第一章电路的基本概念和定律.ppt
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1、第一章 电路的基本概念和定律,第一节 电路及电路模型 第二节 电路的物理量第三节 电阻元件第四节 电容元件第五节 电感元件 第六节 电压源和电流源 第七节 受控电源 第八节 基尔霍夫定律 第一章小结,第一节 电路及电路模型,一、电路的组成和作用电路:由若干电气设备或器件按照一定方式连接起来而构成的电流通路。电路的分类(按功能分):传输和转换电能的电路 传递和处理信号的电路,传输和转换电能的电路组成,电源:提供电能的设备。其他形式的能量电能 负载:取用电能的设备。电能其他形式的能量 中间环节:连接于电源和负载之间的部分,传输和分配电能的设备。,电力系统的示意图,发电机,电灯、电动机等,输电线路、
2、变压器、开关等,传递和处理信号的电路组成,信号源:提供电信号的设备。其他形式的信号电信号 负载:接受和转换电信号的设备。电信号其他形式的信号中间环节:连接于信号源与负载之间,用以传递和处理电信号的设备。,二、电路模型与电路图,电路模型:用理想电路元件或理想电路元件的组合来模拟实际电路中的电气设备和器件,从而得到一个由理想电路元件组成的电路,称为对应的实际电路的电路模型。理想电路元件:具有某种确定的电磁性质,其特点能够用数学的手段来精确地定义的基本模型,称为电路元件。,实际电路与电路模型,常用理想电路元件:电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源,白炽灯 电阻性电路元件 电阻元件,第二节 电
3、路的物理量,一、电压和电位1.电压的定义电压:单位正电荷在电场中从a点移到b点时电场力所作的功,称为a、b两点间的电压。单位【SI】伏特,V 千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(V),电压、电流、电动势、电功率、电能、电荷和磁链,电 气 量 常 用 词 头,2.电位的定义,电位:电场中某点与参考点之间的电压。(电场中某一点的电位等于单位正电荷从该点移到参考点时电场力所作的功。),单位与电压相同,电位是一个相对量,参考点的电位为零。参考点的选择,原则上是任意的。电位的大小决定于电场的性质、给定点的位置及参考点的选择。参考点选择不同,电场中各点的电位将有不同的数值。,正电荷,ao b电场力所作功为,
4、a、b两点间的电压,电场中任意两点间的电压等于这两点的电位之差。,电压又称电位差,3.电压与电位的关系,4.电压的实际方向和参考方向,正电荷,ab,电场力作正功,正电荷,ab,电场力作负功,电压是代数量,电压方向的习惯规定:高电位点 低电位点,“”极性,“”极性,电压的实际方向往往无法在电路图上确切地标出,引入“参考方向”参考方向:人为选定的物理量方向。,约定:物理量的实际方向与所选定的方向相同,其值为正 实际方向与所选定的方向相反,其值为负,电压参考方向的表示方法,(1)用“”、“”参考极性表示“+”极表示假定的高电位点“”极表示假定的低电位点“+”极“”极(2)用箭头表示 箭头指向:“+”
5、极“”极(3)用双下标表示 Uab表示参考方向为从a指向b。,“参考方向”的理解注意事项,(1)物理量的实际方向是确定的、客观存在的,而参考方向是任意选定的,它本身并不反映电路中的真实物理状况;(2)物理量数值的正负及表示若干物理量之间关系的方程式都是相对一定的参考方向而言的,脱离参考方向,它们就失去了意义。,二、电流,1.电流的含义电流:电荷有规则的定向运动。,电流的产生,产生持续电流(传导电流)的条件:存在由导体构成的闭合回路电路中存在电源(超导体例外),电流强度:单位时间内通过导体任一横截面的电量,简称电流。,电流的含义,物理现象“电荷定向运动”物理量“电流强度”,单位SI:安培,简称安
6、,A 千安(kA)、毫安(mA)、微安(A),2.电流的实际方向和参考方向,电流是标量,电流方向的习惯规定:正电荷定向运动的方向;负电荷定向运动方向的相反方向。,负载处的电流方向:高电位处 低电位处电源内部电流方向:低电位端 高电位端,直流电路,电流的参考方向,(1)用箭头表示(2)用双下标表示,电流参考方向的表示方法,电流数值的正负取决于参考方向的选择 实际方向与其参考方向一致:电流为正值 相反:电流为负值电流数值的正负反映着电流的实际方向与其参考方向之间的关系 电流为正值:电流的实际方向与参考方向相同 电流为负值,电流的实际方向与参考方向相反,电流的数值与其方向之间的关系,电流的参考方向,
7、关联参考方向和非关联参考方向,二端电路:具有两个引出端钮的电路称为二端电路,也称二端网络、一端口网络。,端口电压u端口电流i,关联参考方向与非关联参考方向,关联参考方向:电压和电流的参考方向一致非关联参考方向:电压和电流的参考方向不一致,三、电动势,1.电动势的定义电动势:将单位正电荷从电源负极经电源内部移到电源正极时非静电力所作的功。,标量单位:伏特(V),2.电动势的实际方向和参考方向,电动势方向的习惯规定:在电源内部自电源的负极 正极(低电位端高电位端),电动势参考方向的表示方法:(1)用参考极性表示:“”极表示假定的高电位端“”极表示假定的低电位端(2)用箭头表示:箭头指向是从参考极性
8、的“”极指向“”极(3)用双下标表示:eab表示参考方向是从a指向b。,电动势参考方向的表示方法,交 流 电,大小和方向均不随时间变化的电压、电流、电动势 恒定电压、恒定电流、恒定电动势(直流电压、直流电流、直流电动势)大小或方向随时间而变的电压、电流、电动势 时变电压、时变电流、时变电动势 大小和方向随时间作周期性变化的电压、电流、电动势 周期电压、周期电流、周期电动势 在一个周期内平均值为零的周期电压、周期电流、周期电动势 交流电压、交流电流、交流电动势,交流电,四、电功率,二端电路两端外加电压,建立电场,形成电流,电功,电功率:电场力在单位时间内对运动电荷所作的功。,电功率就是电能对时间
9、的变化率。,单位:瓦特,简称瓦,W,二端网络的功率,在关联参考方向下,二端网络所吸收的瞬时功率为,对于直流网络有,二端网络的瞬时功率等于网络端口电压的瞬时值与端口电流的瞬时值的乘积。,二端网络功率的吸收与发出,当二端网络端口电压和端口电流的实际方向一致时,该网络吸收功率。当二端网络端口电压和端口电流的实际方向相反时,该网络发出功率。当u和i取关联参考方向 吸收功率 p0:实际吸收功率 p0:实际发出功率当u和i取非关联参考方向 发出功率 p0:实际发出功率 p0:实际吸收功率,【例 11】二端网络的端口电压和端口电流的参考方向以及它们的取值如图所示,试求它们的功率,并判断它们是吸收功率,还是发
10、出功率。,解 图(a)因为u和i取关联参考方向,且所以该网络发出功率2.2kW;图(b)因为u和i取关联参考方向,且所以该网络吸收功率1.9kW;图(c)因为u和i取非关联参考方向,且所以该网络发出功率3.3kW;图(d)因为u和i取非关联参考方向,且所以该网络吸收功率7.6kW。,五、电能,电能:电场所具有的能量。,直流电路在时间T内吸收或发出的电能为,t1t2期间内所吸收或发出的电能,单位:焦耳,简称焦,J;千瓦小时(kWh),俗称“度”。,第三节 电阻元件,一、电阻元件的定义电阻元件:在任意时刻,其电压与电流之间的关系可以由平面上的一条曲线来确定的二端元件。,线性电阻元件的图形符号及其伏
11、安特性曲线,线性电阻元件:电压与电流之间的关系曲线在所有时间都是平面上的一条通过原点的直线的电阻元件。非线性电阻元件:电压与电流之间是非线性关系曲线的电阻元件。,非线性电阻元件的伏安特性曲线及图形符号,二、电阻元件的伏安关系,伏安关系:电路元件的电压与电流之间的关系,又称伏安特性。伏安特性曲线:表示伏安关系的函数曲线。当u和i取关联参考方向,或,R:电阻元件的电阻,正实常数 单位:欧姆,欧,千欧(k),兆欧(M),G:电阻元件的电导,正实常数 单位:西门子,西,S,电压和电流取非关联参考方向,或,线性电阻元件的图形符号及其伏安特性曲线,三、电阻元件的功率,电压和电流取关联参考方向,R和G是正实
12、常数,线性电阻元件是一个耗能元件,t1t2期间内吸收的电能,直流电路,T时间内吸收的电能,功率p恒为非负数,第四节 电容元件,电容器:由两个彼此靠近、相互绝缘的导体构成的,能够储存电荷和电场能量的电路器件。最简单的电容器 平行板电容器电容器是一种能够储存电荷和电场能量的器件。电容:电容器任一极板上所储存的电荷量q(绝对值)与两极板间的电压u(绝对值)的比值。c,单位:法拉,简称法,F 千法(kF)、兆法(MF)、微法(F)、皮法(pF),一、电容器的电容,平行板电容器的电容,:绝缘介质的介电常数,单位为法/米(F/m),它是表征绝缘介质特性的物理量,它的大小是由绝缘介质的性质决定的;S:两块极
13、板的正对面积;d:两极板内表面间的距离。影响电容器电容大小的因素:电容器极板的形状、尺寸、相对位置和极板间所充有的绝缘介质的性质。对于绝缘介质为各向同性的线性介质的电容器而言,当其极板的几何形状、尺寸和相对位置确定时,其电容C是个正实常数。,二、电容元件的定义,电容元件:在任一时刻所储存电荷q与其端电压u之间的关系能够用qu平面上的一条曲线来确定的二端元件。线性电容元件:所储存的电荷q与端电压u之间的关系曲线在所有时间内均为qu平面上的一条通过原点的直线的电容元件。,线性电容元件的图形符号及特性曲线,C:电容元件的电容。对于线性电容元件,C是一个正实常数。,非线性电容元件,非线性电容元件:所储
14、存的电荷q与端电压u之间的关系曲线是非线性的电容元件。,非线性电容元件的特性曲线,(a)变容二极管的特性曲线(b)非线性平行板电容器的特性曲线(c)Mos电容器的特性曲线,三、电容元件的伏安关系,u和i的参考方向一致,u和i的参考方向不一致,某一时刻电容元件的i与该时刻电容元件u的变化率成正比。电容元件是一个动态元件,在直流电路中,电容元件相当于开路。电容元件是一种“记忆元件”。,四、电容元件的储能,u和i关联参考方向,从外电路吸收的功率,t=,u()0时,在任意时刻t储存的电场能量,电容元件在任意时刻所储存的电场能量与该时刻其端电压的平方成正比。,t时刻电容元件所储存电场能量,五、电容元件的
15、串联和并联,电容元件的串联:若干个电容元件依次一个接一个地连接起来,构成一条支路的连接方式。,电容元件的串联,1.电容元件的串联,电容元件串联电路的特点,(1)电容元件串联电路中各电容所带电量相等。(2)电容元件串联电路的等效电容的倒数等于各个串联电容元件电容的倒数之和。,q1=q2=qn=q,电容元件串联电路的特点,(3)电容元件串联电路中各电容元件的电压与其电容成反比。,两个电容元件串联,2.电容元件的并联,电容元件的并联:若干个电容元件的两端分别连接在一起,构成两个公共节点和多条支路的连接方式。,电容元件并联电路的特点(1)电容元件并联电路中各电容元件的电量与其电容成正比。,电容元件并联
16、电路的特点,(2)电容器元件并联电路的等效电容等于各个并联电容元件的电容之和。,若干个电容元件并联电路可以用一个电容元件来等效替代。,【例12】图(a)所示电容元件的电压为三角波,如图(b)所示,试求:(1)电容元件的电流,并给出其波形;(2)电容元件储能的最大值。,例12(续),根据所求得各时间段的电流,作出电流波形如图(c)所示。(2)从电压波形图中可以看出电压的最大值为,所以电容元件储能的最大值为,【例13】下图所示电路中,C1C2C33F,各电容元件的耐压均为250V,各电容元件均未曾充过电。试求:(1)在电路端口加上U180V的直流电压后,各电容元件的电压;(2)电路端口电压最大不能
17、超过多少?,解(1)C1与C3并联的等效电容为,二端电路的等效电容为,各电容元件的电压为,例13(续),(2)因为C1C23,所以U1U23 U2,要保证电容元件都不被击穿,应保证U1不超过250V。当U1 250V时,有,电路的端口电压为,所以,电路端口电压不能超过375V。,第五节 电感元件,一、电感线圈的自感系数和自感电压,电感线圈的自感,电感线圈:用导线绕制成一定形状的线圈,使之具有一定的电感量,或称为电感器。自感磁通:通过线圈自身的磁通自感磁链:通过线圈自身的磁链 N,自感系数L:在的参考方向与i的参考方向符合右手螺旋定则的情况下,自感磁链与线圈中的电流之比,简称自感。,单位:亨利,
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