电路基本概念及电路元件课件.ppt

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1、第1章电路的基本概念及电路元件,1.1 电路的组成及功能,1.2 电路模型,1.3 电的基本物理量,1.4 电路设备的额定值,1.6 无源电路元件,1.7 有源电路元件,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.8 基尔霍夫定律,重点： 1.电流、电压的参考方向及关联参考方向、 2.电源和负载的判断 3.电位的计算 4.基尔霍夫定律的内容及应用。 难点：电功率的计算及对电路发出和吸收功率的判断（电源和负载的判断）、电位计算、基尔霍夫定律应用。,教学重点和难点,电路的组成部分,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,1.1 电路的组成及其作用,直流电源:

2、 提供能源,信号处理：放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,电路的作用,实际电路的分析方法,用仪器仪表对实际电路进行测量，把实际电路抽象为电路模型，用电路理论进行分析、计算。,1、理想电路元件,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。,1.2电路模型,例如：一个白炽灯在有电流通过时,消耗电能（电阻性）,产生磁场储存磁场能量（电感性）,忽略L,

3、为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,理想电路元件,电源,负载,连接导线,实际电路,电路模型,将实际电路中的元件用理想电路元件表示、连接，称为实际电路的电路模型。,2、电路模型,电路模型,3、电路的分类 1.集总参数电路：其电路的几何尺寸l电路的工作频率对应的波长。 集总参数电路又分为线性电路和非线性电路 2.分布参数电路：l 的电路。 本门课程学习集总参数线性电路的分析方法。,1-3电路中的基本物理量1.3.1、电流及其参考方向1.定义：电荷的定向运动称为电流。其大小用电流强度表示。 电流强度：单位时间内通过导体某一横截

4、面的电荷量。可表为：,因此电流可定义为,2.方向（1）实际方向：规定为正电荷的移动方向。（2）参考方向：人为规定，任意假设。 二者关系：i 0，相同，i 0，相反。例如：,实际方向与参考方向相同,实际方向与参考方向不相同,1.3.2、电压、电位及电动势,1. 电位,电场力将单位正电荷从电路某一点移至参考点消耗的电能。用V 表示。单位：伏特（V）。,2. 电压,电场力将单位正电荷从电路某一点移至另一点消耗的电能。用U 表示。单位：伏特（V）。,电压：两点的电位差。如Uab = Va - Vb,某点电位：该点与参考点的电压。,即Va=Va-Vo=Uao,电压方向：规定高电位低电位，即电位降低方向。

5、,3. 电动势,电源中的局外力（非电场力）将单位正电荷从电源的负极移至正极所转换而来的电能。用E 表示。单位：伏特（V）。,电动势方向：电源负极正极，即电位升高方向。,E,+,+,-,-,US,UL,小结：电路基本物理量的实际方向,电位：电路中某点至参考点的电压,国际单位制的换算 以电流(A)为例: 1MA=106A, 1kA=103A 1mA=10-3A, 1A=10-6A 1nA=10-9A, 1pA=10-12A,任意假定一个方向作为电路分析和计算时的参考，这些假定的方向称为参考方向或正方向，标注在电路图上。,关联参考方向,注意：方向任意假定，但取值有正有负。,5、电压电流的关联参考方向

6、,1.电功率：单位时间电路消耗的能量。为直流时,p=ui,功率随时间变化时，则有,即,单位：瓦特（W),1.3.3、电功率与电能,电 功 率,功率的概念：设电路任意两点间的电压为 U ,流入此 部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:,在 U、 I 数值为正的前提下,“吸收功率” （负载）,“发出功率” （电源）,若 P = UI 0,若 P = -UI 0,U、I 参考方向相同时，,U、I 参考方向相反时，,表达式中有两套正负号： 式前的正负号由U、I 是否是关联参考方向来确定；, U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。,U = I R,U = IR,P = U

7、I,P = UI,(1)电路图中标出的方向均为参考方向。(2)选用哪一种参考方向，原则上任意。习惯上：无源元件取关联参考方向；有源元件取非关联参考方向。(3) u、i 参考方向一经确定，计算过程中不得改变。,(4) 从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质，或是电 源(P 0) 。,说明及结论：,定义：一段时间内电路消耗的功率。可表为： W=P t若功率随时间变化，则：,单位：焦耳J,u、i 方向与w的关系：u、i 方向如图示：,w0，吸收；w0， 发出。,2.电能,小结：电路中物理量的方向,物理量的方向：,实际方向： 物理中对电量规定的方向。,参考方向： 在分析计算时，对电量人为规定的方向

8、。,电位：电路中某点至参考点的电压,小结：电路中物理量的方向,物理量正方向的表示方法,电路分析中的参考方向,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？,电流方向AB？,电流方向BA？,(1) 在解题前先设定一个参考方向，是任意假设的 ；,解决方法步骤,(3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；,注意：一定要先假定物理量的参考方向，然后再列方程 计算。缺少“参考方向”的物理量是毫无意义的.,例,已知：E=2V, R=1问：

9、 当U分别为 3V 和 1V 时，IR=?,E,IR,R,a,b,+,_,一、电阻元件1.定义：由u-i 平面的一条曲线确定的二端元件在任一时刻的电压电流关系，此二端元件称为二端电阻元件。此曲线称为伏安特性曲线。,1-4 无源元件(电阻、电容、电感)及其特性,2.分类：,3.线性电阻（线性时不变电阻） 定义：元件上电压正比于电流， 该元件称为线性电阻。,电阻元件的电路符号,u = R i,R,i,u,O,注意：当u、i 取关联参考方向时，上式成立。,电导的定义：,单位：电导为S，电阻为。,欧姆定律还可表为：,i =G u,或,单位：电导为S，电流用A，电压用V。,4.线性电阻元件吸收的功率 任

10、意电路段u、i 取关联参考方向时，吸收的功率为：,p = ui,注意：欧姆定律及上式的使用条件为 u、i 取关联参考方向。若取非关联参考方向，以上各式前加负号。,5.电阻元件吸收的电能 u、i 取关联参考方向时任意段电路吸收的电能为：,直流时：,W=P(t-0)=Pt=RI2t=Gu2t,讨论： （1）电阻元件为耗能元件。 （2）R=0，为短路， R=，为开路。 （3）R为无源元件，电源供给u、i 时 ，WR0， 但R本身不产生能量。,二、电容元件电容元件符号如图示：,1.定义：由q-u平面的一条曲线确定的二端元件。表为：,f（q, u）=0,2.分类：,与电阻元件类似,电容元件,电容的特点

11、（1）电容元件为储能元件； （2）电容元件有隔直通交作用； （3）电容元件为无源元件。电源提供u，所以WC0，C本身不产生能量。,1.定义：由 -i 平面的一条曲线确定的二端元件。表为：,三、电感元件 电感元件符号如图示。,f（, i）=0,2.分类：与电阻元件相类似。即分为： 线性时变电感元件 线性时不变电感元件 非线性时变电感元件 非线性时不变电感元件,电感元件,电感的特点 （1）电感元件为储能元件； （2）电感元件对隔交通直作用； （3）电感元件为无源元件。,小结：,1.三种线性无源二端元件电阻、电感和电容的定义式为：,2.在电压电流取关联参考方向的条件下，三元件的电压电流关系（VCR)

12、分别为：,注意：使用以上各公式中，各物理量的单位。,u = R i,电压源：,实际电源电动势与其内阻串联构成的一段电路。,内阻RO=0，即为理想电压源(恒压源),电流源：,定值电流与内阻并联构成的一段电路。,内阻RO=，即为理想电流源(恒流源),四、电路中的独立电源,例1-5 开路时测得某直流电源端电压为24V，接上外电阻R后，用电压表测得R两端电压为20V，用电流表测得流经R的电流 I=10A，求电阻R与电源内阻RS。,由题意知,本题的电路模型如图所示。,解：,+,_,（1）a，b端开路，不接负载时，,= uOC,=0,此时 i=0，,特例：,=0,iSC,（2）a，b短路，电源短路时，,一

13、般情况下，为带负载正常工作。,u=0,（1）a，b端开路，不接负载时，,此时 i=0，,特例：,1.理想电压源（恒压源）,特点,输出电压是由它本身确定的定值，与输出电流和外电路情况无关。输出电流不是定值，与输出电压和外电路情况有关。,凡是与恒压源并联的元件电压为恒压源电压。,.理想电流源（恒流源）,输出电流是由它本身确定的定值，与输出电压和外电路情况无关。输出电压不是定值，与输出电流和外电路情况有关。,特点,凡是与恒流源串联的元件电流为恒流源电流。,3理想有源元件的两种工作状态,电源：实际电流从电源电压的“+”极性端流出，产生电功率；,负载：实际电流从负载电压的“+”极性端流入，消耗电功率。,

14、例：,U1=9V，I= -1A，R=3。判断元件1、2分别是电源还是负载？,电流从元件1的电压U1“+”端流入，故元件1为负载；,电流从元件2的电压U2“+”端流出，故元件2为电源。,解：,理想电源,图示电路的两个理想电源中理想电压源是 （电源、负载）;理想电流源是 （电源、负载），并检查功率平衡。,1.5 电路的工作状态,1.5.1 开路状态,1.5.3 负载状态,1.5.2 短路状态,1.5.1 开路状态,1.5 电路的三种状态,电源与负载断开，称为开路状态,又称空载状态。,所以，当开关断开时，用电笔试开关前火线各点仍然带电。因此，电路开关一定要接在火线上或电源的正端，否则，开关断开时，负

15、载仍然带电。,短路是电路最严重、最危险的事故，是禁止的状态。短路电流ISUS /R0很大，如果没有短路保护，会发生火灾。产生短路的原因主要是接线不当，线路绝缘老化损坏等。应在电路中接入过载和短路保护。,1.5.2 短路状态,电源两端没有经过负载而直接连在一起时,称为短路状态。,1.5.3 负载状态,P=UI：电源输出的功率PS=USI：电源产生的功率P=I2R0：内阻消耗的功率,电气设备的额定值与实际值,额定值概念：在实际电路中，电气设备的电压、电流都有一个额定值，它是制造厂家综合考虑了用电设备的工作能力、运行性能、经济性、可靠性及其使用寿命等命等因素制定的。电路中通常以UN、IN、PN表示。

16、,欠载(轻载)： I IN ，P PN (不经济),过载(超载)： I IN ，P PN (设备易损坏),额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),例：设图示电路中的电源额定功率PN=22kW ，额定电压UN=220V，内阻R0=0.2，R为可调节的负载电阻。求：（1）电源的额定电流IN；（2）电源开路电压U0C；（3）电源在额定工作情况下的负载电阻RN；（4）负载发生短路时的短路电流ISC。,解：(1)电源的额定电流为：,(2)电源开路电压为：,(3)电源在额定状态时的负载电阻为：,(4)短路电流为：,16 基尔霍夫定律,古斯塔夫罗伯特基尔霍夫 （Gustav Ro

17、bert Kirchhoff，1824 1887 ） 德国物理学家，柏林科学院院士,1847年发表的两个电路定律（基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律） ，发展了欧姆定律，对电路理论有重大作用。,与化学家本生一同开拓出一个新的学科领域 光谱分析 ，并发现了铯和锶两种元素。,提出热辐射中的基尔霍夫辐射定律，这是辐射理论的重要基础，并成为量子论诞生的契机，促使天体物理学得到发展。,基尔霍夫电流定律 (Kirchhoffs current lawKCL ),基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs voltage lawKVL ),基尔霍夫定律与元件特性是电路分析的基础。,16 基尔霍夫定律,一、 电路

18、术语,1.支路 (branch)：电路中的每一分支称为支路，一条支路流过同一个电流。 (b),2. 节点 (node): 电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。( n ),3. 回路(loop)：电路中的任意一个闭合路径称为回路。( l ),4. 网孔(mesh)：回路中不包含其他支路的最简单的回路称为网孔，网孔是回路，但回路不一定是网孔,二、基尔霍夫电流定律 (KCL),在集总参数电路中，任一时刻流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。 即,m=2,物理基础:电荷守恒，电流连续性,或：,注意：,以形式1列式时，若流入节点的电流前取“+”，则流出节点的电流前取“”；反之亦可。,每项电

19、流本身的正负取值表示该电流的的实际方向与参考方向相同或相反,IC+ IB - IE0,I =?,I = 0,KCL的推广：,三、 基尔霍夫电压定律（KVL）,表述一,表述二,在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。,在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。,电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。,所有电压均为正。,顺时针方向绕行:,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0,解：,I=2-4= -2A,U1 = 3I = -6V,U+U1+3-2=0，U=

20、5V,KVL通常用于闭合回路，但也可推广应用到任一不闭合的电路上。,例：列出下图的KVL方程,当电源有一个极接地时，省略电源，用不接地极的电位代替之。,电源简化画法：,*1.7电路中电位的概念及计算,电位在电路中的表示法,电位的计算步骤: (1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位为零； (2) 标出各电流参考方向并计算； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,E1=140V,+,_,E2=90V,+,_,20,5,6,4A,6A,10A,c,b,d,a,Uab=610=60VUca=204=80VUda=56=30VUcb=140VUdb=90V,以a点为参考点Vb-Va=Uba

21、 Vb=Uba=-60VVc-Va=Uca Vc=Uca=+80VVd-Va=Uda Vd=Uda=+30V,例,以b点为参考点,等电位点,所谓等电位点是指电路中电位相同的点。,其中a、b两点电位相等都是3V，它们是等电位点。,例如下图中，a、b两点的电位分别是,【例】 求下图所示电路中，当S断开和闭合时两种情况下a点的电位V。,解 （1）当S断开时，电路为单一支路，三个电阻上流过同一电流，因此可得下式：,求得 ：,（2）当S闭合时，则V0，4K和20K电阻上流过同一电流。因此 ：,求得 ：,参考电位在哪里？,(1) 电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压；(2) 参考点选的

22、不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的,电位小结,总结,四个物理量 三种状态 三个定律,四个物理量,1、电流、电压的参考方向是任意假定的； 数值是正，表示实际方向与参考方向一致；数值是负，表示实际方向与参考方向相反。2、功率P UI，如果电流和电压为非关联参考方向时P UI。 功率是正值，表示吸收功率，为负载；功率是负值，发出功率，为电源。3.电位是相对值，电位的计算,三种状态,开路状态：负载与电源不接通，电流等零，负载不工作；有载状态：负载与电源接通，有电流、电压、吸收功率。短路状态：故障状态，应该禁止。,三个定理

23、,欧姆定律I U/R ，应用时要考虑关联问题。KCL定律I 0，应用时要先标出电流的参考方向。KVL定律U 0，应用时要先标出电流、电压及回路的绕行方向,【例1-1】 如图1-5所示，用方框代表某一电路元件，其电压、电流如图中所示。求图中各元件功率，并说明该元件实际上是吸收还是释放功率?,解 :(1)电压、电流的参考方向关联，元件的功率为P=UI=53=15 W 0，元件吸收功率。 (2)电压、电流的参考方向非关联，元件的功率为 P=-UI=-53=-15 W 0，元件吸收功率。,【例1-2】 如图1-8所示电路，已知US1=2V，US2=6V，US3=4V，R1=1.5，R2=1.6，R3=1.2。按图示电流参考方向，若I1=1A，I2=-3A，试求:(1)电流I3;(2)电压UAC和UCD。,解:对于节点B，根据 KCL，有 I1+I2+I3=0 所以 I3=-I1-I2=-1-(-3)=2A 由KVL定律可以写出 UAC-US3+I3R3-I1R1+US1=0 UCD+US2+I2R2-I3R3+US3=0,因此得 UAC=US3-I3R3+I1R1-US1=4-21.2+11.5-2 =1.1 V UCD=-US2-I2R2+I3R3-US3=-6-（-3）1.6+21.2-4=-2.8 V,E1-5、1-9、1-14、1-15、 E1-18、1-19,第一章 习题,