第一章电路分析基础课件.ppt
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- 第一章 电路 分析 基础 课件
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1、 局部规律局部规律 基基本本规规律律 整体规律整体规律电路参数电路参数CLR电源电源受控源受控源电流源电流源电压源电压源KCLKVL第一章第一章 电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基本定律 1.1 1.1 电路与电路模型电路与电路模型1 1、定义、定义一、电路一、电路 由若干电气设备或器件按一定方式联接而成由若干电气设备或器件按一定方式联接而成的的电流通路电流通路。2 2、组成、组成 电路一般由电源、负载、中间环节组成。电路一般由电源、负载、中间环节组成。 电源:电源: 供应电能的装置,可以把热能、水供应电能的装置,可以把热能、水 能等非电能转化为电能能等非电能转化为电能 负载:是用电设
2、备,是吸收电能或接收信号的装负载:是用电设备,是吸收电能或接收信号的装 置器件,它们将电能转化为其它形式置器件,它们将电能转化为其它形式的能的能 量。量。中间环节:连接电源和负载,用于传输电能和电中间环节:连接电源和负载,用于传输电能和电 信号信号电池电池灯泡灯泡 电池电池电源电源灯泡灯泡负载负载导线导线中间环节中间环节引入两个概念引入两个概念-激励和响应激励和响应 激励激励:外界对电路的能量输入外界对电路的能量输入,即电源的作即电源的作 用用 响应响应:激励在电路中产生的电压或电流激励在电路中产生的电压或电流,即即电源作用下在电路中产生的结果电源作用下在电路中产生的结果 作用与结果的关系就是
3、激励与响应的关作用与结果的关系就是激励与响应的关系系 已知激励和电路参数求取电路中的响应已知激励和电路参数求取电路中的响应是电路分析的主线。是电路分析的主线。 3、基本功能、基本功能 1 1)传输分配和转换电能)传输分配和转换电能2 2)信息的传输和处理)信息的传输和处理二、电路模型二、电路模型 把电路中的实际电路元件用抽象的把电路中的实际电路元件用抽象的理理想电路元件及其组合想电路元件及其组合近似代替,然后建立一个数近似代替,然后建立一个数学模型来描述电路中的物理过程。学模型来描述电路中的物理过程。理想电路元件理想电路元件消耗能量的元件消耗能量的元件 如:电阻如:电阻储存能量的元件储存能量的
4、元件 如:电感如:电感 电容电容提供能量的元件(电源)提供能量的元件(电源)电压源电压源电流源电流源 无源无源元件元件有源元件有源元件电池电池灯泡灯泡虚虚构构性性近近似似性性电路模型电路模型三、网络和系统三、网络和系统 电路也经常被称为网络,确切说电网络。电路也经常被称为网络,确切说电网络。 系统是由一些元件或部件为完成一定功能,系统是由一些元件或部件为完成一定功能,按照一定方式或规律组合起来的整体。按照一定方式或规律组合起来的整体。 电路也是一个系统电路也是一个系统 电路、网络和系统之间可以理解为复杂程电路、网络和系统之间可以理解为复杂程度不同。电路最简单,系统最复杂。度不同。电路最简单,系
5、统最复杂。 1.2 1.2 电压、电流及其参电压、电流及其参考方向考方向 变 量电 流电 压电动势电 位功 率直 流IUEV、UnP时变量iuev、unp小小写写大大写写一:电流一:电流1:定义:定义 带电粒子的定向移动带电粒子的定向移动2:大小:大小 用电流强度来衡量其大小用电流强度来衡量其大小3:形式:形式 i I 注意区分大小写注意区分大小写4:单位:单位 安培(安培(A),还有),还有千安(千安(kA)、)、毫安毫安(mA)、)、微安(微安( A)、)、纳安(纳安(nA)等等 1 kA103A 1 mA10-3A 1 A10-6A 1 nA10-9A 5:方向:方向 电流的实际方向电流
6、的实际方向:正电荷的移动方向:正电荷的移动方向 电流的参考方向电流的参考方向 箭头箭头双下标双下标I Iabab(a ba b)选定的参考方向与实际电流方向一致,那么电流为正值,选定的参考方向与实际电流方向一致,那么电流为正值,选定的参考方向与实际电流方向相反,电流为负值。选定的参考方向与实际电流方向相反,电流为负值。I Ibaba=-=-I Iabab二、电压、电位、电动势二、电压、电位、电动势(一)电压和电位(一)电压和电位1、电压电压 电压的大小电压的大小等于电场力对单位正等于电场力对单位正电荷从电荷从A点移到点移到B点所作的功点所作的功 Uab=dW/dq2、电位电位 在电路中任选一点
7、作为参考点在电路中任选一点作为参考点(o),任意点(),任意点(a)到参考点的电压仅)到参考点的电压仅由该点的位置决定,我们把此电压称为由该点的位置决定,我们把此电压称为该点的该点的电位电位。记为。记为Ua Uab=Ua-Ub3、 电压和电位的单位:伏特(电压和电位的单位:伏特(V),还有),还有毫伏(毫伏(mV),千伏(),千伏(kV)等)等4、电压的方向、电压的方向 实际方向:实际方向:高电位指向低电位高电位指向低电位 参考方向:(下一页)参考方向:(下一页)电压参考方向电压参考方向 箭头箭头、双下标、双下标Uab Uab (a a为高电位为高电位 b b为低电位为低电位 )选定的参考方向
8、与实际电压方向一致,那么电压为正值;选定的参考方向与实际电压方向一致,那么电压为正值;反之,电压为负值。反之,电压为负值。 + +、- -(高高 低低)、例例图示电路分别以图示电路分别以a,b,c为参考点,确定其他为参考点,确定其他各点电位,并计算各元件电压。各点电位,并计算各元件电压。零电位参考点的符号零电位参考点的符号一般接一般接地符号地符号以大地以大地为参考为参考以机壳以机壳为参考为参考强调 电位有相对性和单值性电位有相对性和单值性 参考点选取的不同,电位不同;参考点确参考点选取的不同,电位不同;参考点确定后,电位仅有唯一值定后,电位仅有唯一值 电压有绝对性电压有绝对性 两点间电压的大小
9、与参考点的选取无关两点间电压的大小与参考点的选取无关 电压和电位的计算与所选路径无关电压和电位的计算与所选路径无关 参考点电位为零参考点电位为零 原则上参考点可任选原则上参考点可任选 (二)电动势(二)电动势定义定义:是衡量电源内局外力克服电场力是衡量电源内局外力克服电场力移动电荷时做功的物理量,它在数值上移动电荷时做功的物理量,它在数值上等于局外力把单位正电荷在电源内部由等于局外力把单位正电荷在电源内部由低电位端移到高电位端所做的功低电位端移到高电位端所做的功单位:伏特单位:伏特实际方向:低电位到高电位实际方向:低电位到高电位大小:正负两极之间的开路电压大小:正负两极之间的开路电压注意区分电
10、动势和源电压注意区分电动势和源电压三、关联参考方向三、关联参考方向电压、电流同向电压、电流同向关联关联 反向反向非关联非关联 u uu u非关联非关联关联关联电能的单位:焦耳(电能的单位:焦耳(J J) 1 1度度 = 1 = 1kwhkwh(千瓦千瓦小时)小时)= =3.63.6 106 J Jt t0 0到到t t吸收的电能:吸收的电能:直流情况下:直流情况下: 1.3 1.3 电路的功和功率电路的功和功率一、定义一、定义功率:功率:uidtudqdtdwp二:判断二:判断u u关联:关联:p=uip=ui非关联:非关联:p=-uip=-uiu up0p0吸收吸收p0p0,吸收吸收10W功
11、率。功率。(b)关联方向,关联方向,P=UI=5(2)=10W,P0,吸收吸收10W功率。功率。:求图示各元件的功率:求图示各元件的功率. .强调 实际电源不一定都发出电功率实际电源不一定都发出电功率 任何电路、任何瞬间满足功率平衡任何电路、任何瞬间满足功率平衡 2、欧姆定律、欧姆定律OL 欧姆定律的严格表述:一段导体,在温度一定的条件下,欧姆定律的严格表述:一段导体,在温度一定的条件下,加在导体两端的电压与流过导体的电流的比值是一个常数,加在导体两端的电压与流过导体的电流的比值是一个常数,这个比值就称为这个比值就称为 导体的电阻。导体的电阻。关联参考方向下关联参考方向下 :u ui it t
12、一定一定R R ( (常数常数) )单位单位: :欧姆欧姆 G G1 1R R单位单位: :西门子西门子 S SG Gi iu u电电热相关元件热相关元件1、基本模型、基本模型R一、电阻元件一、电阻元件 1.4 1.4 无源电路元件无源电路元件规定正方向的情况下欧姆定律的写法规定正方向的情况下欧姆定律的写法I与与U的的参考参考方向一致方向一致(关联关联)U = IRaIRUbI与与U的的参考参考方向相反方向相反(非关联非关联)U = IRaIRUb 线性电阻线性电阻工程上还会遇到一种非线性电阻,它的工程上还会遇到一种非线性电阻,它的伏安关系明显的是非线性的,如半导体伏安关系明显的是非线性的,如
13、半导体二极管。二极管。线性电阻的伏安特性非线性电阻非线性电阻引入两个概念引入两个概念-开路和短路开路和短路 开路开路 当电阻值当电阻值R时此时不论端电压时此时不论端电压u为何值,电流为何值,电流i总为总为零,称其为零,称其为“开路开路”或或“断路断路”。伏安特。伏安特性曲线与性曲线与u轴重合如轴重合如右图所示右图所示 短路短路 当电阻值当电阻值R0时此时不论电流时此时不论电流i为为何值,端电压何值,端电压u总为总为零,称其为零,称其为“短短路路” 。伏安特性曲。伏安特性曲线与线与i轴重合,如右轴重合,如右图所示。图所示。 欧姆定律只适用于线性电阻,不适用于非线性电阻。欧姆定律只适用于线性电阻,
14、不适用于非线性电阻。 3 3、电阻消耗的功率、电阻消耗的功率归纳归纳 1) 1) R R只有在有限值的条件下只有在有限值的条件下( (非非0,0,非非),),u.iu.i同时存在,同时存在, 实际方向永远一致实际方向永远一致 2 2)电阻元件为耗能元件)电阻元件为耗能元件 3 3)u.iu.i可以跃变可以跃变 二、电感元件二、电感元件电电磁相关元件磁相关元件1、基本模型、基本模型L2、磁通、磁通和磁链和磁链 当线圈流过电流当线圈流过电流iL时,根据右手螺旋定则,时,根据右手螺旋定则,在线圈中产生磁通在线圈中产生磁通 ,若线圈的匝数为,若线圈的匝数为N,且通过每匝的磁通量均为且通过每匝的磁通量均
15、为 ,则通过线,则通过线圈的磁链圈的磁链=N 。 磁通与磁链的单位均为韦伯(磁通与磁链的单位均为韦伯(Wb)。)。i+u 3 韦安特性韦安特性如果磁链如果磁链 与电流与电流iL的特性曲线(又称韦的特性曲线(又称韦安特性)是过原点的一条直线(如下图安特性)是过原点的一条直线(如下图a所示),则对应的电感元件称为线性电感,所示),则对应的电感元件称为线性电感,否则为非线性电感否则为非线性电感 线性电感的电路符号如下图所示。线性电感的电路符号如下图所示。定义定义 L L称为线性电感的电感量或电感值,为常数。称为线性电感的电感量或电感值,为常数。 单位:亨利简称亨(单位:亨利简称亨(H H),常用的还
16、有毫亨(),常用的还有毫亨(mHmH)。)。注意注意L L的双重含义的双重含义 iNL4、电感元件的电压电流关系、电感元件的电压电流关系 在图示在图示 u u、i i 、e e 假定参考方向假定参考方向( (关联关联) )的前提下,当通过线的前提下,当通过线圈的圈的磁通磁通或或 i i 发生发生变化变化时,线圈中产生感应电动势为时,线圈中产生感应电动势为i+u L+uieL+L =iN d dt eL =Ndi dt =L电压电流关系即为电压电流关系即为: :dtdiLeu说明说明1) 某一时刻电感元件两端的电压取决于该时某一时刻电感元件两端的电压取决于该时刻流过的电流的变化率刻流过的电流的变
17、化率 当电流为直流时,电感当电流为直流时,电感两端电压为零,所以在直流电路中,电感元件相当于短路;两端电压为零,所以在直流电路中,电感元件相当于短路;当电流变化比较剧烈时,电感两端会出现高电压,故电感当电流变化比较剧烈时,电感两端会出现高电压,故电感具有通直流阻交流的作用。具有通直流阻交流的作用。 2 2)t t时刻的电感电流时刻的电感电流i iL L不仅取决于不仅取决于0 0到到t t这个有这个有限时间内的电感电压有关,而且还与整个过去限时间内的电感电压有关,而且还与整个过去的历史有关,所以电感元件具有记忆功能。因的历史有关,所以电感元件具有记忆功能。因此电感元件是记忆元件此电感元件是记忆元
18、件。3 3)非关联非关联时电压电流关系表述为时电压电流关系表述为 5 磁场能量磁场能量 关联参考方向下,电感吸收的功率关联参考方向下,电感吸收的功率 即任何时刻电感吸收的功率不仅与该时刻的即任何时刻电感吸收的功率不仅与该时刻的电流有关,而且还取决于该时刻电流的变化电流有关,而且还取决于该时刻电流的变化率,其数值有可能为正,也可能为负率,其数值有可能为正,也可能为负。当当p0时,表明电感在吸收能量;而时,表明电感在吸收能量;而p0时,电容吸收能量:当时,电容吸收能量:当p 0时,电容释放能时,电容释放能量。所以电容也是一种储能元件。量。所以电容也是一种储能元件。 0到到t时间内电容吸收的能量时间
19、内电容吸收的能量: 当电感元件初始储能为零时当电感元件初始储能为零时在在t t时刻所具有的能量为时刻所具有的能量为: : 1.5 有源电路元件有源电路元件-独立源独立源 有源电路元件有源电路元件是能提供电能的元件是能提供电能的元件。分分为独立源和受控源为独立源和受控源 独立电源独立电源是能独立的提供电能的元件,是能独立的提供电能的元件,不受其它支路电压和电流的控制,分为不受其它支路电压和电流的控制,分为独立电压源独立电压源和和独立电流源独立电流源两种类型两种类型,简简称电压源和电流源。称电压源和电流源。 一、一、电压源电压源1 1、特征特征: :不同负载条件下能维持比较不同负载条件下能维持比较
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