电路的基本概念和基本律讲稿.ppt

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1、关于电路的基本概念和基本律第一页，讲稿共八十四页哦电路的基本概念和基本定律1.1电路与电路模型电路与电路模型 1.1.1 1.1.1 电路的功能和构成电路的功能和构成 1.1.2 1.1.2 电路模型电路模型 1.1.31.1.3 电路理论研究的主要内容电路理论研究的主要内容1.2 电路基本物理量的正方向与正负号电路基本物理量的正方向与正负号1.3基本基本电路元件电路元件1.4电路的工作状态电路的工作状态1.5电路的基本定律电路的基本定律KVLKVL、KCLKCL 第一章第二页，讲稿共八十四页哦放大器扬声器话筒 电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。发电机升压

2、变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线1.1电路与电路模型1.1.1 电路的功能和构成第三页，讲稿共八十四页哦电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线第四页，讲稿共八十四页哦直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息放大器扬声器话筒 电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。第五页，讲稿共八十四页哦 小结 电路按功能可分为两类：1、电力线路（强电）-作用：传输、分配、控制和转换能量，构成：电源中间环节负载；2、电子线路（弱电）作用：传递和处理信号

3、，-构成：信号源中间环节负载电源（狭义）（广义）电源（激励）电力电子线路？（用弱电控制强电，参见电工学III第6章）第六页，讲稿共八十四页哦1.1.2 电路模型一、电路元件、电路（图）实际电路元件模型化（理想）电路元件实际电路电路（模型）电路（图）符号化实际结构研究电路（图）揭示实际电路主要性能第七页，讲稿共八十四页哦R+RoES+UI电池导线灯泡开关 电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。开关用来控制电路的通断。第八页，讲稿共八十四页哦1.1.2 电路模型一、电路

4、元件、电路（图）二、基本电路元件电源：恒压源 与恒流源（不计受控电源）负载：电阻、电容、电感 中间环节：短路线 与开路线(描述导线与开关）第九页，讲稿共八十四页哦1.1.3电路理论研究的主要内容基本物理量：电流、电压、电位（势）、电动势、电功率基本元件：上述7种（含教材3.1节）工作状态：开路、短路、有载基本规律：基尔霍夫定律KCL、KVL （整体规律）求解方法（分类、内容、适用范围属第二章内容）第十页，讲稿共八十四页哦1.2 电路基本物理量的正方向与正负号电池灯泡电流 I、i电压 U、u电动势 E、e电位（势）V、v（后面讲）Vb=ERE_IU+ab+_第十一页，讲稿共八十四页哦电路中物理量

5、的正方向物理量的方向：实际方向假设方向（参考方向）实际方向：物理中对电学量规定的方向。假设方向（参考方向）：在分析计算时，对电学量人为规定的方向，一般称为正方向第十二页，讲稿共八十四页哦物理量的实际方向和单位 物理量物理量 单位单位 实际方向实际方向 电流电流 I A、kA、mA、A 正电荷移动的方向正电荷移动的方向 电动势电动势 E V、kV、mV、V 电源驱动正电荷的电源驱动正电荷的方向方向 (低电位低电位 高电位高电位)电压电压 U V、kV、mV、V 电位降落的方向电位降落的方向 (高电位高电位低电位低电位)第十三页，讲稿共八十四页哦物理量正方向的表示方法电池灯泡IRUabE+_abu

6、_+正负号abUab 高电位点在前，低电位点在后 双下标（旧箭 头）u电压aIR电流：箭 头 或 双下标Iabb第十四页，讲稿共八十四页哦为何在电路分析中用正方向？问题的提出：1、在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向。2、在交流电路中，实际方向反复变化。电流方向AB？电流方向BA？E1ABRE2IR第十五页，讲稿共八十四页哦(1)在解题前先设任意假设一个方向作为参考方向；解决方法(3)根据计算结果确定实际方向：若计算结果为正，则表明实际方向与假设方向一致；故称假设方向（参考方向）为正方向。若计算结果为负，则表明实际方向与假设方向相反。(2)根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的

7、代数表达式,然后解出所求的物理量；第十六页，讲稿共八十四页哦例已知：E=2V,R=1问：当U 即Uab 分别为 3V 和 1V 时，IR=?E IRRURabU解：(1)假定电路中物理量的正方向如图所示；(2)列电路方程：EUURREURUIRREUUR 第十七页，讲稿共八十四页哦(3)数值计算A1121 V1A112-3 3VRRIUIU（实际方向与正方向一致）（实际方向与正方向相反）REUIRE IRRURabU第十八页，讲稿共八十四页哦*(4)在以后的解题过程中，若题中未给出某些电压、电流的符号和或正方向，而自己解题中又需要，符号的下标与正方向自己可以任意假设，但必须假设，且设好后不能再

8、变。(1)“实际方向”是物理中规定的，而“正方向”则 是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。若无特别说明，电路图中所标出的方向都是指正方向。(2)欧姆定律 U/I=R 仅适用于U、I正方向一致的情况，当U、I正方向不时一致，应改为U/I=R。（3）为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的正方 向假设为一致（同方向）。提示第十九页，讲稿共八十四页哦欧姆定律中的正负号欧姆定律中的正负号U、I 参考方向相同时，RU+IRU+I 表达式中有两套正负号：式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考 方向之间的关系。通常取 U、I 参考方向相同。U=I R第二

9、十页，讲稿共八十四页哦解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=IR326 :IUR所所以以326:IUR所以所以RU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A第二十一页，讲稿共八十四页哦电 功 率aIAUb功率的正负：设电路任意两点间的电压为 U,流入此 部分电路A的电流为 I，则这部分电路取用（消耗或储存）的功率为:IUP功率有无正负？U、I正方向一致时取U、I正方向相反时取第二十二页，讲稿共八十四页哦右图：U、I 正方向一致P=UIIRUab或IRUab“取用功率（负载）”为什么？“发出功率（电源）”为什么？若 P 0则该元件IUab+-

10、根据能量守衡关系P（取用）=P（发出）右图：U、I 正方向相反 P=UI若 P 0 时,则说明 U、I 的实际方向一致，此部分电路取用电功率，为负载。所以，从 P 值的+或-可以区分元器件的性质是电源还是负载。（不能仅从元器件的名称就断定它一定是电源或负载）结 论在计算功率时，如果按P=UI(U、I 正方向相反时取）计算，则：当计算的 P 0 时,则说明 U、I 的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。如果按P=UI计算，计算时有两套正负号。？第二十四页，讲稿共八十四页哦节点电位的概念：Va=5V a 点电位：ab15Aab15AVb=-5V b 点电位：在电路中任选一节点，设其电位为零

11、（用此点称为参考点。其它各节点对参考点的电压，便是该节点的电位。记为：“VX”（注意：电位为单下标）。标记），改在基本电路元件之前讲*1.6电路中电位的计算第二十五页，讲稿共八十四页哦 电位值是相对的,参考点（电位零点）选的不同，电路中其它各点的电位也将随之改变；电路中两点间的电压（电位差）值是固定的，不会因参考点的不同而改变。注意：电位和电压的区别第二十六页，讲稿共八十四页哦电位在电路中的表示法E1+_E2+_R1R2R3R1R2R3+E1-E2第二十七页，讲稿共八十四页哦R1R2+15V-15V 参考电位在哪里？R1R215V+-15V+-第二十八页，讲稿共八十四页哦“电路中电位的计算”史

12、仪凯新教材1.7.3节 （必考内容）第二十九页，讲稿共八十四页哦一、无源元件1.电阻 R1.3（二端）基本电路元件3种含义2.电感 L3.电容 C第三十页，讲稿共八十四页哦 描述消耗电能的性质iRu 根据欧姆定律:即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系SlR 金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关，表达式为：0dd00 tRituiWt2t电阻的能量Riu+_第三十一页，讲稿共八十四页哦伏-安 特性iuconstiuRRiuuiconstiuR线性电阻非线性电阻电阻 R（常用单位：、k、M）Riuu与i的关系？第三十二页，讲稿共八十四页哦 iNiL电感:(H、mH)电流通过N匝线

13、圈产生(磁链)N 电流通过一匝线圈产生(磁通)ui+-线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近的介质的导磁性能等有关。lNSL2第三十三页，讲稿共八十四页哦(H)lNSL2tiLteLdddd (1)自感电动势的参考方向iu+-eL+-LS 线圈横截面积（m2）l 线圈长度（m）N 线圈匝数 介质的磁导率（H/m）第三十四页，讲稿共八十四页哦(2)自感电动势瞬时极性的判别tiLeLdd 0 tiLeLdd i 0 tidd第三十五页，讲稿共八十四页哦（线性）电感中电流、电压的关系dddieNLdtdtdt ueidtdiLeu当 Ii(直流)时,0dtdi0u所以,在直流电路中电感相当于短路.根据

14、电压与电动势的定义可得：第三十六页，讲稿共八十四页哦电感元件储能电感元件储能tiLeuLdd 将上式两边同乘上将上式两边同乘上 i，并积分，则得：，并积分，则得：20021ddLiiLituiti 即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。上面的t0时i0的情况公式有问题吗？221LiWL第三十七页，讲稿共八十四页哦有一电感元件，L=0.2H,电流 i 如图所示，

15、求电感元件中产生的自感电动势eL和两端电压u的波形。解：当4ms0t时mAti 0.2Vdd tiLeL则：0.2V Leu所所以以当6ms4mst时mA12)2(ti0.4V2)V(0.2dd tiLeL24624/mAi/mstO246-0.20.4/VLe/mst246-0.40.2/Vu/mstOO第三十八页，讲稿共八十四页哦0.4V Leu所所以以由图可见：(1)电流正值增大时，eL为负，电流正值减小时，eL为正；(2)电流的变化率di/dt大，则eL大；反映电感阻碍电流变化的性质。(3)电感两端电压u和通过它的电流i的波形是不一样的。24624/mAi/mstO246-0.20.4

16、/VLe/mst246-0.40.2/Vu/mstOO第三十九页，讲稿共八十四页哦电容：uqC uiC+_电容器的电容与极板的尺寸及其间介质的介电常数等关。(F)dSCS 极板面积（m2）d 板间距离（m）介电常数（F/m）tuCidd 当电压u变化时，在电路中产生电流:（单位：F,F,pF）第四十页，讲稿共八十四页哦电容符号有极性无极性+_第四十一页，讲稿共八十四页哦dtduCdtdqi电容上电流、电压的关系uqC 当 Uu(直流)时,0dtdu0i所以,在直流电路中电容相当于断路.uiC第四十二页，讲稿共八十四页哦()(0)()()tuC22CCW=uidt=Cudu11=Cu tCuW

17、tW22000 电容的储能电容是一种储能元件,储存的电场能量为：）（dtduCdtdqi即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。减小，电容元件向电源放还能量。第四十三页，讲稿共八十四页哦（线性）电阻、电感、电容元件小结 理想元件的特性（两个端钮上u 与 i 的关系）（在u 与 i 正方向一致的条件下）LCRiRudtdiLudtduCi 元件最本质的特性u与i的关系，亦可据此定义来元件（数学

18、模型，理想化）第四十四页，讲稿共八十四页哦实际元件的特性可以用若干理想元件来表示例：电感线圈L：电感量R：导线电阻C：匝线间分布电容各个参数的影响和电路的工作条件（如频率）有关。（备注）第四十五页，讲稿共八十四页哦4.短路线(元件）与开路线(元件）aRab=i ab=0b Uab 取决于外电路（一般 Uab 0)描述开路、理想开关的断开状态记笔记！aRab=0iUab=0bi 取决于外电路（一般 i 0)描述短路、理想导线与理想开关的闭合状态第四十六页，讲稿共八十四页哦UR1R2LCR1UR2U为直流电压时,以上电路等效为注意 L、C 在不同电路中的作用即：L等效为短路线 C 等效为开路线第四

19、十七页，讲稿共八十四页哦(二)有源元件主要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。在此之前，先讲两种理想电源：恒压源和恒流源1、恒压源（理想电压源）:R0=0 时的电压源.特点：(1）输出端电 压恒等于电动势，即 Uab E。（2）电源中的电流由外电路决定。IE+_abUab伏安特性IUabE（外特性）第四十八页，讲稿共八十四页哦恒压源中的电流由外电路决定设:E=10VIE+_abUab2R1当R1 R2 同时接入时：I=10AR22例 当R1接入时：I=5A则：第四十九页，讲稿共八十四页哦REI 恒压源特性中不变的是：_E恒压源特性中变化的是：_I_ 会引起 I 的变化。外电路的改变I 的变

20、化可能是 _ 的变化，或者是_ 的变化。大小方向？+_I恒压源特性小结EUababR第五十页，讲稿共八十四页哦2、恒流源（理想电流源):R0=时的电流源.特点：（1）输出电流恒等于电流源的源电流 IS；（2）输出电压由外电路决定。abIUabIsIUabIS伏安特性注意符号第五十一页，讲稿共八十四页哦恒流源两端电压由外电路决定IUIsR设:IS=1 A R=10 时，U=10 V R=1 时，U=1 V则:例第五十二页，讲稿共八十四页哦恒流源特性小结恒流源特性中不变的是：_Is恒流源特性中变化的是：_Uab_ 会引起 Uab 的变化。外电路的改变Uab的变化可能是 _ 的变化，或者是 _的变化

21、。大小方向！RIUsab 理想恒流源两端可否被短路？abIUabIsR第五十三页，讲稿共八十四页哦说明：实际电源器件大多数可实际电源器件大多数可近似为恒压源；近似为恒压源；但也有少数电源器件接近恒流但也有少数电源器件接近恒流特性。特性。第五十四页，讲稿共八十四页哦恒压源中的电流如何决定？恒流源两端的电压等于多少？例IE R_+abUab=?Is原则：Is不能变，E 不能变。EIRUab恒压源中的电流 I=IS恒流源两端的电压第五十五页，讲稿共八十四页哦恒压源与恒流源特性比较恒压源恒流源不 变 量变 化 量E+_abIUabUab=E（常数）Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对 Uab 无影

22、响。IabUabIsI=Is （常数）I 的大小、方向均为恒定，外电路负载对 I 无影响。输出电流 I 可变-I 的大小、方向均由外电路决定端电压Uab 可变-Uab 的大小、方向均由外电路决定，（一般 Uab 0)第五十六页，讲稿共八十四页哦斜率绝对值越大，表明R0越大，“内耗”越大3.电压源伏安特性（实验测出）电压源模型UEIR0 IUEUIR0+-E第五十七页，讲稿共八十四页哦4.电流源IsUabI外特性 R00RUIIabSR0越大特性越陡电流源模型ISR0abUabI第五十八页，讲稿共八十四页哦5.两种电源的等效互换 等效互换的条件：对外的电压电流（关系）相等。当 I=I 时 Uab

23、=Uab反之亦然即：IR0+-EbaUabISabUabI R0第五十九页，讲稿共八十四页哦等效互换公式0RIEUabIR0+-EbaUabRIRIRIIUossab00ISabUabIR0则0RIERIRIs00RIEs0RRo0I=I Uab=Uab若第六十页，讲稿共八十四页哦000RRREIsRRRIEs000aE+-bIUabR0电压源电流源UabR0IsabI 第六十一页，讲稿共八十四页哦等效变换的注意事项(1)“等效”是指“对外”两端钮上的UI关系相同（此处为互换前后伏-安特性一致），对内不等效。例如：RL时IsaR0bUabI RLaE+-bIUabR0RLR0中不消耗能量R0

24、中则消耗能量0IIEUUabab对内不等效对外等效第六十二页，讲稿共八十四页哦注意转换前后 E 与 Is 的方向(2)aE+-bIR0E+-bIR0aIsaR0bIaIsR0bI第六十三页，讲稿共八十四页哦(3)恒压源和恒流源不能等效互换abIUabIsaE+-bI内阻R0=0内阻R0=第六十四页，讲稿共八十四页哦(4)进行电路计算时，恒压源串电阻和恒电流源并电阻两者之间均可等效变换。R0和 R0不一定是电源内阻。第六十五页，讲稿共八十四页哦111REI 333REI R1R3IsR2R5R4I3I1I应用举例-+IsR1E1+-R3R2R5R4IE3I=?第六十六页，讲稿共八十四页哦(接上页

25、)IsR5R4IR1/R2/R3I1+I3R1R3IsR2R5R4I3I1I并联符号第六十七页，讲稿共八十四页哦454RRREEIdd+RdEd+R4E4R5I-(接上页)ISR5R4IR1/R2/R3I1+I3 4432132131/RIERRRRRRRIIESdd第六十八页，讲稿共八十四页哦10V+-2A2I讨论题?IA32410A72210A5210III哪个答案对?+-10V+-4V2第六十九页，讲稿共八十四页哦1.4 电路的工作状态电路的工作状态1.4.11.4.1三种工作状态三种工作状态(R0很小）很小）+-ER0UIKRER0UIR-+状态项目开路有载短路I0E/(R0+R)E/

26、R0大!UEEIR00载耗P0EII2R00内耗P0I2R0E2/R0烧!发出PE0 EIE2/R0判断PPPE0功率平衡？第七十页，讲稿共八十四页哦1.4.21.4.2额定值额定值因为因为E 与与R0 不变不变所以所以 I 与与PE 取决于负载。多大合适？取决于负载。多大合适？额定值（IN、UN、PN，其 值与温度有关）意义：1、限额安全、长寿2、能力经济、合理额定值额定值实际值 满载原因：负载变化欠载（轻载）超载（过载）第七十一页，讲稿共八十四页哦1.5 电路的基本定律电路的基本定律KVLKVL、KCLKCL(本章重点）本章重点）1.5.1 1.5.1 电路的结构描述电路的结构描述节（结）

27、点：三个或三个以上支路的联结点支路：电路中每一个分支简单电路：单回路，或可用串并联化简法化为单回路的电路。复杂电路：非简单电路名词注释：回路：电路中任一闭合路径网孔：单孔回路（电路常称为网络）第七十二页，讲稿共八十四页哦支路：ab、ad、.（共6条）回路：abda、bcdb、.（共7 个）节点：a、b、.(共4个）例I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-网孔：几个？简单电路？否！第七十三页，讲稿共八十四页哦1.5.2 克希荷夫定律（克氏定律）（基尔霍夫定律）用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括克氏电流和克氏电压两个定律。第七十四页，讲稿共八十

28、四页哦(一)克氏电流定律(KCL)对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点流出的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为 0。I1I2I3I44231IIII克氏电流定律的依据：电流的连续性例04231IIII I 入=I 出即：I=0（流入取）（流出取）或：第七十五页，讲稿共八十四页哦电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。例I1+I2=I3例I=0克氏电流定律的扩展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R第七十六页，讲稿共八十四页哦(二)克氏电压定律（KVL)对电路中的任一回路，沿任意循行方向旋转一周，其电位升等于电位降。或者说，其电压的代数和为 0。例如：回路

29、 a-d-c-a55443343RIRIRIEEE0U或：033355444ERIRIERII3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-即：电位升电位降或：E IRIR第七十七页，讲稿共八十四页哦RIUEab电位升电位降E+_RabUabI克氏电压定律也适合开口电路。例克氏电压定律的依据：电位的单值性常见用法：求开口处电压abUEI R第七十八页，讲稿共八十四页哦关于独立方程式的讨论 问题的提出：在用克氏电流定律或电压定律列方程时，究竟可以列出多少个独立的方程？例aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1分析以下电路中应列几个电流方程？几个电压方程？第

30、七十九页，讲稿共八十四页哦克氏电流方程：节点a：节点b：321III213III独立方程只有 1 个克氏电压方程：#1#2#32211213322233111RIRIEERIRIERIRIE独立方程只有 2 个aI1I2E2+-R1R3R2+_I3#1#2#3bE1第八十页，讲稿共八十四页哦设：电路中有N个节点，B个支路N=2、B=3bR1R2E2E1+-R3+_a结论（由拓扑学可以证明）独立的节点电流方程有 (N-1)个独立的回路电压方程有(B-N+1)个则：（一般为网孔个数）独立电流方程：个独立电压方程：个独立的方程总共有多少？它与支路数有何关系？第八十一页，讲稿共八十四页哦讨论题A11433I求：I1、I2、I3 能否很快说出结果？1+-3V4V11+-5VI1I2I3A615432IA7321III第八十二页，讲稿共八十四页哦第1章 结 束第1章作业：习题13、5、6、7、9、13、*19、*21第八十三页，讲稿共八十四页哦感谢大家观看第八十四页，讲稿共八十四页哦