电工电子第1章电路的基本概念h.ppt

参考教材 1 魏红 电工电子学 科学出版社 一 二1 6 三1 3 5 7 八1 5 九1 4 十1 2 秦曾煌 电工学 第六版 高等教育出版社 电工电子学C 学分 3学时 48理论学时 40实验学时 8先修课程 高等数学 大学物理课程评分 试卷 80 平时成绩 20 作业 实验等成绩 公共信箱 dgdz c password c zdgd 第1章电路的基本概念 1 1电路的作用与组成部分 1 2电路的基本物理量 1 3电阻电容和电感元件 后一页 1 4电源元件 1 5电路的工作状态 1 6电路的基本定律 1 7电路中电位的概念及计算 返回 前一页 后一页 本章要求 一 理解电压与电流参考方向的意义二 能正确应用电路的基本定律三 了解电路的三种状态及额定值的意义四 会计算电路中某点的电位 前一页 第1章电路的基本概念 返回 1 1电路的作用与组成 P1 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 后一页 前一页 一 电路的作用 返回 二 电路的组成部分 前一页 后一页 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 返回 前一页 后一页 直流电源 提供能源 信号处理 放大 检波等 负载 信号源 提供信息 二 电路的组成部分 负载大小的概念 负载增加指负载取用的电流和功率增加 返回 电路模型 手电筒的电路模型 灯泡 开关 电池 导线 为了便于用数学方法分析电路 一般要将实际电路模型化 用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件 从而构成与实际电路相对应的电路模型 前一页 后一页 返回 电路中的主要物理量有电压 电流 电荷 磁链 能量 电功率等 在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流 电压和功率 一 电流的参考方向 currentreferencedirection 电流 电流强度 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 1 2电路的基本物理量 电流 安培 电荷 库仑 时间 秒 方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 单位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A A 安培 kA mA A 元件 导线 中电流流动的实际方向 只有两种可能 实际方向 实际方向 A A B B 问题 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 参考方向 i参考方向 大小 方向 电流 代数量 任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向 A B i参考方向 i参考方向 i 0 i 0 实际方向 实际方向 电流的参考方向与实际方向的关系 A A B 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考方向 用双下标表示 如iAB 电流的参考方向由A指向B 箭标 电压U 单位 V 伏 kV mV V 二 电压的参考方向 voltagereferencedirection 单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功 W 的大小 实际电压方向 电位真正降低的方向 电压 伏特 功 焦耳 电荷 库仑 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 给实际电路问题的分析计算带来困难 电压 降 的参考方向 U 0 0 U 假设的电压降低方向 电压参考方向的三种表示方式 1 用箭头表示 2 用正负极性表示 3 用双下标表示 U U A B UAB 元件或支路的u i采用相同的参考方向称之为关联参考方向 反之 称为非关联参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 一 二 关联参考方向 i i U U 注 1 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向 2 参考方向一经选定 必须在图中相应位置标注 包括方向和符号 在计算过程中不得任意改变 3 参考方向不同时 其表达式相差一负号 但实际方向不变 例 电压电流参考方向如图中所标 问 对A B两部分电路电压电流参考方向关联否 答 A电压 电流参考方向非关联 B电压 电流参考方向关联 三 电路元件的功率 power 1 电功率 功率的单位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的单位 J 焦 Joule 焦耳 单位时间内电场力所做的功 2 电路吸收或发出功率的判断 u i取关联参考方向 P ui表示元件吸收的功率 P 0吸收正功率 实际吸收 P 0吸收负功率 实际发出 p ui表示元件发出的功率 P 0发出正功率 实际发出 P 0发出负功率 实际吸收 u i取非关联参考方向 习题1 1 P15 求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3VI1 2A I2 1A I3 1A 解 注 对一完整的电路 发出的功率 消耗的功率 方法1 习题1 1 P15 解 方法2 将电路中所有参考方向改为实际方向 电流从正电压端流入为耗 电流从正电压端流出为发 求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3VI1 2A I2 1A I3 1A 小结 物理中对电量规定的方向 一 实际方向 前一页 后一页 返回 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析计算电路时 对电量任意假定的方向 箭标 二 参考方向 正方向 前一页 后一页 返回 箭标 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负 3 实际方向与参考方向的关系 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 例 若I 5A 则实际方向与参考方向一致 若I 5A 则实际方向与参考方向相反 前一页 后一页 返回 一 电阻元件 resistor 2 线性定常电阻元件 电路符号 电阻元件 对电流呈现阻力的元件 其伏安关系用u i平面的一条曲线来描述 任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件 1 定义 伏安特性 1 3电阻电容和电感元件 u i关系 R称为电阻 单位 欧 Ohm 欧姆 满足欧姆定律 Ohm sLaw 单位 G称为电导 单位 S 西门子 Siemens 西门子 u i取关联参考方向 伏安特性为一条过原点的直线 G称为电导 2 如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号 注 3 说明线性电阻是无记忆 双向性的元件 欧姆定律 1 只适用于线性电阻 R为常数 则欧姆定律写为 u Rii Gu 公式和参考方向必须配套使用 3 功率和能量 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的 p ui Ri i i2R u u R u2 R p ui i2R u2 R 功率 可用功率表示 从t0到t电阻消耗的能量 能量 二 电容元件 capacitor 电容器 在外电源作用下 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 是一种储存电能的部件 1 定义 电容元件 储存电能的元件 其特性可用u q平面上的一条曲线来描述 库伏特性 任何时刻 电容元件极板上的电荷q与电流u成正比 q u特性是过原点的直线 电路符号 2 线性定常电容元件 C称为电容器的电容 单位 F 法 Farad 法拉 常用 F pF等表示 单位 线性电容的电压 电流关系 u i取关联参考方向 电容元件的微分关系 表明 i的大小取决于u的变化率 与u的大小无关 电容是动态元件 2 当u为常数 直流 时 i 0 电容相当于开路 电容有隔断直流作用 电容元件有记忆电流的作用 故称电容为记忆元件 1 当u i为非关联方向时 上述微分和积分表达式前要冠以负号 2 上式中u t0 称为电容电压的初始值 它反映电容初始时刻的储能状况 也称为初始状态 电容元件的积分关系 表明 注 3 电容的功率和储能 当电容充电 u 0 du dt 0 则i 0 q p 0 电容吸收功率 当电容放电 u 0 du dt 0 则i 0 q p 0 电容发出功率 功率 表明 电容能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为电场能量储存起来 在另一段时间内又把能量释放回电路 因此电容元件是无源元件 是储能元件 它本身不消耗能量 u i取关联参考方向 1 电容的储能只与当时的电压值有关 电容电压不能跃变 反映了储能不能跃变 2 电容储存的能量一定大于或等于零 从t0到t电容储能的变化量 电容的储能 表明 三 电感元件 inductor 电感器 把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感器 当电流通过线圈时 将产生磁通 是一种储存磁能的部件 t N t 1 定义 电感元件 储存磁能的元件 其特性可用 i平面上的一条曲线来描述 韦安特性 任何时刻 通过电感元件的电流i与其磁链 成正比 i特性是过原点的直线 电路符号 2 线性定常电感元件 L称为电感器的自感系数 L的单位 H 亨 Henry 亨利 常用 H mH表示 单位 线性电感的电压 电流关系 u i取关联参考方向 电感元件的微分关系 表明 1 电感电压u的大小取决于i的变化率 与i的大小无关 电感是动态元件 2 当i为常数 直流 时 u 0 电感相当于短路 实际电路中电感的电压u为有限值 则电感电流i不能跃变 必定是时间的连续函数 根据电磁感应定律与楞次定律 电感元件有记忆电压的作用 故称电感为记忆元件 1 当u i为非关联方向时 上述微分和积分表达式前要冠以负号 2 上式中i t0 称为电感电流的初始值 它反映电感初始时刻的储能状况 也称为初始状态 电感元件的积分关系 表明 注 3 电感的功率和储能 当电流增大 i 0 di dt 0 则u 0 p 0 电感吸收功率 当电流减小 i 0 di dt 0 则u 0 p 0 电感发出功率 功率 表明 电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来 在另一段时间内又把能量释放回电路 因此电感元件是无源元件 是储能元件 它本身不消耗能量 u i取关联参考方向 1 电感的储能只与当时的电流值有关 电感电流不能跃变 反映了储能不能跃变 2 电感储存的能量一定大于或等于零 从t0到t电感储能的变化量 电感的储能 表明 电容元件与电感元件的比较 电容C 电感L 变量 电流i磁链 关系式 电压u电荷q 1 元件方程的形式是相似的 2 若把u i q C L i u互换 可由电容元件的方程得到电感元件的方程 3 C和L称为对偶元件 q等称为对偶元素 显然 R G也是一对对偶元素 I U R U I G U RI I GU 结论 1 4电源元件 independentsource 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i无关的元件叫理想电压源 电路符号 1 理想电压源 定义 一 理想电源 I 独立电源 电源两端电压由电源本身决定 与外电路无关 与流经它的电流方向 大小无关 通过电压源的电流由电源及外电路共同决定 理想电压源的电压 电流关系 伏安关系 例 外电路 电压源不能短路 电压源的功率 电场力做功 电源吸收功率 1 电压 电流的参考方向非关联 物理意义 电流 正电荷 由低电位向高电位移动 外力克服电场力作功电源发出功率 发出功率 起电源作用 2 电压 电流的参考方向关联 物理意义 吸收功率 充当负载 或 发出负功 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 发出 吸收 满足 P 发 P 吸 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u无关的元件叫理想电流源 电路符号 2 理想电流源 定义 1 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 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定 理想电流源的电压 电流关系 伏安关系 例 外电路 电流源不能开路 实际电流源的产生 可由稳流电子设备产生 如晶体管的集电极电流与负载无关 光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等 电流源的功率 1 电压 电流的参考方向非关联 发出功率 起电源作用 2 电压 电流的参考方向关联 吸收功率 充当负载 或 发出负功 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 消耗 满足 P 发 P 吸 实际电压源也不允许短路 因其内阻小 若短路 电流很大 可能烧毁电源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电压源要求 Rs 0 1 实际电压源 二 实际电源 实际电流源也不允许开路 因其内阻大 若开路 电压很高 可能烧毁电源 2 实际电流源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电流源要求 Rs 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 或电流 控制的电源 称受控源 电路符号 受控电压源 1 定义 受控电流源 II 受控电源 根据控制量和被控制量是电压u或电流i 受控源可分四种类型 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 2 分类 a 电压控制的电压源 VCVS 电压放大倍数 b 电流控制的电压源 CCVS r 转移电阻 g 转移电导 c 电压控制的电流源 VCCS d 电流控制的电流源 CCCS 电流放大倍数 四端元件 输出 受控部分 输入 控制部分 例 电路模型 3 受控源与独立源的比较 1 独立源电压 或电流 由电源本身决定 与电路中其它电压 电流无关 而受控源电压 或电流 由控制量决定 2 独立源在电路中起 激励 作用 在电路中产生电压 电流 而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系 在电路中不能作为 激励 例 求 电压u2 解 1 5电路的工作状态 电源有载 开路 下左 I 0 短路 下右 Is E R0 开关闭合 特征 负载功率 1 5电路的工作状态 一 电源有载工作 前一页 后一页 返回 元件性质的判别 1 根据U I参考方向判别 前一页 后一页 返回 额定值与实际值 额定值 电器设备的安全使用值 电器设备的三种运行状态 注意 前一页 后一页 返回 特征 开关断开 二 电源开路 前一页 后一页 返回 三 电源短路 前一页 后一页 返回 U I参考方向一致时 U IR U I参考方向相反时 U IR 前一页 后一页 返回 1 6 1欧姆定律 1 6电路的基本定律 U 10V I 2A R U 10V I 2A R 例1 2 R U I 10 2 5 R U I 10 2 5 U I参考方向一致时 U IR U I参考方向相反时 U IR b Us2 R2 a Us1 R1 例1 3Uab 5V Us1 6v Us2 14 R1 2 R2 3 Uab Uab R1 I Us1 R2 I Us2I Uab Us1 Us2 R1 R2 5 6 14 2 3 3 6 I 例 根据图中所标电流I 电压U和电动势E的参考方向 写出求解电流I的表达式 解 b c a 一段含源电路求电流时正负号的选择 当E U与电流I参考方向相同取正 反之取负 一段含源电路求电流时正负号的选择 当E U与电流I参考方向相同取正 反之取负 返回 1 6 2基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 结点 三条或三条以上支路的联接点 回路 由支路组成的闭合回路 网孔 内部不含支路的回路 b 前一页 后一页 返回 术语 例 支路 ab bc ca 共6条 回路 abd abcd 共7个 结点 a b c d 共4个 b 网孔 abd bcd 共3个 前一页 后一页 返回 一 基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 即 入 出或 0 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 或 跳转 前一页 后一页 返回 物理基础 电荷守恒 电流连续性 广义结点 电流定律可以扩展到电路的任意封闭面 I 2 推广 I 0 前一页 后一页 返回 P12 在任一瞬间 回路中沿任意回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 二 基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律 即 U 0或 E IR 跳转 前一页 后一页 返回 b b a E2 R2 R1 E1 I1 I2 d c U3 U4 U1 U2 按所示回路 U1 U2 U3 U4 0或E1和E2代替U1和U2 E1 E2 I1 R1 I2 R2 0E1 E2 I1 R1 I2 R2 即 U 0 或 E IR E R I UR U 例1 4 按 U 0 UE UR U 0E IR U 0得 U E IR 欧姆定理 UE 1 例方程前标注回路循行方向 E2 UBE I2R2 UBE E2 I2R2 2 正负号选择 IR E 当E I的参考方向与回路绕向相同取正 当E I的参考方向与回路绕向相反取负 3 开口电压可按回路处理 注意 前一页 后一页 返回 例 I3 E4 E3 R3 R6 R4 R5 R1 R2 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 回路1 I1R1 I2R2 I3R3 E3 回路2 I4R4 I1R1 I6R6 E4 回路3 I2R2 I5R5 I6R6 0 前一页 后一页 返回 例 有一个闭合回路如图所示 各支路的元件是任意的 但已知 UAB 5V UDA 3V UBC 4V 试求 1 UCD 2 UCA 解 1 由基本的KVL定律可得 UAB UBC UCD UDA 0 即 5 4 UCD 3 0则UCD 2V 2 ABCA不是闭合回路 也可以应用KVL定律得到 UAB UBC UCA 0 即 5 4 UCA 0则UCA 1V 1 7电路中电位的概念及计算 电位 某点到参考点的电压 注意 电位为单下标 记为 UX 一 电位的概念 计算步骤 1 任选参考点 设其电位为零 2 标出各电流参考方向并计算 3 以零电位参考点为准 逐点计算各点电位 前一页 后一页 返回 电位U 单位正电荷q从电路中一点移至参考点 U0 0 时电场力做功的大小 例 已知 4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J 由b点移动到c点电场力做功为12J 1 若以b点为参考点 求a b c点的电位和电压Uab Ubc 2 若以c点为参考点 再求以上各值 a 解 b 1 以b点为电位参考点 解 2 电路中电位参考点可任意选择 参考点一经选定 电路中各点的电位值就是唯一的 当选择不同的电位参考点时 电路中各点电位值将改变 但任意两点间电压保持不变 结论 以c点为电位参考点 举例 求图示电路中各点的电位Ua Ub Uc Ud 解 设Ua 0V Ub 10 6 60VUc 4 20 80VUd 6 5 30V 设Ub 0V Ua 10 6 60VUc E1 140VUd E2 90V 前一页 后一页 返回 结论 1 电位值是相对的 参考点选取的不同 电路中其它各点的电位也将随之改变 2 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 即与零电位参考点的选取无关 简化电路图 前一页 后一页 返回 例 图示电路 计算开关S断开和闭合时A点的电位UA 解 1 当开关S断开时 2 当开关闭合时 a 电流在闭合路径中流通 电流I2 0 电位UA 0V 电流I1 I2 0 电位UA 6V 前一页 后一页 返回