电流、电压选择为关联参考方向,所以P3=23=6W(接受)I4I5I61+253V2Vabcd+5V例：（教材p22习题1-15）I1I2I35A5+5V5V10A例：（教材p22习题1-14）abII1+15202A180VI例：（教材p22习题1-13）补充：电路的补充：电路的3 3种状态及电气设备的额定值种状态及电气设备的额定值一、电路的一、电路的3 3种状态种状态 开路又称为断路，是电源和负载未接通时的工作状态。1.1.开路状态开路状态电源开路时的电路特征如下。（1）电路中的电流I=0。（2）电源两端的开路电压UOC=E，负载两端的电压U=0。（3）电源产生的功率与负载转换的功率均为零，即PE=P=0这种电路状态又称为电源的空载状态。二、短路状态二、短路状态 电路中任何一部分负载被短接，使该两端电压降为零，这种情况称电路处于短路状态。图（a）所示电路是电源被短接的情况，其等效电路如图（b）所示。电源短路状态的特征如下:电源的端电压U=0电源发出及负载转换的功率均为零，即P=0；电源产生的功率全消耗在内阻上，即三、有载工作状态三、有载工作状态图（a）所示电路中，开关S闭合后，电源与负载接通构成回路，电路中产生了电流，并向负载输出电功率，即电路中开始了正常的功率转换，电路的这种工作状态称为有载工作状态。电路有载工作状态的特征如下:电路中的电流：负载端电压：电源的外特性曲线如图（b）所示。功率平衡关系：二、二、电气设备的额定值电气设备的额定值1额定值电气设备在给定的工作条件下正常运行而规定的容许值称为额定值。电气设备的额定值一般包括额定电压UN、额定电流IN和额定功率PN（对电源而言称为额定容量SN）。（1）额定电流：电气设备在一定的环境温度条件下长期连续工作所容许通过的最佳安全电流。（2）额定电压：电气设备正常工作时的端电压。（3）额定功率：电气设备正常工作时的输出功率或输入功率。2 2额定工作状态额定工作状态若电气设备正好在额定值下运行，这种在额定情况下的有载工作状态称为额定状态。这是一种使设备得到充分利用的经济、合理的工作状态。电气设备工作在非额定状态时有以下两种情况。（1）欠载：若电气设备在低于额定值的状态下运行称为欠载。这种状态下设备不能被充分利用，还有可能使设备工作不正常，甚至损坏设备。（2）过载：电气设备在高于额定值（超负荷）下运行称为过载。若超过额定值不多，且持续时间不长，一般不会造成明显的事故；若电气设备长期过载运行，必将影响设备的使用寿命，甚至损坏设备，造成电火灾等事故。一般不允许电气设备长时间过载工作。4p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后感谢聆听感谢聆听不足之处请大家批评指导不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Please Criticize And Guide The ShortcomingsShortcomings结束语结束语讲师讲师：XXXXXX XXXXXX XXXX年年XXXX月月XXXX日日