电路第1章电路的基本定律.ppt

第1章 电路的基本概念及基本定律,（时间：4次课，8学时）,第1章 电路的基本概念及其基本定律,1.1 电路及其组成1.2 电路的基本物理量和参考方向1.3 电气设备的额定值及电路的 工作状态1.4 电路的基本定律1.5电路中电位的计算1.6电源,1.1 电路及其组成,1.1.1 电路及其组成1.1.2 电路的功能,1.1.1 电路及其组成,基本概念：电路：有电流通过的路径。,图1.1电路的组成,电源：供给电路电能的设备。它把其他形式的能量转换成电能，如发电机把机械能转换为电能。负载：各种用电设备。它是将电能转换成其他形式能量的装置，如电灯把电能转换为光能和热能。中间环节：连接电源和负载的部分。最简单的中间环节就是导线和开关，起到传输和分配电能或对电信号进行传递和处理的作用。,电路一般由三部分组成：,1.1.2 电路的功能,按工作任务划分，电路功能有两类。能量的转换、传输和分配如供电电路用发电机将其他形式的能量转换成电能，再通过变压器和输电线送到负载，将电能转换成其他形式的能量 信号的处理如电话机、电视机、收音机等。将声音或图像信号转换成电信号经各种处理后，送到负载，负载再将电信号转换成声音或图像信号。,图1.2 电路的功能,基本概念：理想的电路元件是具有某种确定的电或磁性质的假想元件。用理想电路元件构成的电路叫电路模型 用特定的符号代表元件连接成的图形叫电路图,图1.3 理想电路元件的符号,图1.4 电路图,1.2 电路的基本物理量和参考方向,1.2.1 电路的基本物理量和参考方向1.2.2 元件的伏安关系,1.2.1 电路的基本物理量和参考方向,1、电流和电流的参考方向：基本概念：电荷的定向移动形成电流。规定正电荷的运动方向为电流的方向 表征电流强弱的物理量叫电流强度，简称电流。电流在数值上等于单位时间内通过导体横截面的电荷量电流的大小和方向均不随时间变化而变化，这种电流称为直流电流。直流电流通常用大写字母表示随时间变化的电流一般用小写字母 表示。电流的单位为安培（A）。也有KA、mA、uA。,电流的参考方向:电路中的电流应该既有电流的大小又要有其方向。电流的参考方向是任意设定的.计算结果为正值，则表示电流的实际方向与参考方向一致；若电流为负值，则表示实际方向与参考方向相反。,图1.6 电流的实际方向和参考方向的联系,、电压和电压的参考方向:基本概念：把单位正电荷从a点移动到b点电场力所做的功定义为a、b两点间的电压。电场力将单位正电荷从电场内的a点移动至无限远处所做的功，被称为a点的电位。电源力不断克服电场力，使正电荷由负极b移向正极a。电源力对电荷做功的能力用物理量电动势来衡量。电压、电位、电动势的单位均为伏特（V）。,电压的参考方向：电压方向规定为由高电位指向低电位，即电位降方向。在电路分析中也可选取电压的参考方向，电压和电流参考方向的选择是独立无关的，但为了方便分析问题，常常把两者的参考方向选择为一致，即选取成关联参考方向。若计算所得电压为正值，实际方向与参考方向一致；反之，则相反。电动势的方向：电动势的方向规定为由低电位指向高电位，即电位升方向，其单位也为V(伏特)。,图1.8 电压参考方向的表示法,、电功率电路中，单位时间内电路元件的能量变化用功率表示。元件类型判别：当、参考方向一致时，该元件是负载；,当、参考方向相反时，该元件是电源。,电能，单位为（焦耳）也可以用Ws或kWh 作单位.,解：电路应遵守能量守恒定律，即,由题意可知，元件1发出功率205W，元件2、4、5共吸收功率135W，则元件3吸收功率70W。,例1 图1.9示电路是5个元件组成的电路，关联方向下，如果，计算元件3是吸收或发出的功率。,图1.9 例1-1图,元件的伏安关系,1、电阻元件金属导体的电阻：导体的电阻值R与导体的长度l成正比，与导体的横截面积s成反比，并与导体材料的性质有关。,电阻率 是单位长度单位截面积时导体的电阻值。越大，物质的导电能力就越差。另外，金属导体的电阻率还受温度的影响，一般的金属导体，温度越高，电阻率越大。,例1-2 一台电动机的线圈由直径为1.13mm的漆包铜线绕成，测得在20时电阻为1.64，求共用了多长的导线？,解：,电阻的伏安关系：,图1.10 电阻元件的伏安关系,关联参考方向,非关联参考方向,2、电感元件电感系数：在图1.8参考方向下线性电感元件的磁链与电流i 成正比，比例系数称为电感系数L。即,式中，电感系数L的单位为H(亨利)；磁链和磁通的单位均为Wb(韦伯)。,图1.12 线性电感元件,电感元件的伏安关系:,即电感两端电压与通过电流的变化率成正比。,3、电容元件平板电容器的电容量：,式中，,图1.13 平板电容器,电容元件的伏安关系：,即通过电容的电流与电容两端电压的变化率成正比。,图1.14 线性电容元件,1.3 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.3.1 电气设备的额定值1.3.2 电路的3种工作状态,1.3.1 电气设备的额定值,基本概念：额定电流：为使电气设备工作温度不超过其最高允许温度，对电气设备长期运行时的最大容许电流设定了一个限制值，该限制值便是电气设备的额定电流。额定电压：为了限制电气设备的电流及限制绝缘材料承受的电压，允许加在各电气设备上的电压也有一个限值，该限值便是电气设备的额定电压。,电压等级标准：,交流用330kV、220kV、110kV、35kV、10kV、660V、380V、220V等,直流用660V、220V、110V等,干电池为1.5V、3V、6V等,基本概念：,额定功率：额定功率是指电气设备正常运行时的输入功率或输出功率，对电阻性负载而言,满载：电气设备工作电流、电压、功率等于额定值;低于轻载(或欠载)：电气设备工作电流、电压、功率低于额定值；超载(或过载)：电气设备工作电流、电压、功率高于额定值。,注意：使用时不应使实际值超过额定值，并且尽量使电气设备工作在满载状态。,例1-3 一个标称值为 0.25W、100的碳膜电阻，其额定电流为多少？使用电压不得超过何值？,电阻的额定功率为0.25W，阻值为100，则额定电流为,解：,电阻两端电压不得超过,1.3.2 电路的3种工作状态,电路有3种工作状态：通路、开路、短路。,电路电流：,电源端电压：,负载消耗功率：,在E和 为常数时，通路状态下电路电流 取决于负载电阻。负载重，即小，就大；负载轻，即大，就小。,1、通路,图1.15（a）,2、开路,电路电流：,电源端电压：,负载消耗功率：,图1.15（b）,3、短路,电源短路是一种非常严重的事故，应该在电路中设置短路保护装置。,短路时，由于电源内阻R0很小，故短路电流很大，电源所产生功率全部消耗在内阻上。,图1.16（c）,例1-4 在图1.16所示电路中，已知E=100V，。试分别求出图示(a)、(b)、(c)所示3种电路中的、及负载消耗的功率 及电源发出功率。,图1.16 例1-4图,解：图(a)所示电路处于开路状态：,图(b)所示电路处于通路状态：,图(c)所示电路处于短路状态：,短路时，电源发出功率全部消耗在内阻上，且短路电流比正常工作时大很多，因此必须采取一定的保护措施。,1.4 电路的基本定律,1.4.1 欧姆定律1.4.2基尔霍夫定律,1.4.1 欧姆定律,一个包含电源、负载在内的电路称为全电路。,流过电路的电流：,电源两端电压：,图1.17 全电路欧姆定律,1.4.2 基尔霍夫定律,基本概念：,支路：电路中通过同一电流的每个分支。图1.18所示电路中有3条支路：amf、bne、cd。,节点：3条或3条以上支路的连接点。图1.18所示电路中有两个节点：b点和e点。,回路：电路中任一闭合路径。图1.18所示电路中有3个回路：abnefma、bcdenb、abcdefma。,网孔：内部不含有支路的回路，即“空心回路”。图1.18所示电路中有两个网孔：abnefma、bcdenb。,图1.18 复杂电路,1、基尔霍夫电流定律（KCL）,任一瞬间流入某个节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。其表示式为,也可写成,也可表述成，任一瞬间流入某个节点的电流代数和为0。若流入节点的电流为正，那么流出节点的电流就取负。,例如，,图示复杂电路各支路电流关系可写成：,或,基尔霍夫定律不仅适用于电路中的任一节点，也可推广至任一封闭面如图1.19。,3个方程式相加，得,流入此虚线所示封闭面的电流代数和恒等于零，即流进封闭面的电流等于流出封闭面的电流。,图1.19 KCL推广形式,例1-5 求图1.20所示电路中未知电流。已知，,解：该电路有4个节点、6条支路。根据基尔霍夫电流定律,节点a：,节点c：,节点d：,图1.20 例1-5图,例1-6 图1.21所示为一晶体管电路。已知，求。,解：晶体管VT可假想为一闭合节点，则根据KCL有,图1.21 例1-6图,2、基尔霍夫电压定律（KVL）,任一瞬间沿电路中任一闭合回路，沿回路绕行方向，各段电压代数和恒等于零。其表达式为,例如，图1.22中,回路I：,回路：,把欧姆定律公式及电源电压代入，得,回路I：,回路：,元件上电压方向与绕行方向一致时欧姆定律公式前取正号，相反取负号。对电阻元件而言，一般电压与电流取关联参考方向，则电流方向与绕行方向一致取正号，相反取负号。,图1.22 复杂电路中回路绕行方向,基尔霍夫电压定律也可推广至任一不闭合回路，但要将开口处电压列入方程如图1.23。,回路I：,回路：,图1.23 KVL推广形式,例1-7 列出图1.24所示晶体管电路的回路的电压方程。各支路电流参考方向及回路绕行方向已标出。,解：根据KVL列方程,回路I：,回路：,回路：,图1.24 例1-7图,例1-8 电路如图1.25所示，应用KVL计算、。,解：回路I、回路绕行方向及电流参考方向如图所示。则根据KVL，回路II有,同理，根据KVL，在回路中有,把 代入上式，得,图1.25 例1-8图,在进行电路分析时，应用电位概念经常可以简化电路分析。,为确定各点电位，首先必须在电路中选择一个参考点。参考点也称接地点，用符号“”表示。参考点的电位为零，电路中某点的电位值就是该点与参考点之间的电位差。参考点选择是任意的。电位的大小与参考点选择有关；电路中两点间的电压大小与参考点选择无关。,1.5 电路中电位的计算,例1-9 如图1.26所示，若分别以A点、B点、C点、D点为参考点，求各点电位值和、。,解：若选A点为参考点，则UAB=VA-VB=0-VB=9V，即VB=-9V。同理可计算电路中其他各点的电位值，见下表：,电位/电压,图1.26 例1-9图,例1-10 如图1.27所示，已知，。试求电路中各点的电位。,解：该电路电流参考方向及回路绕行方向如图1.27所示，则根据KVL及欧姆定律有,该电路选择A点作为参考点，则,图1.27 例1-10图,1.6.1独立源1.6.2实际电源模型及等效变换受控电压源和电流源,1.6 电源,电源的电压或电流不受外电路影响而独立存在的，这类电源 称为独立源。根据独立源在电路中表现的是电压还是电流，可分成电压源和电流源。,独立源,电压源 能够提供一个数值恒定或者与时间具有确定函数关系的电压的电源(如干电池、发电机)称为电压源。,图1.28 电压源及其伏安特性,2.电流源,能够提供一个数值恒定或者与时间具有确定函数关系的电流的电源(如光电池，晶体管电路)，称为电流源。,图1.29 电压源及其伏安特性,例1-11 计算图1.30所示电路中各元件上的功率。,解：由图可知，电流源上电压与电流为关联参考方向：,(电流源吸收或消耗功率),电压源上电压与电流为非关联参考方向：,(电压源发出功率),图1.30 例1-11图,1.实际电源模型实际电压源模型 一个实际电压源模型可等效成一个理想电压源和内电阻串联的模型，如1.31图虚线框内所示。,实际电源模型及等效变换,，且 越大，越低。,图1.31 实际电压源模型,实际电流源模型,实际电流源可等效成理想电流源Is与内电阻Ro并联的模型，如图1.32所示。,随着电压 的增加，电流 逐渐减小。,图1.32 实际电流源模型,一个实际电源既可以用实际电压源模型来表示，又可以用实际电流源模型来表示。用两种电源模型表示同一实际电源时，其等效条件是与外电路相接的端口的伏安关系保持不变。,2.等效变换,如图1.33示：,结论可推广到一个电阻和理想电压源的串联组合与一个电阻和理想电流源的并联组合的等效变换。,图1.33 两种电源模型的等效变换,例1-12 化简图1.34所示电路，使其成为一个电压源串联组合电路和电流源并联组合电路。,解：图1.34所示电路可等效为图1.35所示电路。,图1.34 例1-12图,图1.35 等效变换过程,受控电压源和电流源,受控电压源的电压和受控电流源的电流受电路中另一处的电压或电流控制，为非独立电源。根据受控源在电路中呈现的是电压还是电流，以及这一电压或电流是受另一处的电压还是电流控制可分为4类：,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),图形符号如图1.36：,图1.36 受控源的符号,例1-13 根据图1.37所示电路，求、。,解：该受控源是电流控制电流源，根据部分电路欧姆定律得,图1.37 例1-13图,