电路分析第二刘志民.pptx

1.1 电路和电路模型 电路及其功能 电路是由电路元(器)件按一定要求连接而成，为电流的流通提供闭合路径的集合体，复杂的电路也常称为网络。实际应用中的电路种类繁多，用途各异，但按其功能可概括为两个方面：一是对能量的传送、转换与分配；电力系统中的输电电路就是典型实例。其二是完成电信号的产生、传输、处理及应用；手机、电视机电路是这方面的典型实例。第1页/共126页理想电路元件 组成实际电路的元(器)件种类甚多，性能也不尽相同，但它们在电路中发生的电磁现象却有着共同之处。有些元(器)件主要是消耗电能的，如各种电阻器、电灯、电炉等。有些元(器)件主要是供给电能的，如发电机和电池。有些元(器)件主要是储存磁场能量的，如各种各样的电感线圈。有些元(器)件主要是储存电场能量的，如各种类型的电容器。某些元(器)件除了主要物理性质之外，还有次要性质。如电阻器，通过电流时还会产生磁场，因而兼有电感的性质；实际电感线圈是用金属导线绕制而成的，总要呈现一定电阻，因而兼有电阻的性质。分析电路时，若对电路元(器)件的全部物理性质都予以考虑，必然会带来很大困难，而且在工程实践中也没有必要这样做。第2页/共126页因此，为了分析电路方便起见，必须在一定条件下对实际电路元(器)件加以近似化，忽略其次要性质，用一些足以表示实际电路元(器)件主要物理性质的模型来代替实际电路元(器)件。构成模型的元(器)件称为理想电路元件。电路分析中常用的三种最基本的理想元件是：表示将电能转换成热能的电阻元件；表示电场现象的电容元件；表示磁场现象的电感元件。另外还有电压源和电流源两种理想电源元件。每一种理想元件都有各自严格的数学定义式和符号。第3页/共126页电路模型 各种实际元(器)件在一定条件下都可以求得其模型，有些模型比较简单，仅由一种理想元件组成，有些则比较复杂，要由几种理想元件组成。用抽象的理想元件及其组合近似代替实际元(器)件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。所谓电路模型，就是把实际电路的本质抽象出来所构成的理想化了的电路。将电路模型用规定的理想元件符号画在平面上形成的图形称作电路图。图1.1就是一个最简单的电路图。今后我们所研究的电路都是由理想元件构成的电路图电路模型。电路图只反映各种理想元件在电路中的作用及其相互连接方式，并不反映实际设备的内部结构、几何尺寸及其相互位置。因此有的资料也将电路图称为电路原理图，以区别于装配图。为简便起见，今后我们将省略“理想”二字，元件均指理想元件而言。第4页/共126页图1.1 一个最简单的电路图第5页/共126页 图1.1中，US和RS是实际电压源(如干电池)的符号，电阻是一个以消耗电能为主的实际负载(如电灯泡)的符号，导线是可忽略电阻的短路线。实际电路可分为“集中参数电路”和“分布参数电路”两大类。当一个实际电路的几何尺寸远小于电路中电磁波的波长时，就称为集中参数电路，否则就称其为分布参数电路。集中参数电路又按其元件参数是否为常数，分为线性电路和非线性电路。本课程讨论的都是集中参数线性电路。第6页/共126页练 习 与 思 考 1.1-1 结合自己所熟悉的一种家用电器，谈谈对电路功能的理解，并举出建立该电器设备的电路模型所需要的理想电路元件种类。1.1-2 实验室用的一种滑动式可变电阻器，是将铜线绕在圆形骨架上，要建立它的电路模型只用理想电感元件行吗?严格地讲应该用哪几种理想电路元件?第7页/共126页1.2 电流、电压及其参考方向 电流及其参考方向 从物理学得知，电荷的定向移动形成电流，且规定正电荷移动的方向为电流的方向。其大小用电流强度来度量，单位时间内通过导体横截面的电荷量称为电流强度，电流强度用i表示，即 第8页/共126页式(1-1)中的dq为时间dt内通过导体横截面的电荷量，i随时间按一定规律变化，因此它是时间的函数。把大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流，简称直流(英文缩写为DC)，这时电流强度用I表示，式(1-1)可写成(1-2)电流是客观存在的物理现象，虽然看不见摸不着，但可以通过电流的各种效应来体现它的客观存在。日常生活中的开灯、关灯就是体现电流的“存在”与“消失”的。电流强度通常简称电流，这样，电流一词不仅代表一种物理现象，而且也代表一个物理量。国际单位制(SI)中，电荷的单位是库仑(C)，时间的单位是秒(s)，电流的单位是安培，简称安(A)，实用中还有毫安(mA)和微安(A)等。第9页/共126页 虽然规定了电流的实际方向，但在电路问题中，特别是电路比较复杂时，电流的实际方向往往难以确定，尤其是交流电路中，电流的方向随时间变化，根本无法确定它的实际方向。为此引入参考方向这一概念。参考方向可以任意设定，在电路中用箭头表示，并且规定，如果电流的参考方向与实际方向一致，电流为正值；反之，电流为负值，如图1.2所示。这样就可以把电流看成一个代数量了，它既可以为正，也可以为负。由此看来，设定的参考方向是确定电流为正的标准，因此参考方向也称为正方向。除了用箭头表示电流的参考方向外，也可用双下标表示，如Iab就表示电流的参考方向是从a点指向b点。当参考方向改变时有Iab=-Iba。不设定参考方向而谈电流的正负是没有意义的。第10页/共126页图1.2 电流的参考方向 第11页/共126页 在直流电路中，测量电流时，应根据电流的实际方向将电流表串入待测支路中，如图1.3所示，电流表两旁标注的“+”、“-”号为电流表的极性。图1.3 直流电流测试电路 第12页/共126页图1.4 例1.1图 第13页/共126页 例1.1 在图1.4中，各电流的参考方向已设定。已知I1=10A,I2=-2A,I3=8A。试确定I1、I2、I3的实际方向。解 I1 0,故I1的实际方向与参考方向相同，I1由a点流向b点。I20,故I3的实际方向与参考方向相同，I3由b点流向d点。第14页/共126页电压及其参考方向 从物理学中知道，电路中a、b两点的电压就是将单位正电荷由a点移动到b点时电场力所做的功。电压用u表示，即 在式(1-3)中，dq为由a点转移到b点的电荷量，dw为移动电荷dq电场力所做的功。在SI中，电压的单位为伏特，简称伏(V)，实用中还有千伏(kV)、毫伏(mV)和微伏(V)等。第15页/共126页 也可以用电位表示电压，电路中某点的电位表示该点对参考点的电压。电位用(带单下标)表示，例如a、b两点的电位可表示为a、b；电位的单位与电压相同。两点间的电压就是这两点的电位之差。电路中，规定电位真正降低的方向为电压的实际方向。故电压又称电位差或电压(位)降。和电流的实际方向一样，电压的实际方向也往往是很难判别的，因此，通常的办法是给电路中的两点电压设出参考方向(亦称参考极性)。所谓电压的参考方向，就是所假定的电位降低的方向。在电路图中用“+”、“-”号标出，“+”表示高电位端，称正极；“-”表示低电位端，称负极；或用带双下标的字母表示，如uab就表示a、b两点之间的电压，而且表明a为电压参考方向的正极性端，b为电压参考方向的负极性端。今后，若无特别说明，电路图中某元件两端所标示的“+”、“-”就认为是电压的参考方向。当电路中设定了电压的参考方向以后，若计算结果uab为正值，说明a点电位实际比b点电位高；若uab为负值，说明a点电位实际比b点电位低。第16页/共126页 如果电压的大小和方向都不随时间变化，这样的电压叫做恒定电压，用U表示。引入电位概念以后，这样a、b两点的电压可表示为 Uab=a-b 当电压的参考方向与实际方向相同时，电压为正；反之，电压为负。如图1.5所示。当参考方向改变后，Uab=-Uba。第17页/共126页图 1.5 电压的参考方向 第18页/共126页 同样，有了参考方向，电压也就成为一个代数量。不设定参考方向谈电压的正负也是没有意义的。电压的参考方向也称为电压的正方向。除了用双下标和“+”、“-”(电子技术中经常用“”、“”)表示电压的参考方向外，也可用带箭头的实线段表示，箭头所指即电压的参考方向(由“+”指向“-”)。在直流电路中，测量电压时，应根据电压的实际极性将直流电压表跨接在待测支路两端。如图1.6所示，若Uab=10V，Ubc=-3V，测量这两个电压时应按图示极性接入电压表。电压表两旁标注的“+”、“-”号分别表示电压表的正极性端和负极性端。第19页/共126页图 1.6 直流电压测试电路 第20页/共126页 在电路分析中，电流的参考方向和电压的参考极性都可以各自独立地任意设定。但为了方便，通常采用关联参考方向，即：电流从标电压“+”极性的一端流入，并从标电压“-”极性的另一端流出，如图1.7(a)所示。图1.7(b)中电流和电压参考方向相反，称为非关联参考方向。第21页/共126页图1.7 关联与非关联参考方向 第22页/共126页 在今后分析计算电路时，无需考虑各电流、电压的实际方向，只需在图中标(设)定它们的参考方向，最终计算结果的正、负就反映了它们的实际方向。参考方向一经选定，在整个分析计算过程中就必须以此为准而不能再变动。第23页/共126页 例1.2 在图1.8(a)中，各方框泛指元件。已知I1=3A,I2=2A,I3=-1A,a=10V，b=8V，d=-3V。(1)欲验证I1、I3数值是否正确，问电流表在图中应如何连接?并标明电流表极性。(2)求Uab和Ubd，若要测量这两个电压，问电压表如何连接?并标明电压表极性。第24页/共126页图 1.8 例1.2图 第25页/共126页 解(1)验证I1、I3数值的电流表应按图1.8(b)所示串入所测支路，其极性已标注在图上。(2)Uab=a-b=10-8=2V Ubd=b-d=8-(-3)=11V 或 Ubd=b-d=b-a+a-d=Uba+Uad而 Uba=b-a=8-10=-2V Uad=a-d=10-(-3)=13V 故 Ubd=Uba+Uad=-2+13=11V 第26页/共126页 以上用两种思路计算所得结果完全相同，由此可得出两条重要结论：(1)两点之间的电压等于这两点之间路径上的全部电压的代数和；(2)计算两点间的电压与路径无关。测Uab和Ubd的电压表应按图1.8(b)所示跨接在待测电压的两端，其极性已标注在图上。第27页/共126页练 习 与 思 考 1.2-1 如图1.9所示，已知a=10V,b=0，c=6V。求Uab、Ubc及Uac。1.2-2 试标出如图1.10所示电路中，对网络N和元件R而言符合关联参考方向的电流和电压。第28页/共126页图1.9 题1.2-1图 第29页/共126页图1.10 题1.2-2图 第30页/共126页1.3 电功率与电能 电功率 图1.11(a)所示方框为电路中的一部分a、b段，图中采用了关联参考方向，设在dt时间内，由a点转移到b点的正电荷量为dq，a、b间的电压为u，根据对式(1-3)的讨论可知，在转移过程中dq失去的能量为 dw=u dq 正电荷失去能量，也就是这段电路吸收或消耗了能量，因此，ab段电路所吸收或消耗的功率为(1-5)第31页/共126页在直流电路中，P=UI(1-6)在SI中功率的单位为瓦特，简称瓦(W)。实用中还有千瓦(kW)，毫瓦(mW)等。需要强调的是：当电压、电流为非关联方向时，如图1.11(b)所示，则功率计算式(1-5)、(1-6)应为 p=-ui 或 P=-UI 一段电路，若功率P0，表明该段电路吸收功率；若功率P0，表示电路消耗功率；P0，表示电路提供功率。电路中某点到参考点之间的电压就是该点的电位，其计算方法与计算电压相同。第103页/共126页 2.电压源、电流源和电阻 它们都是电路中的基本二端元件，电压源的端电压总是定值US或一定的时间函数；电流源的电流总是定值IS或一定的时间函数。电压源和电流源都是分析实际电源非常有用的工具。电阻元件是电路的主要元件，其伏安关系虽然简单，但其分析思路和方法都是分析动态元件的基础。第104页/共126页 3.欧姆定律和基尔霍夫定律 它们都是电路理论中的重要定律，欧姆定律确定了电阻元件上电压和电流之间的约束关系，通常称为特性约束。KCL定律确定了电路中各支路电流之间的约束关系，其内容为：对电路中任一节点在任一时刻，有I=0；KVL确定了回路中各电压之间的约束关系，其内容为：对电路中任意回路，在任一时刻，有U=0。基尔霍夫定律表达的约束关系通常称为拓扑约束。两种约束关系是分析电路的基础。第105页/共126页习 题 1 1.1 图示电路中，已知U1=2V,U2=10V,U4=2V，求电压U3,U5及U6。题1.1图 第106页/共126页1.2 求图示电路中的电压Uab和U1。题1.2图 第107页/共126页 1.3 图示电路中，已知U1=1 V,U2=-3 V,U4=-4V，U5=7 V，求电压Ub。题1.3图 第108页/共126页 1.4 上题图中若已知I1=2A,I2=1 A,I3=1 A，求元件1、3、4、6所吸收或供出的功率。1.5 求图示电路中的电压Uab、Uac和Uad。1.6 求图示电路中的电压U。第109页/共126页题1.5图 第110页/共126页题1.6图 第111页/共126页1.7 求图示电路中各电流及各电压的值。题1.7图 第112页/共126页1.8 求图示电路中的Uab和Ucd。题1.8图 第113页/共126页1.9 图示电路中，若I5=0，求R4的值。题1.9图 第114页/共126页 1.10 求图示电路中的各电压值。题1.10图 第115页/共126页 1.11 求图示电路中的电阻R及电压源发出的功率。(提示：根据KVL先求15 电阻上的电压。)题1.11图 第116页/共126页1.12 求图示电路中的IS和U。题1.12图 第117页/共126页 1.13 图示电路中，已知I=-2 A，Uab=6V,求电阻R1和R2的值。(提示：先求4 支路电流和电压。)题1.13图 第118页/共126页1.14 求图示电路中电位1、2和3的值。题1.14图 第119页/共126页1.15 电路如图所示，求S打开和闭合时a点的电位值。题1.15图 第120页/共126页自测题1 1-1 图示为某复杂电路中的一部分，求I、US、R及电压源发出的功率(20分)。自测题1-1图 第121页/共126页 1-2 求图示电路中的电压Uac和Uad。自测题1-2图 第122页/共126页 1-3 求图示电路中的U、I及元件N消耗的功率。自测题1-3图 第123页/共126页1-4 在图示电路中，已知Ubd=4 V，求Ubc及US的值。自测题1-4图 第124页/共126页1-5 图示电路中，已知Uab=5 V，求US。自测题1-5图 第125页/共126页感谢您的观看！第126页/共126页