物理学电工学第一章课件.ppt

《物理学电工学第一章课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理学电工学第一章课件.ppt（73页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第1章 电路的基本概念和基本定律,电路的基本概念,1.1,1.2,1.3,理想电路元件,基尔霍夫定律,1.参考方向、（非）关联参考方向,重点：,2.理想电路元件及元件伏安特性（VCR）,3.基尔霍夫定律,1.参考方向的理解,2.基尔霍夫两大定律的灵活应用,1.1电路的基本概念,1.实际电路的组成及作用,实际电路是由电气器件和电气设备用导线相互连接，为实现某种功能而构成的电流通路。,实际电路的作用,(1)实现电能的传输、分配与转换。,(2)实现信息的传递、控制与处理。,1.1 电路的基本概念,实际电路的组成,电源,激励（源）,输入,产生电流和电压,响应,输出,说明,1.1 电路的基本概念,1.1

2、 电路的基本概念,2.理想电路元件,实际的电气器件工作时产生的电磁现象比较复杂；,理想电路元件是对实际电路元件的科学抽象和概括；,实际上是一种数学模型，用国家规定的标准符号表示。,基本的理想电路元件具有一种确定电磁性质,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,电压源和电流源：提供电压、电流的元件,受控源：表示某一处电压电流控制另一处的电磁现象,1.1 电路的基本概念,1.1 电路的基本概念,3.电路模型,电路模型：由理想电路元件构成的模型，用于分析计算的电路图形。,电路模型,对于一个实际电路，将实际电气器件用理想电路

3、元件替代，得到的可用电路符号表示的模型，称之为电路模型或电路图。,具有相同主要电磁性能的实际电路部件，在一定条件下可用同一电路模型表示。同一实际电路部件在不同的条件下，其电路模型可以不同。,一个实际电路若能用对应的电路模型表示进而分析，必须满足集总化条件。,l-实际电路的最大尺寸,-工作频率对应的波长,1.1 电路的基本概念,注意,1.1 电路的基本概念,4.电流和电压的参考方向,电流的定义与实际方向,规定：正电荷移动的方向为电流实际方向。,定义：单位时间内通过导体横截面的电荷量。,实际方向只有两种可能,电压的定义与实际方向,定义：在数值上等于电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功，或等于

4、两点之间的电位之差。,规定：高电位指向低电位的方向，即电位真正降低的方向为电压实际方向。,实际方向只有两种可能,1.1 电路的基本概念,电流和电压的参考方向,复杂电路的实际方向不易判断；,正弦交流激励时，电路中的电压和电流随时间变化。,参考方向是任意指定的电压（电流）方向。,（1）电流的参考方向,i 0,i 0,实际方向与参考方向一致,实际方向与参考方向不一致,对于一个元件，任意指定一个方向，如图(a)箭头所示。,1.1 电路的基本概念,（2）电压的参考方向,电流和电压的参考方向,u 0,u 0,实际方向与参考方向一致,实际方向与参考方向不一致,对于一个元件，任意指定一个方向，如图(a)的实线

5、箭头所示。,1.1 电路的基本概念,关联和非关联参考方向,对同一对象，电压和电流的参考方向是否一致?,一致为关联参考方向,不一致为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,1.1 电路的基本概念,分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,参考方向可任意选，但实际方向是唯一确定的。参考方向的引入仅仅是简化问题的分析。,注意,参考方向不同时，其表达式仅相差一个负号。,习惯取法：负载取关联参考方向。电源取非关联参考方向。,默认取关联,1.1 电路的基本概念,1.1 电路的基本概念,5.电功率和电能量,电功率,功率的单位：W(瓦),单位时间内电场力所做的功。,u,i 取关联参考方向,p=ui,p

6、0 元件吸收功率,p0 元件发出功率,p=-ui,p0 元件吸收功率,p0 元件发出功率,u,i 取非关联参考方向,元件吸收或者发出功率的判断,1.1 电路的基本概念,例1-1 电路如图1-11所示，已知电压U50V，电流I110A，I26A，I34A。试判断各元件吸收还是发出功率，是电源还是负载？,元件3的功率为：P3UI3504200W0,解：,元件1的功率为：P1UI150（10）500W0,元件2的功率为：P2UI250（6）300W0,元件发出功率，且元件1是电源；,元件吸收功率，且元件2是负载；,元件吸收功率，且元件3是负载。,1.1 电路的基本概念,1.1 电路的基本概念,关联参

7、考方向,非关联参考方向,对电路中某一部分，功率的计算步骤 相同：,计算电功率的步骤：,（1）判断关联参考方向、非关联参考方向；,（2）计算功率p；,（3）由判断依据下结论。,电气设备的额定值,电能量,能量的吸收和发出功率的判断同功率。,额定值是指导用户正确使用电气设备的技术数据。,通常有额定电压、额定电流和额定功率三个参数，分别用UN、IN 和PN表示。,1.1 电路的基本概念,1.2 理想电路元件,理想电路元件是电路中最基本的组成单元。,电路元件的分类,按端子数分：二端、三端、四端元件等,其它分类：,等,元件特性、伏安特性/VCR,伏安特性：元件上的电压与电流之间的关系。,Voltage C

8、urrent Relation,元件（端子）特性：,元件两个端子的两种物理量之间存在某种函数关系。,VCR,电阻元件,电容元件,电感元件,学习每一个元件时，需要关注,1.2 理想电路元件,常用的各种二端电阻器件,电阻器,晶体二极管,1.2 理想电路元件,普通金属膜电阻,绕线电阻,电阻排,变频器铝合金线绕电阻,贴片超低阻值电阻,热敏电阻,压敏电阻,光敏电阻,电阻成型机,1.电阻元件,定义及符号,任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。,ui 关系（VCR）,满足欧姆定律,u、i 取关联参考方向,1.2 理想电路元件,电阻R 电导G 且 R=1/G,物理意义：,单位：欧姆()西门子(S),阻碍电流能

9、力 导通电流能力,两个参数,1.2 理想电路元件,如电阻上的电压与电流参考方向非关联，公式中应冠以负号；,线性电阻是无记忆、双向性的元件。,欧姆定律只适用于线性电阻(R 为常数）；,注意,非关联参考方向下：欧姆定律为,u R i i G u,1.2 理想电路元件,短路,开路,o,o,开路和短路,u任意,i任意,1.2 理想电路元件,功率与能量,电阻元件在任何时刻都是消耗功率的,p u i,表明,耗能元件、无源元件,关联参考方向,i2R u2/R,1.2 理想电路元件,电容器,电解电容,耦合电容,云母电容,瓷介电容,高压螺纹穿心电容,电力电容,薄膜电容,贴片电容,高频电容,电容爆炸,电力电容,1

10、.2 理想电路元件,电容器是电器中一个不可缺少的关键元件之一。,电容器的主要作用：储能、滤波、耦合、旁路、谐振、移项等。,闪光灯的内部结构,1.2 理想电路元件,电容器,导体由绝缘材料分开就可以产生电容。,电路符号,2.电容元件,1.2 理想电路元件,任何时刻，极板上的电荷量q与电压 u 成正比。qu 特性是过原点的直线。,线性电容元件的定义,库伏特性,F(法拉),常用F，pF等表示。,单位,1.2 理想电路元件,电压电流关系-VCR,电容元件的微分形式VCR,直流电路中，电容相当于开路，即直流稳态时，电容“隔断直流”,表明,电流 i 的大小取决于电压 u 的变化率，电容是动态元件；,1.2

11、理想电路元件,u、i 取关联参考方向,某一时刻的电容电压与该时刻以前的所有电流值有关，称电容元件为记忆元件；,非关联参考方向下，VCR要加负号修正！,研究某一初始时刻t0 以后的电容电压，需要知道t0以后的电流 i 和t0时的电压 u(t0)。,电容的初始值,1.2 理想电路元件,功率和能量,p 0,电容吸收功率，电容充电；p 0,电容发出功率，电容放电。,(1)功率,电容元件是储能元件、无源元件。,u、i 取关联参考方向,(2)电容的能量,从t0到 t 电容储能的变化量：,电容电压uc一般不能跃变；uc为状态变量；,1.2 理想电路元件,贴片型空心线圈,可调式电感,环形线圈,立式功率型电感,

12、1.2 理想电路元件,电抗器,1.2 理想电路元件,主要的电磁性质：储存磁场能量,工作原理,N,线圈中通以电流 i，在其周围激发磁场，从而在线圈中形成与电流相交链的磁通（两者的方向遵循右螺旋法则）,磁通（链）,1.2 理想电路元件,1.2 理想电路元件,3.电感元件,电路符号,韦安特性,线性电感元件的定义,任何时刻，通过电感元件的电流 i 与其磁通链 成正比。i 特性为过原点的直线。,H(亨利)，常用H，mH表示,单位：,电感元件的伏安特性（VCR）,u、i 取关联参考方向,电磁感应定律,电感的电压u 的大小取决于i 的变化率,称电感是动态元件；,直流电路中，稳态时，电感相当于短路。,表明,1

13、.2 理想电路元件,积分形式的VCR,电感元件是记忆元件；,非关联参考方向下，VCR要加负号修正！,微分形式VCR,研究某一初始时刻t0 以后的电感电流，需要知道t0以后的电压 u 和t0时的电流 i(t0)。,电感的初始值,1.2 理想电路元件,电感元件的功率和能量,(1)功率,u、i 取关联参考方向下,电感元件是无源元件、储能元件。,从t0到 t 电感储能的变化量：,(2)能量,电感电流 iL为状态变量，且一般不能跃变。,1.2 理想电路元件,实际电源,干电池,钮扣电池,干电池和钮扣电池,干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。,钮扣电池电动势

14、1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。,1.2 理想电路元件,蓄电池示意图,蓄电池（化学电源）,电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。,1.2 理想电路元件,太阳能电池（光能电源）,一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到P-N结上，形成一个从N区流向P区的电流。约 11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。,一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A,太阳能电池示意图,太阳能电池板,1.2 理想电路元件,直流稳压源,函数发生器,1.2 理想电路元件,发电机组,1.2 理想电路元件,4.独立源,电压源,一个二端

15、元件，接到任一电路中，不论流过它的电流如何，其两端电压总保持给定的时间函数us(t)。,(1)定义、符号,设电压源两端的电压为u(t),则定义可简述为：,1.2 理想电路元件,其电流由外电路决定。,电压源的电压由电源本身决定，与外电路无关；,(2)电压源的电压、电流关系（VCR）,(3)电压源的功率,对于电压源，一般取非关联参考方向,p0,吸收功率，充当负载;,p0,发出功率，起电源作用。,1.2 理想电路元件,（4）实际电压源模型,注意：实际电压源不允许短路。,1.2 理想电路元件,电流源,(1)定义、符号,设流过电流源的电流为i(t),则定义可简述为：,不论外电路如何，端电流与其端电压u

16、无关，端电流总能保持给定值或一定的时间函数的元件,其两端的电压受外电路的影响。,（2）电流源的电压、电流关系（VCR）,电流源的电流由其本身决定，与外电路无关;,(3)电流源的功率,对于电流源，一般取非关联参考方向,1.2 理想电路元件,（4）实际电流源模型,实际电流源不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很大，可能烧毁电源。,实际电流源向外提供电流时，总小于电流源电流。,1.2 理想电路元件,1.2 理想电路元件,5.受控源,电路中的受控现象,ic=b ib,1.2 理想电路元件,常用电路符号,受控电压源,受控源的定义,受控电流源,电压或电流不是给定的时间函数，而是受电路中某处的电压(或电流)

17、控制的电源，称受控（电）源。,被控量,控制量,1.2 理想电路元件,受控源的分类和符号,VCVS,CCVS,VCCS,CCCS,根据控制量和被控制量是电压u 或电流i，受控源可分四种类型：,1.2 理想电路元件,受控源与独立源的比较,独立源是给定的、独立的，而受控源由控制量决定。,独立源起“激励”作用，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系。,受控源的处理方式,受控源的控制量一般不能消失。,一般情况下，可先当独立源处理；,例1-2：图示电路中，电流源,，VCCS的控制系数,，求u。,解：,1.2 理想电路元件,1848年，总结了集总参数电路的基本规律，提出：基尔霍夫

18、电流定律，简称 KCL；基尔霍夫电压定律，简称KVL；,基尔霍夫(克希荷夫）(Kirchhoff)1824 1887 德国物理学家柏林科学院院士,被称为“电路求解大师”,1.3 基尔霍夫定律,1.几个概念,支路：每一个二端元件称为一条支路。,结点：支路的连接点。,b=6,n=4,回路：由支路构成的闭合路径。,1.3 基尔霍夫定律,2.基尔霍夫电流定律（KCL）,集总参数电路中，任意时刻，任意结点上的所有支路电流的代数和为零。,流出该结点的支路电流取“+”号,否则取“-”号。,规定：,对结点和结点应用KCL定律，可得：,或,KCL实质：电荷守恒和电流连续性。,1.3 基尔霍夫定律,广义KCL定律

19、,包含几个结点的闭合面,KCL对广义结点同样适用,广义结点,1.3 基尔霍夫定律,1.3 基尔霍夫定律,3.基尔霍夫电压定律（KVL）,在集总参数电路中，任意时刻，任一回路中，所有支路电压的代数和等于零。,规定,支路电压的参考方向与回路方向一致取“+”号，否则取“-”号。,1.3 基尔霍夫定律,KVL的实质：电压与路径无关（能量守恒）。,对于一个假想的回路，KVL仍然成立。,1.3 基尔霍夫定律,试写出实际电压源的端口VCR。,KCL、KVL的进一步说明：,KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对支路电压的线性约束。,KCL、KVL与支路的元件性质及参数无关。,KCL表明了电荷守恒；KVL表明

20、能量守恒(电压与路径无关)。,1.3 基尔霍夫定律,4.基尔霍夫定律的应用,例1-3：已知电流I12A，I21A，R65。试按照图中所标的参考方向求电压U。,解：,对结点a应用KCL可得,由广义KCL可得,根据欧姆定律可得所求电压,1.3 基尔霍夫定律,例1-4：已知Us130V，Us280V，I13A，R110，R220。（1）试求元件3支路电压U3和流过的支路电流I3，并指出它是电源还是负载。,1.3 基尔霍夫定律,例1-4,对回路应用KVL,对结点a应用KCL,得,得,对回路应用KVL,得,1.3 基尔霍夫定律,例1-5,解（1）应用KVL，电阻 R1和R2的额定电压分别为：,（2）应用KCL，电阻R3和R4的额定电流为：,（3）各电阻的标称值：,