电路ppt课件第一章讲解.ppt

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1、1,电路分析基础,主讲 : 冉莉莉,Elementary Linear Circuit Analysis,2,第1章 电路的基本概念和基本定律Capter 1 Circuit Variables and Circuit Elements,1.1电路和电路模型1.2电路的主要物理量1.3电阻元件1.4电感元件1.5电容元件1.6理想电压源和理想电流源1.7受控源1.8基尔霍夫定律小结习题课,3,1.1电路和电路模型,电路(circuit)（也叫网络network） ：为电流流通提供路径的总体。,4,一、电路的构成1.构成 ：1）电源(electric source)： 提供电能的装置。 如:干电

2、池、蓄电池、 发电机等。 2）负载(load)：消耗电能（或储存能量)将电能转化为非电能。 如:电阻器、电容器、电感器等。 3）中间环节：连接电源和负 载， 起传递和控制电能的作用。 如:导线、开关等。,1.1电路和电路模型,5,按能量方式分 1)消耗电能 (学生自己举例说明) 2)储存电能 3)提供电能2.电路分析常用主要理想元件 1)电阻元件（ resistence element） 2)电容（capacitance）元件 3)电感元件 4)理想电流源（ideal current source）、理想电压源元件（ideal voltage source）,1.1电路和电路模型,(The I

3、deal Basic Circuit Element),6,1.1电路和电路模型,3.电路模型（简称电路）电路模型就是由若干个电路的理想元件，按一定规则，用理想化连线联接起来的电流通路 （简称电路，举下例）。,图 手电筒电路,（b）电气图 （c）电路模型（电路图）,实际电路,7,1.2电路的主要物理量,一、电流及其参考方向1.电流（current）的定义 (定性) 电荷的定向移动。规定：正电荷移动的方向为电流方向。（定量） 大小用电流强度current intensity（简称电流）来度量，定义为：单位时间内通过导体横截面的电荷量。 即： i=dq/dt 对于直流电流（direct curre

4、nt）可表示为：I=q/t,i,8,1.2电路的主要物理量,（单位）如果1秒内通过导体横截面的电量是1库仑，则该导体中的电流为1安培ampere（简称“安”SI符号为A）。 1A=103 mA=106A（分类）直流（direct current）电流的大小和方向都不随时间变化； 交流（alternating current）周期变动且平均值为零（如正弦波、方波、三角波、锯齿波 等） ； 脉动电流（如正弦波叠加在某直流电上面）。,9,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

5、只有两种可能:,对于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。,问题,10,1.2电路的主要物理量,2.电流的参考方向（reference direction）： （1）电流的实际方向：正电荷移动的方向。（2）电流的参考方向：人为暂定的电流方向。注意：参考方向可以任意设定。,（3）实际方向与参考方向的关系：计算结果为正，i0，说明实际方向与参考方向一致。计算结果为负，i0，说明实际方向与参考方向相反。,I0,I0,11,1.2电路的主要物理量,I,在电源电压保持下， 形成电流在回路里流动，不断提供电能给灯泡。（电流从电阻的高电位流向低电位，即损耗了电能）。,在水泵的水

6、压保持下， 形成由低位向高位输送水流。（消耗水自然从高位流向低位）。,开关：控制电流通断,阀门：控制水流通断,电 路,水 路,电流、电压概念的引入，可以把水路和电路进行类比。,水泵：将水从低位 抽到高位,水管：水流的通道,龙头用水：消耗水,电源：将电流从低电位送到高电位,导线：电流的通道,灯泡：消耗电能,12,1.2电路的主要物理量,二、电压、电位、电动势及其参考方向1.电压（voltage）： （1）定义：电路中a，b两点间的电压等于单位正电荷由a点移动到b点时减少（或增加）的电能。 即：Uab =dw/dq 方向：取电位高的一端为正“+”，电位低的另一端为负“-”。 单位：伏特（volt）

7、1V=103mV=106V，1kV=103V,+,-,13,1.2电路的主要物理量,（2）电压的参考方向：a、b点的电位高低可任意设定，与实际方向的关系为： 当计算结果为正，表示参考方向与实际方向一致； 当计算结果为负，表示参考方向与实际方向相反。,14,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,+,UAB,15,1.2电路的主要物理量,（3）电压和电流的关联参考方向（associated reference direction）：将电流和电压的参考方向选择为具有一致性（即电流从元件的高电位流向低电位），称为关联参考方向。否则称非关联

8、参考方向。,16,1.2电路的主要物理量,2.电位(电势) :电路中a点与电位参考点o之间的电压称为该点的电位a(或表示为Va、Ua等). 电位参考点可任意选定.,(单位)电位的单位与电压单位相同.问：b点的电位是什么？,17,1.2电路的主要物理量,电位与电压的关系,其中：通常令电位参考点的电位为“零”,所以电压也叫电位差。,举例与思考：已知o为参考点，Uao=10V，b=3V，求a、Uab、Ubo。,a,b,o,+ Uab -,a,a,18,2. 举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解：设 a为参考点， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60VVc=Uca =

9、420 = 80 VVd =Uda= 65 = 30 V,Va = Uab=106 = 60 VVc = Ucb = E1 = 140 VVd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V,19,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中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 点的不同而变， 即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,20,例

10、1: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2 = 0，电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0，电位 VA = 6V 。,电流在闭合路径中流通,21,例2：,电路如下图所示，(1) 零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。(2) 当电位器RP的滑动触点向下滑动时，A、B两点的电位增高了还是降低了？,解：（1）电路如左图，零电位参考点为+12V电源的“”端与12V电源的“+”端的联接处。,当电位器RP的滑动触点向下滑动时，回路中的电流 I 减小，所以A电位增高、B点电位降低。,（2） VA =

11、 IR1 +12 VB = IR2 12,22,1.2电路的主要物量理,3.电动势: (定义)在电源内部，外力将单位正电荷由负极移动到正极,增加的电能称为电源电动势。 e=dws/dq （方向）电源电动势是从低电位指向高电位。 直流常用E表示。实际上电源通常采用其外部电压的形式来表示，如US。,23,1.2电路的主要物理量,三.电功率(简称功率power): 1.定义:电能量转换的速率。 2.计算 p=dw/dt =udq/dt=ui p=ui 功率平衡(能量守恒):电路中电动势发出的功率,等于各部分电阻消耗的电功率的总和。单位：瓦特（W） 3.功率性质与方向（如关联方向） P0时,元件消耗功

12、率；P0时,元件产生功率。举灯泡和电池的例子,24,1.2电路的主要物理量,单位:1焦耳(J)=1瓦特(w)1秒(s). 1度=1千瓦小时,非关联方向：元件消耗功率P0。,四.电能(energy),25,1.3电阻元件,一、电阻 1、线性电阻及伏安特性 从电阻本身的材料和结构来看：R=l/s 当理想电阻元件成型后且为恒定值时，则电阻值R恒定不变。外加电压U（或电流I）改变，R值恒定不变，该电阻称为线性电阻。其伏安特性(解释“伏安特性”）为一直线。,26,1.3电阻元件,2、欧姆定理（Ohm，s Law）（线性电阻linear resistance) 流过线性电阻R的电流i，与电阻两端的电压u成

13、正比，与电阻R成反比（注意：满足欧姆定理的两个前提条件！）。 取关联方向时： u=Ri 或 i=u/R 或 R=u/I=常量 取非关联方向时：u=-iR （举例：见参考书P7例1-5） 电阻的单位：1伏特/安培 = 1欧姆（）。 1M=103k=106 电导电阻的倒数叫电导（conductance）。 G=1/R 单位：西门子（simens）S,27,1.3电阻元件,3、非线性电阻及伏安特性 电阻的阻值随着电流或电压的变化而变化，R不是常数：R=u/I常量。非线性电阻不遵守欧姆定理。伏安特性是曲线（如：二极管的伏安特性）。,28,1.3电阻元件,二、短路和开路 1、开路：电阻为无限大R=，当两

14、端电压不为零时，其电流总是零。 2、短路：电阻为零R=0，当有电流通过时，其电压（电位差）总为零。,开路,短路,29,1.3电阻元件,三、线性电阻元件的功率（在关联参考方向下） P= ui= i2R= u2/R （见书例题P8） 结论：在关联参考方向下，电阻上的功率总是大于零，说明电阻是耗能元件。课堂练习：参考书P11:1-1（1）（2）（7）（8） 作业：参考书P11:1-1 （3）（4）（5）（6）,注意：用欧姆定律列方程时，一定要在 图中标明参考方向！,30,实际电阻元件,31,实际电阻元件,32,1.4 电感元件,电感线圈,把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感线圈，当电流通过线圈时，将

15、产生磁通，是一种抵抗电流变化、储存磁能的部件。,33,1.4 电感元件,一、线性电感元件 线性电感元件是实际电感线圈的理想化模型（即：假想是由没有电阻的导线绕制而成的线圈）。电感 L：单位电流产生的磁链,34,电路符号,H (亨利)，常用H，mH表示。,单位,电感器的自感,1H=103 mH1 mH =103 H,1.4 电感元件,35,1.4 电感元件,线性电感元件电感的大小只与线圈的结构、形状有关，与通过线圈的电流大小无关，L为常量。 电感： L=/i（见左图韦安特性） 磁链（总磁通）： =N 显然，单位电流产生的磁链大，说明该元件的电感大。电感L反映了电感线圈产生磁场能力的大小。,36,

16、1.4 电感元件,二、电感元件的伏安特性 （电流电压取关联方向时）当通过电感线圈的电流i发生变化时，电感中会有感应电动势，其两端就存在感应电压UL：,di/dt电流的变化率。说明流过电感的电流变化越快，则电感两端的电压就越大。对于直流，i=常量，di/dt=0，则UL=0，即电感对于直流相当于短路。若电流电压取非关联方向时：UL= - Ldi/dt,37,1.4 电感元件,三、电感元件的磁场能量 (推导),因磁场能不可能无穷大，所以电感电流不能跳变。但电感电压可以跳变。 注意：电感元件本身不消耗能量，只和外电路进行磁 场能与其他能的相互转换，故为储能元件。,38,实际电感元件,39,实际电感元

17、件,中周、可调电感,40,电感器,41,功率电感,42,贴片型功率电感,贴片电感,43,贴片型空心线圈,可调式电感,环形线圈,立式功率型电感,44,电抗器,45,1.5 电容元件,电容器,在外电源作用下，正负电极上分别带上等量异号电荷，撤去电源，电极上的电荷仍可长久地聚集下去，是一种储存电能的部件。,电导体由绝缘材料分开就可以产生电容。,注意,46,1.5 电容元件,电容器由绝缘体或电介质隔离开两个导体构成.电容 C：单位电压下存储的电荷,F (法拉), 常用F，pF等表示。,单位,1F=106 F, 1 F =106pF,47,1.5 电容元件,电容元件是各种实际电容器的理想化模型。,1.线

18、性电容元件（取关联方向时） 电容器是存放电荷的容器，储存电荷的能力称为电容器的电容量，简称电容C（符号见左上图）。 C=q/uc 当C只与电容器的结构、介质、形状有关，与电容两端的电压大小无关，即C为常量 ，该电容器是线性电容元件。,48,1.5 电容元件,2.伏安特性,当u、i为关联参考方向时,当u、i为非关联参考方向时,说明:任一瞬间,电容电流的大小与该瞬间电压的变化率成正比,而与该瞬间电压的大小无关。注意，1)直流激励达到稳态后，uc不变，其电流Ic为零，电容相当于开路。显然电容元件有隔直通交的作用 。 2）电压uc为零时，电流Ic不一定为零。,49,1.5 电容元件,3.电容元件的电场

19、能量因能量不可能无穷大,故电容电压uc(t)也不能跳变.,当电容的u、i方向一致（关联）,即电容充电时,|uc|增大，电容从外电路吸收能量；当电容的u、i方向不一致,即电容放电时，|uc|减少，电容向外电路释放能量。,可见，在动态电路中，电容和外电路进行着能量的交换电容元件本身不消耗能量。电容器也是储能元件。,50,实际电容元件,51,实际电容元件,52,实际电容器,53,1.6理想电压源和理想电流源,一、理想电压源（ideal voltage source） 电源端电压恒定不变或按某给定规律变化，与负载大小的变化无关（即与其电流的变化无关），称为理想电压源。（恒压源）特点：(1）输出电 压不

20、变，其值恒等于电动势。即 U US； （2）电源中的电流由外电路决定。 （3） 内阻rO= 0,54,1.6理想电压源和理想电流源,理想电压源注意：1）当视一个理想电压源的电压为零时，将电压源看成短路（因理想电压源的内阻r=0）。即在作理论分析计算时,“电压源置零”相当于用短路线替代。 2）注意实际操作中，由于电压源内阻都很小，短路电流Isc=Uoc/r将很大，会损坏电源，所以实际操作中不允许电压源短路。 3）将端电压不相等的理想电压源并联，是没有意义的。,55,1.6理想电压源和理想电流源,恒压源特性小结：1、恒压源特性中不变的是：Uab=Us 2、恒压源特性中变化的是：I 是由外电路如R的

21、改变引起I大小或方向的变化：,56,1.6理想电压源和理想电流源,二、理想电流源（ideal current source） 电源输出的电流是给定值或给定的时间函数，而与端电压无关（即与负载的大小无关），该电源称为理想电流源。注意：当一个理想电流源的电流为零时，电流源相当于开路。理想电流源的内阻相当于无穷大。,57,1.6理想电压源和理想电流源,理想电流源（恒流源）特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流 IS； （2）输出电压由外电路决定。 （3） 内阻：ro= 注意： 当视一个理想电流源的电流为零时，将电流源看成开路（因理想电压源的内阻ro= ）。即在作理论分析计算时,“电流源置零”

22、相当于用断开表示。,58,1.6理想电压源和理想电流源,恒流源特性小结：1、恒流源特性中不变的是： Is2、恒流源特性中变化的是： Uab是由外电路如R的改变引起Uab 大小或方向的变化：,59,1.6理想电压源和理想电流源,问题与举例1、R由50换成25，Uab大小 会变吗？I由多少变成多少？ R由50换成25， I的大小会变吗？ Uab由多少变成多少？,60,1.6理想电压源和理想电流源,2、将下图所示电路用一个电源表示：,61,1.7受控源controlled source,以上介绍的两种电源为独立源。受控源是不能独立向电路提供电源，它受其他支路的电压或电流的控制。理想受控源（contr

23、olled source）：电压控制的电压源 VCVS： 电压控制的电流源 VCCS：,+,u2,-,电压放大系数：,62,1.7受控源,电流控制的电压源 CCVS 电流控制的电流源 CCCS,i2,（）,转移电阻：,电流放大系数：,63,1.7受控源,受控源实际上是有源器件如：晶体管、电子管、场效应管、运算放大器等的电路模型。例如：共射极晶体管放大电路在低频小信号情况下，其简化等效电路可用CCCS来表征。,课外作业：P11：1-3,64,1.8基尔霍夫定律,65,1.8基尔霍夫定律,二、有关电路的一些名词（画一个两个网孔以上的电路为例）支路（branch）由一个或几个元件组成的无分支电路。

24、节点（node）三条及三条以上支路的连接点 。回路（loop）由一条或几条支路组成的闭合路径。 网孔（mesh）不能再分割的基本回路,回路 网孔 。 串联几个电路元件接成的无分支电路的连接方式（首尾相连）。 并联几个元件或几条支路的两端接在同一对节点间的连接方式。,66,基尔霍夫定律是电路分析的基本定律,基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电流定律（KCL）,1.8 基尔霍夫定律,电流定律应用于结点的分析,电压定律应用于对回路的分析,67,1.8基尔霍夫定律（Kirchhoff，s Laws Voltage ）,前面所述的理想元件的伏安特性反映了元件的内约束关系，元件内约束仅由元件本身的特性决

25、定而与整个电路的结构无关。而基尔霍夫定律表达的内容是与“电路结构元件与元件之间连接”有关的另一类约束（外约束）关系，是分析和计算电路的基础。 一、基尔霍夫电流定律（ Kirchhoff，s Current Laws 简称 KCL） 基尔霍夫电流定律反映了电路中任一节点所连接的各支路电流之间的约束关系。KCL定理：在电路中，任何时刻，对任一节点，所有支路电流的代数和恒等于零，即：,或,68,1.8基尔霍夫定律,如果将流入节点的电流取正号，则流出节点的电流取负号。举例说明： 2A-7A+1A-I=0 I=2-7+1=-4（A）基尔霍夫电流定律还可表述为：流入电路中任一节点的电流之和恒等于流出该节点

26、的电流之和。下图有： I1+I3=I2+I4+I5,69,1.8基尔霍夫定律,2. KCL定律的推广： 在任何时刻，任一闭合面的所有电流的代数和恒等于零,或流入电路中任一闭合面的电流之 和恒等于流出该闭合面的电流之和。例： 1）I1-I2+I3=0 2）I1+I2-I3-I4+I5=0,I1,例1）,举例：将上两例代入数字来计算。,广义结点,广义结点,70,1.8基尔霍夫定律,二、基尔霍夫电压定律（Kirchhoff，s Laws Voltage 简称：KVL） 1、KVL定理：在电路中，任意时刻，对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位升等于电位降。或任意闭合回路内各段电压的代数和恒

27、为零。（设定一个绕行方向，若取电压的参考方向与绕行方向一致为正“+”，相反则为负“-”）,例: U1+U2-U3-Us=0,71,1.8基尔霍夫定律,推广：不仅适应实际回路，也适应假想回路。基尔霍夫电压定律也适合开口电路。例左图: Ubd=U2-U3 或Ubd=-U1+Us。 或 Us-Ubd-U1=0,72,1.8基尔霍夫定律,课堂练习：1、用基尔霍夫定律和欧姆定律求解如下电路中的电流I、 I1、I2。,I,+7V-,+5V-,6,5,+ 2V -,I1,I2,2、参考书P91）图1.17求Ubd、Ubc （2）图1.17求Ucd、I、Uac3、书P14：例1.8,（ 作业：参考书P12:1

28、-4、1-5)、(1-6、1-7、1-8、1-10）,I=?,广义结点,73,第1章 电路的基本概念和基本定律（小结）,电路模型：电路模型就是由若干个电路的理想元件，按一定规则，用理想化连线联接起来的电流通路 。电路变量：电流 I、电压U（电位Va）、电功率P,（注意方向）理想元件的伏安特性（内约束）： 1、电阻元件（欧姆定理：注意使用条件和关联方向与否）2、电感元件、电容元件2、理想电流源、理想电压源基尔霍夫定律（外约束）1、KCL定律：在任意时刻对任意节点（或闭合面）2、KVL定律：在任意时刻对回路（或广义回路）,74,第1章 习题课,求I、U1、U2,75,第1章 习题课,1-4 求图示电路中的未知电流。,76,第1章 习题课,1-6计算图1.26所示电路中的各点电位。 1-7 计算图1.27所示电路中，S打开或闭合时的a、b及Uab。,77,第1章 习题课,1-8 计算图1.28所示电路中的c、b、a及Ubc、Uab。1-9 电路如图1.29所示，已知Us1=5V，Us2=10V，R1=1，R2=4，R3=1，R4=4，求I和Uab，并计算各元件的功率。,b,a,1,3,-10V,+14V,a,b,c,R1,R2,R3,R4,+Us1-,+Us2-,I,图题1-8,图题1-9,78,第1章 习题课,求所示电路中A点的电位。（教材P16：1.5题）,