实际电路和电路模型课件.ppt

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1、电 工 基 础,第一节 实际电路和电路模型,一、实际电路 电路(网络)：为了完成某种特定功能由某些电气设备或器件（例如电容器、电阻器）按一定方式连接组合起来，构成电流的通路。简单的说，电流流通的路径。,两个电路分别实现了什么功能？,二、电路的作用,实现电能的传输和转换、分配。把电作为信号载体，以实现信号的传输、处理或存储。,三、电路的组成,电源：将其他形式的能量转换为电能的设备。（发电机、蓄电池等）,负载：将电能转换为其他形式能量的设备。（电动机、电灯等）,连接导线：沟通电路、输送电能的作用。,开关（控制、保护装置）：控制电路通断。,激励：电源对电路的作用称为激励。响应：电路中由于电源的作用产

2、生的所有电压、电流都成为响应。,四、电路模型,实际电路元件的电磁性质比较复杂，为了便于对实际电路进行分析，可将实际电路元件理想化(或称模型化)，忽略其次要因素，将其近似地看作理想元件，简称元件。例如白炽灯主要作用是消耗电能，主要呈现电阻特性，其它特性很微弱，因而将其近似地看作纯电阻元件。二端元件 多端元件,常用理想元件：电阻：只消耗电能，是实际电阻器的理想化。电感：只储存磁场能量，是实际线圈的理想化。电容：只储存电场能量，是实际电容器的理想化。导线：连接导线耗能极少，所以导线的理想化就是 理想导线。,四、电路模型,理想电路元件是对实际电路元件的科学抽象。理想电路元件中主要有电阻元件、电容元件、

3、电感元件和电源元件等。由一些理想电路元件组成的电路，就是实际电路的电路模型。通常把理想电路元件称为元件，将电路模型简称为电路。,第二节 电流、电压及其参考方向,一 电路的主要物理量电流及其参考方向 带电粒子的有规则的移动形成电流。,电流的大小用电流强度表示，定义为单位时间内通过电路某一横截面的电荷量。,电流的单位为A（安培）。当 库仑，秒，,现在可以确定虚线框中支路实际电流方向吗？,电流实际方向,规定：正电荷的移动方向为电流实际方向。,Or,电流参考方向,在复杂的电路中，电流的实际方向往往是无法预知的，为此在分析之前，我们给它们假定一个方向作为电路分析和计算时的参考，这个假定的方向称为参考方向

4、。然后根据所假设的参考方向列出电路方程进行求解。,提示：所有电路方程都是在标定了参考方向的基础上建立的，不然毫无意义！,参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。,i 参考方向,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。,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,电流的参考方向与实际方向的关系：,因为所选定电流的参考方向不一定与电流的实际方向一致，如果计算结果为正，则表示电流的实际方向与参考方向一致；如果计算结果为负，则表示电流的实际方向与参考方向相反。,思考:,请问电流的实际方向是？,2.电压：电场中某两点A、B间的电压(降)UAB

5、等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值，即,单位：V(伏)(Volt，伏特),电压如何测量请自学10.3.2节！,电压需要参考方向吗？,A,B,2.电压(降)的参考方向,电压参考方向的三种表示方式：,(1)用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向,(2)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压(降低)的参考方向,(3)用双下标表示：如 UAB,由A指向B的方向为电压(降)的参考方向,U,U,+,A,B,UAB,注意,电流、电压的实际方向是客观存在的，但往往难于事先判定。参考方向是人为规定的电流、电压的方向，在分析问题时需要先规定参考方向，然后根据规定的参考方向列

6、写方程。参考方向一经规定，在整个分析过程中就必须以此为准，不能变动。不标明参考方向而说某电流或电压的值为正或为负是没有意义的。参考方向的设定会影响实际方向吗？不会。因为参考方向相反时，解出的电流、电压值也要改变正负号，最后得到的实际结果仍然相同。,三.关联参考方向,一个元件或者一段电路中电流和电压的参考方向是可以任意设定的，二者可以一致，也可以不一致。当电流和电压的参考方向一致时，称为关联参考方向；两者相反时称为非关联参考方向。在电路中，负载上一般设定为关联参考方向。电源上设定为非关联参考方向，如图所示。,如何理解？,几种常见的电阻元件,普通金属膜电阻,绕线电阻,电阻排,热敏电阻,电 阻 元

7、件,第三节 电阻元件,一.线性定常电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。,1.符号,R,(1)电压与电流的参考方向设定为一致的方向,2.欧姆定律(Ohms Law),R,u,+,伏安特性曲线:,u R i,R tg,线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,令 G 1/R,R 称为电阻,G称为电导,则 欧姆定律也可表示为 i G u.,电阻的单位：(欧)(Ohm，欧姆)电导的单位：S(西)(Siemens，西门子),乔治西蒙欧姆(Georg Simon Ohm,17871854年)德国物理学家,维尔纳冯西门子（Ernst Werner von Siemens）（1816-1892）

8、德国工程学家，西门子集团的创始人。,(2)电阻的电压和电流的参考方向相反时,R,u,+,则欧姆定律写为,u Ri 或 i Gu,公式必须和参考方向配套使用！,【例】应用欧姆定律对图的电路列出式子，并求电阻R。,对于（a）,根据电压和电流的参考方向的不同，在欧姆定律的表示式中可带有正号或负号。当电压和电流的参考方向相关联时，则得；当两者的参考方向非关联时，则。电流通过电阻时产生电压降。电阻元件上电压和电流之间的关系称为伏安特性。如果电阻元件的伏安特性曲线在U-I平面上是一条通过坐标原点的直线，则称为线性电阻元件；如果一个电阻元件的伏安特性不是通过原点的直线，则称为非线性电阻元件。如不特别说明，本

9、书中所指的电阻元件均是线性电阻元件。,两种特殊情况：开路与短路,当 R=0(G=)，视其为短路。i为有限值时，u=0。,生活小常识：热敏电阻的应用,热敏电阻是材料的电阻值随温度的变化而变化的电阻。,热敏电阻器可用于温度测量,而且成本低，已经广泛应用于如电子温度计,空调、热水器、电冰箱等电器。,电路元件的功率(power),一、功率,功率的单位名称：瓦（特）符号（W）,詹姆斯瓦特（James Watt，1736-1819）英国物理学家,功率如何测量请自学10.4.1节！,二功率的计算定义,1.u,i 取关联参考方向,2.u,i 取非关联参考方向,p发=u i,p发 0 实际吸收5W,例 U=5V

10、，I=-1A,P发=UI=5(-1)=-5 W,3.功率,R,u,+,R,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p吸 ui(Ri)i i2 R u(u/R)u2/R,p吸 ui i2R u2/R,功率（电阻元件）：,P吸？,例 已知 I=1A。分别求电源、电阻的功率。,PR吸=URI=51=5 W,PU1发=U1I=101=10 W,PU2吸=U2I=51=5 W,P发=10 W，P吸=5+5=10 WP发=P吸(功率守恒),10V,+,+,5V,第四节 电路的工作状态（了解）,实际电路的状态主要有通路(有载状态)、开路、短路三种。电路中有了电流及能量的输送和转换，电路的这一状态称为

11、通路(有载状态)。当开关断开时，电路则处于开路状态，即空载状态。当由于某种原因而使电源两端直接搭接时，电路则处于短路状态。,1.4.1通路,如图1-4-1所示，当开关S闭合时，电源与负载接通，电路中有了电流及能量的输送和转换，电路的这一状态称为通路(有载状态)。电路中的电流为,由此可见，电源端电压小于电动势，差值为电源内阻电压降RoI。电流愈大，RoI愈大，电源端电压下降愈多。表示电源端电压与输出电流之间关系的伏安特性曲线称为电源的外特性曲线,1.4.2 开路,在图所示电路中，当开关断开时，电路则处于开路状态，即空载状态，开路时外电路的电阻对电源来说等于无穷大，因此电路中电流为零，负载上的电压

12、、电流和功率都为零。电源端电压为 此时的端电压叫做电源的开路电压，用U o或U oc表示。开路时，因电流为零，电源不输出功率。,1.4.3 短路,在图所示电路中，当由于某种原因而使电源两端直接搭接时，电路则处于短路状态。短路时，外电路的电阻对电源来讲为零。电源自成回路，电流不再流经负载，其电流为 因Ro很小，所以电流很大，此时的电流叫做电源的短路电流，短路电流远远超过电源和导线的额定电流，如不及时切断，将引起电源损坏。因此在电路中必须加短路保护。短路时由于外电路的电阻为零，所以电源的端电压也为零，即U=0；电源无电压输出，自然也就无功率输出了，即P=0。短路后负载上的电压、电流和功率都为零，这

13、时电源的电动势全部降到内阻上。短路时电源所产生的电能全被内阻所消耗。,1.电流、电压参考方向的概念和作用2.关联参考方向和非关联参考方向3.欧姆定理电路的基本定理4.功率计算定义,上 节 回 顾,u,+,R,1.5 基尔霍夫定律,古斯塔夫罗伯特基尔霍夫（18241887）Kirchhoff，Gustav Robert德国物理学家。1845年，21岁时他发表了第一篇论文，提出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律,即著名的基尔霍夫第一电路定律和基尔霍夫第二电路定律，解决了电器设计中电路方面的难题。后来又研究了电路中电的流动和分布，从而阐明了电路中两点间的电势差和静电学的电势这两个物理

14、量在量纲和单位上的一致。使基尔霍夫电路定律具有更广泛的意义。直到现在，基尔霍夫电路定律仍旧是解决复杂电路问题的重要工具。基尔霍夫被称为“电路求解大师”。,名词注释：,支路：连接两个节点之间电路。同一支路流过电流相同。,回路：电路中支路构成的任何闭合路径称为回路。,支路：ab,ad,(b=6）,回路：abda,bcdb(L=7）,节点：a,b,(n=4）,节点：三个或三个以上电路元件的联结点。,网孔：内部不含支路的回路。,a,Multrisim仿真试验一,节点电流有何规律？,1.5.1基尔霍夫电流定律(KCL),基尔霍夫电流定律又称基尔霍夫第一定律，简记为KCL，它描述了电路中节点处各支路电流之

15、间的约束关系，对任一节点，在任一时刻，流出该节点的电流之和等于流入该节点的电流之和。电流定律体现的是电流的连续性。,思考:流入/流出 根据什么判断?,应用步骤（以结点a为例）：,若已知 I1=1A,I5=4A则：,思考：若已知 I1=1A,I5=4A则：,KCL是否可以由点到面？,对任一闭合面，在任一时刻，流出闭合面的电流之和等于流入该闭合面的电流之和。,I=?,思考:,I,S试验按钮；Y漏电脱扣器,KCL应用-漏电保护器,触电指的是电流通过人体而引起的伤害。当人手触摸电线并形成一个电流回路的时候，人身上就有电流通过；当电流足够大的时候，就能够被人感觉到以至于形成危害。为了保证人身安全,额定漏

16、电动作电流应不大于人体安全电流值,国际上公认30mA为人体安全电流值。为此，国标GB682986漏电电流动作保护器的要求，漏电保护的行业标准：额定漏电动作电流应不大于30mA，额定漏电动作时间应小于0.1S。原理依据是：每户流进和流出开关的电流必须相等，否则就判定为漏电。当漏电电流达到和超过一定的阈值时，产生保护动作-跳闸。,进线,出线,Multrisim仿真试验二,回路电压有何规律？,1.5.2基尔霍夫电压定律(KVL),基尔霍夫电压定律又称基尔霍夫第二定律。简记为KVL。它描述了一个回路中各支路电压或元件电压之间的约束关系。在设定回路的循行方向，电压升等于电压降。,电压升降判断当然首先离不

17、开电压参考方向的设定!,如对图中adbca回路以顺时针方向为循行方向，应用KVL，可以得出,或者写为,首先设定各元件的电压,电流的参考方向,复杂电路的解题基础 欧姆定理+基尔霍夫定律,各种蓄电池和干电池由化学能转换成电能。,1.6 电 源,理想化,实际独立电源电路,能够独立向外电路提供能量的电源称为独立电源。(相对于还有一部分电源为受控电源)理想电源是实际电源的理想化模型，忽略本身的功率损耗。理想电源分为理想电压源和理想电流源两种。,理想电流源,1.6.1 理想电压源,理想电压源能向负载提供一个恒定值的电压直流电压Us（对于交流电，恒压源的电压按某一特定规律随时间变化，其幅值、频率不变），因此

18、又称为恒压源。恒压源有两个重要特点：一是恒压源两端的电压与流过电源的电流无关；二是恒压源输出电流的大小取决于恒压源所连接的外电路。例如，恒压源空载时，输出电流为零。,不要与测量用的电压表混淆!,恒压源两端的电压与流过电源的电流无关,恒压源输出电流的大小取决于恒压源所连接的外电路,1.6.2 理想电流源,理想电流源能向负载提供一个恒定值的电流直流电流Is（对交流电，恒流源负载提供的交流电流按某一特定规律随时间变化，其幅值、频率不变），因此又称为恒流源。恒流源有两个重要特点：一是恒流源输出电流与恒流源的端电压无关；二是恒流源的端电压取决于与恒流源相连接的外电路。例如，当外电路空载时，U；短路时，U

19、=0。接有电阻时，U=IR。,不要与测量用的电流表混淆!,例：,IS,4V,1A,2,求电流源两端的电压，各元件功率,课后思考：如果IS=2A;U=5V时，如何计算？,PE吸=14=4W,PR吸=122=2W,PIS发=16=6W,功率守恒,+,电流源两端的电压由外电路决定！电压源流过的电流由外电路决定！,电路的对外等效变换,对电路进行分析和计算时，有时可以把电路的某一部分简化，即用一个较为简单的电路替代原电路。如下图：,us,+,-,R,R1,R2,R3,R5,R4,i,1,2,+,-,u,(a),在这个例子中，哪部分电路为外电路?,什么称为“等效概念”,上页电路图，图（a）中端子1-2以右

20、的电路被图（b）Req替代后，1-2以左部分电路的任何电压和电流都将维持与原电路相同。这就是电路的“等效概念”。用等效电路的方法求解电路时，电压和电流保持不变的部分仅限于等效电路以外，这就是“对外等效”的概念。“对外等效”也就是对外部特性等效。,如何才能做到对外等效变换？,等效变换前后，端口的电压或者电流必须保持不变！,理想电源的串联和并联等效变换,一、理想电压源的串联,对外等效条件,uS=uSk(注意参考方向),二.、理想电流源的并联,等效条件：,iS=iSk。,电流相同的理想电流源才能串联,并且每个电流源的端电压不能确定。,串联:,电压相同的电压源才能并联，且每个电源的电流不确定。,并联:

21、,外电路,外电路,外电路,电流源与其他元件的串联等效,N可以是电压源、电阻等元件！,电压源与其他元件的并联等效变化,N可以是电流源、电阻等元件！,理想电压源与任何一条支路(含电流源或电阻支路)并联后，其等效电源仍为电压源；理想电流源与任何一条支路(含电压源或电阻支路)串联后，其等效电源仍为电流源。,试化简下面电路。,科学抽象,实际独立电源电路,电压源与内阻串联,实际电源是实际电源的抽象模型，当计及本身的功率损耗,电源分为电压源和电流源两种。,实际电源之间的等效变换,电流源与内阻并联,为什么？,两种电源(电路)的等效（对外）,I,只考虑其外部特性，如果电压源和电流源具有相同的外特性，相互间是可以

22、进行等效变换。目的是需要时简化电路！,对于图中外电路而言，不管电源是何种形式，效果都是一样，对外等效变换条件？,A,B,A,B,外电路不变时等效变换条件：外电路两端电压相等，或者流过的电流相等,b,a,2.电压源模型,R,外特性曲线,请用KVL列出回路方程,3.电流源模型,外特性曲线,b,a,R,请用KCL列出方程,等效条件（在给定的参考方向下）,U=UsIR1,U=IR0R2,=IsR2 I R2,=(Is I)R2,课后思考：如果改变参考方向，上述结论是否还成立？,恒等,外电路两端电压相等,电压源模型 电流源模型,注意变换前后的电源参考方向。,箭头指向正号！,A,B,A,B,还是等效变换吗

23、？问题出在哪里？,A,B,A,B,应用：利用电源转换可以简化电路计算。,例.,I=0.5A,2）所谓“等效”是指“对外电路”等效（即对外电 路的伏安特性一致），对于电源内部并不 一定等效。例如，在电源开路时：,1）注意电压源模型与电流源模型互换前后的电流源、电压源方向。,R0 不消耗能量,课后思考：电压源（恒压源）与电流源（恒流源）之间不能互换。,1.7 电路中电位的概念及计算（自学）,在电路分析中，特别是电子电路分析中，除了常用电压来讨论问题之外，还经常使用电位的概念来分析电路。在电路中任选一点作为参考点，电路中某一点沿任一路径到参考点的电压降就叫做该点的电位。电位用V来表示，a点的电位记作

24、Va。参考点的电位称为参考电位。通常设参考电位为零，即零电位点。用接地符号“”表示。所谓接地，并不一定真与大地相连。参考点确定后，其它点的电位可与之比较，比它高的为正，比它低的为负，正的数值越高表示电位越高，负的数值越大表示电位越低。由于各点的电位是相对于参考点而言的，当参考点改变后，各点的电位也将发生改变，但任意两点间的电压值是不会随参考点的改变而改变。也就是说，电路中各点电位的高低是相对的，而两点间的电压值是绝对的。因此在电路分析中，参考点确定之后就不应再改变。,例1-8-1 在图1-8-1中分别以a、b点为参考电位，求其它各点的电位。,由图可以得出,在图1-8-1中，如果设a点为参考点，即V a=0,则,即b点的电位比a点低60V，而c点和d点的电位比a点分别高80V和30V。,小 结,1.电流、电压参考方向的概念和作用2.关联参考方向和非关联参考方向3.欧姆定理4.功率计算定义5.实际电流源与电压源等效变换6.理想电流源与电压源特性7.基尔霍夫定律及其应用,作业,1-131-15,图示电路：求U和I。,补充：,求各元件的功率,