电工基础实用教程(机电类)第1章电路模型与电路定理.ppt

电工基础实用教程,绪 论,一、课程地位,技术基础课,不同于公共基础课（英语、数学）普及性广,不同于专业课 专业性强,1、后续课的基础,起桥梁作用,2、专业的基础,“电路理论、模电、数电”是电子信息类的一门重要技术基础课。它强调理论性、系统性。,而“电工技术”包含“电路基础、电机及电机控制”三部分知识，它是高等工科类非电专业的一门重要技术基础课。它强调应用性。,电工技术的特点：基础性、应用性、先进性。,因为专业要求且课时少只要求掌握基本知识,重器件应用,与时俱进地跟上当前新技术,四、课程任务,研究各种电路的共性。,五、课程要求,1、上课专心听讲，适当做笔记，课后 及时复习2、善于联系实际去学习3、独立完成作业、实验,电工基础实用教程赖旭芝主编(修订版),主讲人:罗瑞琼,第1章 绪论,参考教材:电工学(秦曾煌),直流电路：ch1,ch2交流电路：ch3,ch4动态电路：ch5,第1章 绪论,主要内容（48学时）,第1章 电路模型与电路定理,1.1 电路的作用与组成,1.2 电压和电流的参考方向,1.4 元件模型与电路模型,1.3 功率和能量,1.5 基尔霍夫定律,第1章 目录,3 负载,电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的。,1 电源,2 中间环节,1.1 电路的作用与组成,1.电能的传输与转换,电路的作用,2.传递与处理信号,发电机,升压变压器,输电线,降压变压器,电灯电动机,放大器,话筒,扬声器,其它形式的能量电能,电能其它形式的能量,连接电源和负载，传输、分配电能,电路的组成,信号源,负载,话筒把声音（信息）电信号,扬声器把电信号 声音（信息）,第1章 1 1,负载,电源,中间环节,1.1 电路的作用与组成,发电机,升压变压器,输电线,降压变压器,电灯电动机,放大器,话筒,扬声器,信号源,负载,电源和信号源的电压或电流称为激励，它推动电路的工作。,激励,响应,由激励在电路中产生的电压和电流称为响应,电路分析是在已知电路结构和参数的条件下，讨论,与,的关系,第1章 1 1,由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路，称为实际电路。,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,第1章 1.1,电路实体,电路模型,第1章 1 2,第1章 1 1,用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。,理想电源元件,理想无源元件,理想电压源,理想电流源,电阻R,电感L,电容C,第1章 1 1,1.2 电流和电压的参考方向（1）,一、电流和电流的参考方向,电流的参考方向,用箭头表示，如右图；,如 iAB=2 A，说明参考方向与实际方向一致；,电流（又叫电流强度）,单位时间内通过的电量，即：,正电荷定向移动的方向为电流的实际方向。,用双下标表示，如 iAB,iAB=-2 A，说明参考方向与实际方向相反。,第1章 1.2,1.2 电流和电压的参考方向（2）,二、电压和电压的参考方向,电压的参考方向,用箭头表示；,如 uAB=2 V，说明参考方向与实际方向一致；,电压的实际方向：高电位指向低电位。,电压,单位正电荷在电场力的作用下从A点到B点电场力所做的功为AB两点之间的电压，即：,uAB=-2 V，说明参考方向与实际方向相反。,用双下标，如 uAB；,用正负符号。,第1章 1.2,1.2 电流和电压的参考方向（3）,三、关联参考方向,注意：在电路分析中，没有特别说明，电压和电流一般为关联参考方向。,在电路分析中，对一个元件既要假设通过它的电流参考方向，又要假设该元件两端电压的参考极性，两个都可任意假定，而且独立无关。,当电压和电流的参考方向一致时，称电压和电流为关联参考方向；,相反，当电压和电流的参考方向相反时，称电压和电流为非关联参考方向。,第1章 1.2,1.3 功率和能量（1）,一、能量,电压单位为伏特（V），电流单位为安培（A），则能量单位为焦耳（J）。,根据电压定律，从t0到t的时间内元件吸收的能量W求得为：,第1章 1.3,1.3 功率和能量（2）,二、功率,电压单位为伏特（V），电流单位为安培（A），则功率单位为瓦特（W）。,在电压和电流为关联参考方向下,功率是单位时间内所做的功，即：,乘积“ui”表示元件吸收功率，即：,p0，表示该元件吸收功率；,p0，表示该元件发出功率。,第1章 1.3,1.3 功率和能量（3）,在电压和电流为非关联参考方向下,P负载=3V*2A=6W（吸收功率）,P电源=3V*2A=6W（发出功率）,P负载=-3V*2A=-6W（吸收功率）,乘积“ui”表示元件发出功率，即：,p0，表示该元件发出功率；,p0，表示该元件吸收功率。,第1章 1.3,1.4.1 电阻元件（1）,一、线性电阻（简称电阻）,根据欧姆定律：,电压单位为伏特，电流单位为安培，则电阻R单位为欧姆（W）。,G为电导，单位为西门子（S）。,欧姆定律在非关联参考方向情况下,电阻符号为：,1.4 元件模型和电路模型,第1章 1.4,1.4.1 电阻元件（2）,二、电阻消耗的功率 电阻一般把吸收的电能转换成热能消耗掉。电阻消耗的功率根据电压和电流是否关联进行定义。,在关联参考方向下 p=ui=i2R0，吸收电能，说明电阻是一个无源元件。,在非关联参考方向下 p=ui=-i2R0，吸收电能，同样说明电阻是一个无源元件。,第1章 1.4,1.4.1 电阻元件（3）,三、伏安特性 电阻以电压为纵或横坐标，电流为横或纵坐标，画出的电压和电流的关系曲线叫该元件的伏安特性。,四、非线性电阻 非线性电阻的电阻R不等于一个常数，即：,第1章 1.4,1.4.1 电阻元件（4）,五、开路和短路的概念,无论电压u为多大，i=0A，则电阻R相当于无穷大，等效为开路。,开路,无论电流i为多大，u=0A，则电阻R相当于零，等效为短路。,短路,第1章 1.4,一、电容器的概述,电容器构成：间隔以不同介质的两块金属极板。,电容器：是一种能储存电荷或储存电场能量 的部件。,电容的符号表示图,电容元件,二、线性电容元件,线性电容元件任一时刻储存的电荷q与加在两端的电压u之 间的关系是u-q平面上通过原点的一条直线。,1、定义,q=c u,2、伏安关系与特性,（1）伏安关系,从上式可以看出：,A、仅与电压的变化率有关,B、电容对直流相当于开路，即隔直通交,C、当 为有限值的条件下，电容上的电压 不会突变。即,（2）伏安关系的另一种形式,电容是记忆元件，任一时刻电容上的电压除与0到t的电流值有关外，还与u(0)初始值有关。,（3）电容吸收的能量 从t0到t的时间内，电容元件吸收的能量WC求得为：,WC0，充电，以电场能量的形式储存；,WC0，放电，元件释放电能；,五、非线性电容 非线性电容的电容值C不等于一个常数，即：,电容是动态的、有记忆的、无源的、储能元件。,电感元件（1）,一、线性电感（简称电感）（1）,当感应电压的参考方向与磁通链成右手螺旋关系时，则根据电磁感应定律可得：,电感的磁通链与电流之间满足：,式中L是电感元件的电感（自感）。L是一个正实常数。当磁通链单位为韦伯（Wb)，电流单位A，则电感单位为亨利或亨（H）。,(匝数）,（磁通）,（磁通链）,一、线性电感（简称电感）（2）,电感的符号为：,二、韦安特性 电感元件两端的磁通链和电流的的关系曲线。,三、电压与电流的关系,微分关系,积分关系,电感的特性,在直流电路中，电感元件处相当于短路；,电感元件具有“记忆”功能（从积分关系来看）；,四、电感吸收的能量 从t0到t的时间内，电容元件吸收的能量WL求得为：,WL0，充电，以磁场能量的形式储存；,WL0，放电，元件释放电能；,五、非线性电感 非线性电感的电感系数L不等于一个常数，即：,1.4.4 电压源和电流源（1）,一、电压源(1),电压源符号为：,电压源的特点,电压源两端电压与外接电路无关；,流过电压源的电流与外电路有关。,R不同，i不同。,第1章 1.4,电压源的性质,如果一个电压源的电压uS=0，则此电压源的伏安特性为ui平面上的电流轴，此电压源在电路中相当于短路。,1.4.4 电压源和电流源（2）,一、电压源(2),电压源的工作状态,电压源uS1工作在电源状态；电压源uS2工作在负载状态。,第1章 1.4,1.4.4 电压源和电流源（3）,二、电流源(1),电流源符号为：,电流源的特点,电流源电流与外接电路无关；,电流源两端的电压与外电路有关。,R不同，u不同。,第1章 1.4,电流源的性质,如果一个电流源的电压iS=0，则此电流源的伏安特性为ui平面上的电压轴，此电流源在电路中相当于开路。,1.4.4 电压源和电流源（4）,二、电流源(2),电流源的工作状态,电流源iS1工作在电源状态；电流源iS2工作在负载状态。,第1章 1.4,1.4.4 电压源和电流源（5）,三、独立电源,电压源和电流源，它们不受外界电路的影响，作为电源或输入信号时，在电路中起“激励”作用，在电路中产生相应的电流和电压，这些电压和电流便是“响应”，而这类激励叫独立电源。,第1章 1.4,1.4.5 受控电源（1）,受控源又称为“非独立”电源。受控电压源的电压和受控电流源的电流都不是给定的时间函数，而是受电路中某一部分的电流或电压的控制。如：,第1章 1.4,1.4.5 受控电源（2）,受控源分为四类，分别如下图所示：,电压控制电压源（VCVS）,电压控制电流源（VCCS）,电流控制电压源（CCVS）,电流控制电流源（CCCS）,第1章 1.4,注意：(1)受控源为四端元件.其输出电压或电流均受其他支 路电流与电压的控制,故为非独立电源,或称受控源 它不能在电路中产生响应,它不是激励源.(2)，r,g,都是常数。和 没有量纲，r具有 电阻量纲，g具有电阻量纲。,第1章 1.4,1.5 基尔霍夫定律（1）,一、支路、结点和回路,支路：一个元件即为一条支路，如一个电阻元件为一条支路。,结点：元件的两个端点（或支路的连接点）。,回路：由支路构成的闭合路径。,支路（1 2）、（1 3 4 6）、（1 3 5 6）等分别构成回路,第1章 1 5,1.5 基尔霍夫定律（2）,电路图中的每条支路都有支路电压和电流，且通常情况下假定其参考方向为关联参考方向，如上右图所示。,电路中的支路电压和支路电流一般受到两类约束：,元件本身电压和电流的约束，如欧姆定律，简称VCR；,支路电压之间和支路电流之间满足的约束关系，简称“拓扑”关系，这类约束用基尔霍夫定律来表达。,第1章 1 5,1.5 基尔霍夫定律（3）,二、基尔霍夫电流定律（KCL）,定律内容,在集总电路中，在任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零，即：,对任一结点：,（代数和）,规定：流出结点的电流前面为“+”；流入结点的电流 前面为“-”。,流入和流出都是相对于参考方向而言。,第1章 1 5,1.5 基尔霍夫定律（4）,KCL的推广,在集总电路中，在任何时刻，通过任何一个闭合面（广义结点）的电流代数和恒等于零。,KCL的实质,流入结点的电流等于流出结点的电流。,第1章 1 5,例1：若I1=9A，I2=2A，I4=8A。求：I3,KCL,电流的参考方向与实际方向相反,I1I2+I3+I4=0,1.5 基尔霍夫定律（5）,第1章 1 5,1.5 基尔霍夫定律（6）,三、基尔霍夫电压定律（KVL）,定律内容,在集总电路中，在任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零，即：,对任一回路：,（代数和）,规定：指定回路的绕行方向，支路电压方向与回路绕行 方向一致时，前面为“+”；反之，前面取“-”。,注意：支路电压方向也是相对于参考方向来讲。,例：支路（2 3 4 6）构成的回路1,第1章 1 5,1.5 基尔霍夫定律（7）,KVL的推广,在集总电路中，在任何时刻，通过任何一个闭合结点序列，前后结点之间的全部电压之和恒等于零。,KVL的实质,电压与路径无关。,第1章 1 5,1.5 基尔霍夫定律（8）,例2：在下图所示直流电路中，I=1A，求电阻R和电压ux。,回路（1）：,回路（2）：,根据欧姆定律：,回路（3）：,第1章 1 5,根据 U=0,KVL推广应用于假想的闭合回路,Us+IR UAB=0,第1章 1 5,UAB=Us+IR,或,根据KVL可列出,UB,UA,UAB,UAB=UA UB,UA UB UAB=0,例1:求独立电流源的功率?,例2:求Uab,Ubc,Uca的表达式.,解:先标电流源上电压的方向,取关联参考方向,列KVL:,-6=iR+uis,又:i=is=2A,代入数据求解,得,uis=-10V,P=uisi=-20w 发出功率,Uab=i1R1+U1-R2i2-U2,Ubc=i2R2+U2-R3i3+U3,Uca=i3R3-U3-R1i1-U1,第1章 练习,例3:求u,i1和i2.,i2,i1,+,_,5,4A,4,0.25 i1,u,解:,第1章 练习,