清华大学电路原理于歆杰.ppt

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1、清华大学电路原理教学组,第1章 绪论,1.1 电路,1.2 电流和电压,1.3 电路模型的建立和电路分析的基本观点,1.4 电路用于信号处理,1.6 电路的分类,1.5 电路用于能量处理,清华大学电路原理教学组,1.1 电路,一、电路（circuits）,电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。,电源（source）：提供能量或信号。,负载（load）：将电能转化为其他形式的能量，或对信号进行处理。,导线（line）、开关（switch）等：将电源与负载接成通路。,电路是电工设备构成的整体，它为电流（current）的流通提供路径。,清华大学电路原理教学组,二、为什么要学习电路？,从学术的

2、观点来看电路是电气工程（electrical engineering）的基础。电路是计算机科学（computer science）的基础。从实际情况来看电路原理是许多高级课程的先修课程。熟练掌握电路原理对现实生活有帮助。,三、什么是电气工程？,四、电路都有哪些作用？,处理能量 电能的产生、传输、分配处理信号 电信号的获得、变换、放大,电路原理,*：指各类信号处理课程，包括某些专业的专门课程（如生物医学工程、核电子学等）。,五、电路原理的后续课程,清华大学电路原理教学组,电路分析(analysis),电路理论（电路原理）,实际电路,电路模型,分析,求解方程（代数、常微分、偏微分）,结果,电路分析

3、,电路综合,电路综合(synthesis),六、电路分析与电路综合,清华大学电路原理教学组,根据电源性质,直流电路,交流电路,根据负荷性质,电阻电路,动态电路,根据感兴趣的时段,暂态分析,稳态分析,七、如何看待电路,返回目录,清华大学电路原理教学组,1.2 电流和电压,一、电流（current）,带电质点有规律的运动形成电流。,电流的大小用电流强度表示。电流强度：单位时间内通过导体横截面的电量。,单位名称：安培 符号：A（Ampere，安培；1775 1836，France）,清华大学电路原理教学组,电流的参考方向:,实际方向,实际方向,参考方向：任意选定的一个方向即为电流的参考方向。,i 参

4、考方向,清华大学电路原理教学组,电流参考方向的两种表示：,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,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系:,清华大学电路原理教学组,例,电路中电流 I 的大小为1A,其方向为从A流向B。（此为电流的实际方向）,若参考方向如 I1 所示，则I1=1A,若参考方向如 I2 所示，则I2=-1A,因此，同一支路的电流可用两种方法表示。,清华大学电路原理教学组,二、电压（voltage）,电场中某两点A、B间的电压（降）UAB 等于将点电荷q从A点移至B点电场力所做的功

5、WAB与该点电荷q的比值，即,单位名称：伏特 符号：V（Volt，伏特；1745 1827，Italian）,清华大学电路原理教学组,电压（降）的参考方向：,清华大学电路原理教学组,电路中电压UAB=10V，方向从A指向B（实际方向）。,若电压参考方向如 U1 所示，电压参考方向与实际方向相同，则 U1=10V。,若电压参考方向如 U2 所示，电压参考方向与实际方向相反，则 U2=-10V。,电压参考方向的三种表示方式：,(3)用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向。,(1)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电（降）的参考方向。,(2)用双下标表示：如 UAB，由A指向B的方向为电（降

6、）的参考方向。,UAB,关于参考方向的小结：,（1）分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,（2）参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注（包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。,u=Ri,u=-Ri,（3）参考方向不同时，其表达式符号也不同，但实际方向不变。,清华大学电路原理教学组,（5）参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行。,（4）元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向（以减少公式中负号）称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,清华大学电路原理教学组,在分析电路问题时，常在电路中选一个点为参考点(reference po

7、int)，把任一点到参考点的电压（降）称为该点的电位。,参考点的电位为零，参考点也称为零电位点。,电位用（或U）表示，单位与电压相同，也是V（伏）。,设c点为电位参考点，则 c=0,a=Uac，b=Ubc，d=Udc,三、电位（potential）,清华大学电路原理教学组,两点间电压与电位的关系：,仍设c点为电位参考点，c=0,Uac=a，Udc=d,Uad=ad,前例,结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位差（potential difference）。,例,1.5 V,1.5 V,已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V,(1)以a点为参考点，a=0,Uab=a b b=a U

8、ab=1.5 V,Ubc=b c c=b Ubc=1.51.5=3 V,Uac=a c=0(3)=3 V,(2)以b点为参考点，b=0,Uab=a b a=b+Uab=1.5 V,Ubc=b c c=b Ubc=1.5 V,Uac=a c=1.5(1.5)=3 V,结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电 位参考点时，电路中各点电位将改变，但任意两点 间电压保持不变。,清华大学电路原理教学组,外力（非静电力）克服电场力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。,e 的单位与电压相同，也是 V（伏）,电压UAB 表示A点到B点电位的降低（potential drop）

9、,电动势eBA表示B点到A点电位的升高（potential rise）,所以,四、电动势（electromotive force）,清华大学电路原理教学组,五、端口（port）与二端口（two-port）,端口由一对端钮构成，且满足从一个端钮流入的电流等于从另一个端钮流出的电流。,当一个电路与外部电路通过两个端口连接时称此电路为二端口网络。,返回目录,1.3 电路模型的建立和电路分析的基本观点,一、电路模型（circuit model）,理想电路元件 由实际元件抽象出来具有某种单一电磁性质的假想元件。,几种基本的理想电路元件：,电阻（resistor）元件：表示消耗电能的元件。,电感（indu

10、ctor）元件：表示各种电感线圈产生磁场、储存能量的作用。,电容（capacitor）元件：表示各种电容器产生电场、储存能量的作用。,电源（source）元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。,清华大学电路原理教学组,2.电路模型 由理想电路元件组成的电路，其与实际电路具有基本相同的电磁性质。,导线,电池,开关,灯泡,例,实际电路,电路模型,清华大学电路原理教学组,二、电路分析的基本观点,抽象观点,工程近似观点,等效观点,返回目录,清华大学电路原理教学组,1.4 电路用于信号处理,一、信号（signal）,信号是消息的表现形式。,消息是指运动或状态变化的直接反应，即待传输与处理的原始

11、对象。,信号,确定性信号,随机信号,周期信号,非周期信号,离散信号,连续信号,数字信号,抽样信号,模拟信号,清华大学电路原理教学组,二、周期信号的平均值,信号的平均值,信号的绝对平均值,返回目录,1.5 电路用于能量处理,一、功率（power）,单位时间内电场力所做的功。,功率的单位名称：瓦特 符号：W（Watt，瓦特；1736 1819，British）,能量的单位名称：焦耳 符号：J（Joule，焦耳；1818 1889，British）,清华大学电路原理教学组,电压、电流采用参考方向时功率的计算和判断：,1.u，i 取关联参考方向,P0 吸收正功率（实际吸收）,P0 吸收负功率（实际发出

12、）,元件发出的功率 P发=ui,P0 发出正功率（实际发出）,P0 发出负功率（实际吸收）,2.u，i 取非关联参考方向,清华大学电路原理教学组,例 U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。,I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,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）,清华大学电路原理教学组,二、周期信号的有效值（effective value）,有效值也称方均根值(root-meen-square，简记为rms),W1=I 2RT,电压有效值,清

13、华大学电路原理教学组,正弦电流、电压的有效值：,设 i(t)=Imsin(t+y),注意:只适用正弦量,返回目录,清华大学电路原理教学组,1.6 电路的分类,一、线性与非线性,线性电路：负荷由线性电阻、线性受控源等线性元件构成的电路。用线性方程描述。,非线性电路：负荷中包含非线性元件的电路。用非线性方程描述。,非时变（定常）电路：负荷由非时变元件构成的电路。,时变电路：负荷中包含时变元件的电路。,二、时变与非时变,例 乌鲁木齐发电站发出的正弦电磁波需要多少时间才能传输到长沙？,50Hz的正弦波周期为20ms。经过10ms以后，乌鲁木齐发出的电磁波刚刚到达长沙，而此时乌鲁木齐发电机的电压与长沙的电压正好反相！,关键在哪里？,50Hz电磁波的波长=3 108 0.02=6000 km,如果电路尺寸的远小于其工作电磁波的波长，则可将该电路建模为集总参数电路。否则只能建模为分布参数电路。,三、集总参数与分布参数,返回目录,End,