第1章 电路分析基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,跳转到第一页,*,第,1,章 电路分析基础,第,2,章 正弦交流电路,第,3,章 三相交流电路,第,4,章 磁路与变压器,第,5,章 异步电动机及其控制,第一篇 电工电子技术,第二篇,理解电流、电压参考方向的问题；掌握基尔霍夫定律及其应用；了解电气设备额定值的定义；熟悉电路在不同工作状态下的特点；深刻理解电路中电位的概念并能熟练计算电路中各点的电位。,第1章 电路分析基础,学习要点,第二页,第1章 电路分析基础,1.1 电路分析基础知识,1.2 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.3 基本电路元件和电源元件,1.4 电路定律及电路基本分析方法,1.5 电路中的电位及其计算方法,1.6 叠加定理,1.7 戴维南定理,第二页,1.1,电路分析基础知识,1.,导体、绝缘体和半导体,原子核,原子核中有质子和中子，其中质子带正电，中子不带电,绕原子核高速旋转的电子带负电,自然界物质的电结构：,电子,正电荷,负电荷,=,原子结构中,：,原子核,导体的外层电子数很少且距离原子核较远，因此受到原子核的束缚力很小，极易挣脱原子核的束缚游离到空间成为自由电子，自由电子在外电场作用下定向移动形成电流。,原子核,半导体的外层电子数一般为,4,个，其导电性界于导体和绝缘体之间。,原子核,绝缘体外层电子数常为,8,个，且距离原子核较近，因此受到原子核很强的束缚力而无法挣脱，我们把外层电子数为,8,个称为稳定结构，这种结构中不存在自由电子，因此不导电。,第四页,绝缘体是否在任何条件下都不导电？,当外界电场的作用超过原子核对外层电子的束缚力时，绝缘体的外层电子也同样会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这时我们称为绝缘被 击穿。,半导体有什么特殊性？,半导体的导电性虽然 介于导体和绝缘体之间，但半导体在外界条件变化时，其导电能力会大大增强；若掺入某些杂质后，其导电能力甚至会增加成千上万倍，半导体的这种特殊性，使它在电子技术中得到了广泛地应用。,检 验 学 习 结 果,第四页,2.,电路的组成和功能,（,1,）电路的组成,电路一般由电源、负载和中间环节组成。,电源：,如发电机、电池等，电源可将其它形式的能量转换成电能，是向电路提供能量的装置。,负载：,指电动机、电灯等各类用电器，在电路中是接收,电能的装置，可将其它形式的能量转换成电能。,中间环节：,将电源和负载连成通路的输电导线、控制电路通断的开关设备和保护电路的设备等。,第四页,电路可以实现电能的传输、分配和转换。,（,2,）电路的主要功能：,电力系统中：,电子技术中：,电路可以实现电信号的传递、存储和处理。,第四页,3.,电路模型和电路元件,电源,负,载,负载,电源,开关,实体电路,I,S,U,S,+,_,R,0,中间环节,电路模型,与实体电路相对应的,电路图,称为实体电路的,电路模型,。,R,L,+,U,导线,第四页,电路模型中的所有元件均为理想电路元件。,实际电路元件的电特性是多元的、复杂的。,i,R,R,L,消耗电,能的,电特性可用电阻元件表征,产生,磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此,L,可以忽略,白炽灯的电路模型可表示为：,理想电路元件的电特性是精确的、惟一的。,第四页,理想电路元件又分有,有源,和,无源,两大类,R,C,+,U,S,I,S,电阻元件,电容元件,理想电压源,理想电流源,L,无源,二端元件,有源,二端元件,电感元件,第四页,集总参数元件的特征,2.,对于集总参数元件，任何时刻从元件一端流入的电流，恒等于从元件另一端流出的电流，并且元件两端的电压值是完全确定的。,1.,在元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行，其次要因素可以忽略的理想化电路元件。,如前面提到的无源电路元件,R,，只,具有耗能的电特性；,L,只,具有储存磁场能量的电特性；,C,只具有储存电场能量的电特性。,第四页,4.,电压、电流及其参考方向,大写,I,表示直流电流，小写,i,表示电流的一般符号,（,1,）,电流,电流强度等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。,电流的单位及换算,：,1A=10,3,mA=10,6,A=10,9,nA,电荷的定向移动形成电流。,电流的大小用电流强度表示，简称电流,。,或,第四页,（,2,）电压,电路中,a,、,b,两点间的电压定义为单位正电,荷由,a,点移至,b,点电场力所做的功。,电压是电路中产生电流的根本原因。,电压等于电路中两点电位之差。,或,大写,U,表示直流电压，小写,u,表示电压的一般符号,电压的单位及换算,：,1V=10,3,mV=10,-3,KV,第四页,（,3,）,电流、电压的参考方向,解题前在电路图上标示的电压、电流方向称为参考方向。,为什么要在电路图中标示参考方向？,参考方向是为了给方程式中各量前面的正、负号以依据,a,I,R,U,b,关联参考方向下：,U=IR,a,I,R,U,b,非关联参考方向下：,U=,IR,第四页,图中若,I,=3 A,，,则表明电流的实际方向与参考方向相同；反之，若,I,=3 A,，,则表明电流的实际方向与参考方向相反。,I,+,U,S,电压、电流的参考方向：,当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。,电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“,+”,、“,”,外，还可用双下标或箭头表示,原则上：,任意假定。,R,R,0,第四页,例：,当,u,a,=3V,u,b,=2V,时,u,1,=1V,u,2,=,1V,求得的,u,1,为正值，说明电压的实际,方向,与参考,方向,一致,；,求得的,u,2,为,负,值，说明电压的实际,方向,与参考,方向相反。,第四页,5.,电能、电功率和效率,电能的转换是在电流作功的过程中进行的，因此电能的多少可以用功来量度。,式中电压的单位为伏特,【V】,，电流单位为安培,【A】,，时间的单位用秒,【s】,时，电能（或电功）的单位是焦耳,【J】,。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：,1,度,=1KW,h,=KV,Ah,（,1,）电能,第四页,单位时间内电流所作的功称为电功率，用,“,P”,表示,（,2,）电功率,1W=10,-3,KW,功的,单位为,焦耳,，,时间单位为,秒,时，电功率的单位是,“瓦”,（,3,）效率,输出功率与输入功率的比值称为效率，用,“,”,表示,第四页,则某部分电路功率,P,0,说明,U,、,I,实际方向,与参考方向,一致，,说明,电路,吸收,电功率，,为负载,。,所以，从,P,的,+,或,-,可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,在进行功率计算时,，,如果假设,U,、,I,参考方向关联。,当某部分电路功率,P,R,2,，则,R,R,1,如果两个并联电阻有：,R,1,R,2,，则,R,R,2,第四页,电阻的混联计算举例,【,解,】,R,ab,=,R,1,+,R,6,+(,R,2,/,R,3)+(,R,4,/,R,5,),R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,6,a,b,分析：,由,a,、,b,端向里看，,R,2,和,R,3,，,R,4,和,R,5,均连接在相同的两点之间，因,此是,并联,关系，把这,4,个电阻,两两并,联,后，电路中除了,a,、,b,两点不再有结,点，所以它们的等效电阻与,R,1,和,R,6,相串联。,电阻混联电路的等效电阻计算，关键在于正确找出电路的联接点，然后分别把两两结点之间的电阻进行串、并联简化计算，最后将简化的等效电阻相加即可求出。,第四页,2.,电路名词,1.,支路：,一个或几个二端元件首尾相接中间,没有,分岔,，使各元件上通过的,电流相等,，这,种连接方式称为,支路,。,2.,结点：,三条或三条以上支路的联接点称之为,结,点,。,3.,回路：,电路中的任意闭合路径称为,回路,。,4.,网孔：,单一闭合路径，其中不包含其它支路的,回路称为,网孔,。,第四页,节点共,a,、,b,2,个,支路共,3,条,回路共,3,个,例,#1,#2,#3,回路几个？,a,b,I,1,I,2,I,3,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,U,1,+,_,几条支路？,结点几个？,网孔数？,网孔共,2,个,第四页,例,支路：共？条,回路：共？个,节点：共？个,6,条,4,个,独立回路：？个,7,个,有几个网眼就有几个独立回路,I,3,U,S,4,U,S,3,_,+,R,3,R,6,+,R,4,R,5,R,1,R,2,a,b,c,d,I,1,I,2,I,5,I,6,I,4,_,第四页,3.,基尔霍夫电流定律,KCL,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括,基氏电流定律,（,KCL,）和,基氏电压定律,（,KVL,),两个定律。,对任意结点，在任一瞬间，流入结点的电流之和等于由结点流出的电流之和。或者说，,在任一瞬间，流入一个节点上的电流的代数和恒等于零。,KCL,内容,:,例,I,1,I,2,I,3,I,4,I,=0,即：,或：,流入为正,流出为负,基氏电流定律的,依据,：电流的连续性原理,第四页,基氏电流定律的推广,I,=?,广义节点,I,1,I,2,I,3,例,例,I,1,+I,2,=I,3,I=,0,I,U,2,R,U,3,+,_,U,2,+,_,U,1,+,_,R,R,R,广义节点,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,第四页,对电路中的任一回路，沿任意绕行方向转一周，其电位降等于电位升。或，电压降的代数和恒为零。,对题图回路,#1,列,KVL,方程：,电位降,即：,#1,#2,电位降为正 电位升为负,KVL,内容,:,I,1,I,2,I,3,R,3,U,S1,+,_,U,S,2,_,+,R,1,R,2,例,电位升,IR=,U,S,或,U=,0,#3,对题图回路,#2,列,KVL,方程：,电位降,电位降,等于,电位升,电位升,对题图回路,#3,列,KVL,方程：,电位降,第三个方程式不独立,电位升,省略,第四页,KVL,定律可以扩展应用于任意假想的闭合回路,列出下图的,KVL,方程,例,第四页,5.,负载获得最大功率的条件,R,0,R,L,U,S,I,左图所示的闭合全电路中，电流为：,负载上获得的功率为：,将式子整理为：,由此式能看出负载上获得最大功率的条件吗？,*,R,0,=R,L,第四页,检 验 学 习 结 果,当这两个电阻相串或相并时，等效电阻,R,？,负载获得最大功率的条件？最大功率为多少？,A,4,=,？,A,5,=,？,结点？支路？,U,ab,=,？,I,=,？,10K,10,R,0,=,R,L,和,P,max,=,U,S,2,4,R,0,串联：,R,10K,并联：,R,10,R,1,R,2,I,1,I,2,I,R,3,I,3,A,4,A,5,A,4,=13mA,A,5,=3mA,2,I,12V,+,_,1,6V,+,_,1,5,5,a,b,结点,n=2,支路,b=3,U,ab,=0,I,=0,第四页,1.5,电路中的电位及其计算方法,1.,电位,电位具有,相对性,，相对于参考点较高的电位点是,正电位,，,比参考点低的电位点为,负电位,。参考点的电位一般,取零,。,电位实际上就是电路中,某点到参考点的电压,，电压常用,双下标,，而电位则用,单下标,，电位的单位也是,伏特,【V】,。,V,a,=+5V,a,点电位：,a,b,1,5A,V,b,=,5V,b,点电位：,a,b,1,5A,例,例,第四页,b,a,S,打开时，,a,点电位？,S,闭合时,a,点电位？,S,闭合时,b,点电位为“地”电位,0,则,例,12V,6K,4K,20K,12V,S,S,6K,4K,20K,12V,12V,b,a,S,打开时电路为一个闭合全电路,求,S,打开和闭合时,a,点电位为多少？,则,第四页,电位值是相对的,参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；,电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,第四页,1.6,叠加定