chapter1电路的基本概念和定律.ppt
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1、华中科技大学文华学院机电学部 2010,电路理论,每天醒来,新的一天开始,我们都要这样告诫自己: 把握好每一分钟,因为流年似水,韶华易逝,每一分钟浪费后都不再回来; 做好生活中每一件平平常常的小事,因为正是它们构成了我的生活,做好一件小事,就等于实现了一个小小的目标; 昂首挺胸,满怀自信,因为生活中所有的挫折都会变形你软它就硬,你硬它就软; 面带微笑,心情愉快,因为生活是一面镜子你哭它也哭,你笑它也笑; 用友爱、宽容之心对待周围每一个人,让生活充满阳光; 用理智把浮躁、愤怒、忧伤统统逐出心房,因为宁静方能致远。 晨曦已经微露,朝阳已经升起。新的一天开始了,我会时刻牢记:在遥远的家乡,有亲人期盼
2、的目光;在长路的尽头,有我梦想到达的地方。所以,今天,我要认真地度过!,联系方式,唐萃 QQ:283407482 Email: 注:请各班的班长或者学习委员课后留下联系方式,电路理论,课堂纪律及学时,上课期间: 请将手机关掉或静音 请不要随意交谈,以免影响他人听课,总学时:32(理论课)16(实验) 学分:3,教材:艾武等,电路与磁路(第二版),华中科技大学出版社 参考书:邱关源主编 电路 (第5版) 高等教育出版社 陈希有主编 电路理论基础 (第3版) 高等教育出版社,欢迎学习电路理论,1. 掌握电路的基本原理及分析方法,为后续课程的学习打下基础。 2. 通过实验, 学习各种实验室常规电子仪
3、器的使用方法, 锻炼电工方面的动手能力。,通过本课程的学习:,电路理论:按研究方法不同,又可分为电路分析及综合。 电路分析输入通过电路后的结果, 划分 电路综合如何构成一个目标电路,使其在给 定输入下,得到需要的输出。 本书的重点:通过掌握电路的基本特性入手,进而掌 握电路分析及设计的全部基础知识。,前 言,电路原理 是我们电类学科的重要基础课,是我们学习测量,控制及 电信技术的入门必修课,也是一门实践性很强的工程类学科. 研究对象:研究电路中产生的各种电磁现象;以电流,电压, 电磁场等电路变量来描述这种现象,并进而分析了 解全过程,掌握全过程。,前 言,输入 (已知),电路 (已知),输出
4、(未知),输入 (已知),电路 (未知),输出 (已知),1.1 电路及电路模型 1.2 电路的基本物理量 1.3 电阻元件 1.4 电容元件 1.5 电感元件 1.6 电源元件 1.7 电路的工作状态 1.8 基尔霍夫定律(克希荷夫定律) 1.9 受控源,第1章 电路的基本概念和定律,1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律,重点:,第1章 电路的基本概念和定律,2. 电路元件特性,1.1 电路和电路模型(model),1. 实际电路,功能,a 能量的传输、分配与转换; b 信息的传递与处理。,由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。,电源,负载,联接导线,反映实际电路部件
5、的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。,导线,电池,开关,灯泡,2. 电路模型 (circuit model),电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件,电路模型,几种基本的电路元件:,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,电源元件:表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,注,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件, 在一定条件下可用同一模型表示; 同一实际电路部件在不同的应用条件下,其 模型可以有不同的形式,例,由集总元件构成的电路 集总元件:假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行 根据实际电路的几
6、何尺寸(d)与其工作信号波长()的关系,可以将它们分为两大类: (1)集总参数电路:满足d条件的电路。 (2)分布参数电路:不满足d条件的电路。 说明: 本书只讨论集总参数电路,今后简称为电路。,3. 集总参数电路,1.2 电路的基本物理量,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1. 电流及其参考方向 (current reference direction),电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A 1mA=10
7、-3A 1 A=10-6A,A(安培)、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,问题,复杂电路或电路中的电流随时间变化时,电流的实际方向往往很难事先判断,参考方向,i 参考方向,大小,方向,电流(代数量),任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,B,i 参考方向,i 参考方向,i 0,i 0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系:,A,A,B,B,电流参考方向的两种表示:, 用箭头表示:箭头的指向为电流的参考方向。, 用双下标表示:如 iAB , 电流的参考方向由A指向B。,电压U,单位:V (伏)、kV、
8、mV、V,2. 电压及其参考方向 (voltage reference direction),单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功(W)的大小,实际电压方向,电位真正降低的方向,问题,复杂电路或交变电路中,两点间电压的实际方向往往不易判别,给实际电路问题的分析计算带来困难。,电压(降)的参考方向,U, 0, 0,U,假设的电压降低方向,电压参考方向的三种表示方式:,(1) 用箭头表示,(2) 用正负极性表示,(3) 用双下标表示,U,U,+,A,B,UAB,元件或支路的u,i 采用相同的参考方向称之为关联参考 方向。反之,称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,3. 关
9、联参考方向,i,+,-,+,-,i,U,U,注,(1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,(2) 参考方向一经选定,必须在图中相应位置标注 (包括方向和符号),在计算过程中不得任意改变。,(3)参考方向不同时,其表达式相差一负号,但实际 方向不变。,例,电压电流参考方向如图中所标,问:对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否?,答: A 电压、电流参考方向非关联; B 电压、电流参考方向关联。,4. 电功率(power),功率的单位:W (瓦) (Watt,瓦特),能量的单位: J (焦) (Joule,焦耳),单位时间内电场力所做的功。,功率与电流、电压的关系:,关联方向时: p =
10、ui或 P =UI(直流电路中),非关联方向时: p =ui或 P=UI,P0时表明元件吸收功率,此元件(或这段电路)消耗电功率,为负载 P0时表明元件放出功率,此元件(或这段电路)发出电功率,为电源。,在进行功率计算时,若:,所以,从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质, 或是电源,或是负载。,电路吸收或发出功率的判断,例:求图示各元件的功率. (a)关联方向, P=UI=52=10W, P0,吸收10W功率,负载。 (b)关联方向, P=UI=5(2)=10W, P0,吸收10W功率。,电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。,电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点
11、电场力所做的功,也就是该点与参考点之间的电压。参考点电位 :U0 = 0;UA = U A0,必须指出,各点电位的大小和正负,与所选参考点有关,而某两点之间的电压却与参考点无关。,5.电位(potential),在电子仪器中通常选取公共接地点或仪器的外壳作为参考点,在电路图中接地符号 表示参考点。,电位的计算步骤: (1) 任选电路中某一点为参考点,设其电位为零; (2) 标出各电流参考方向并计算; (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,某点电位为正,说明该点电位比参考点高; 某点电位为负,说明该点电位比参考点低。,5. 电位(potential),求图示电路中各点的电位:Va、V
12、b、Vc、Vd 。,解: 设 a为参考点, 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,设 b为参考点,即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,举例,(1)电位值是相对的,参考点选取的不同,电路中 各点的电位也将
13、随之改变;,(2) 电路中两点间的电压值是固定的,不会因参考 点的不同而变, 即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,结论:,解,I(VAVC)(R1R2) 6(9)(10050) 103 0.1mA,UABVAVBR2I VBVAR2I 6(50 103) (0.1 10-3) 1V,例 计算下图电路中B点的电位。,由图可知,零电位参考点为C点处( 9V)的“”端与A点处(+6V)的“+”端的联接处。,1.3 电阻元件 (resistor),2. 线性定常电阻元件,电路符号,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述:,任何时刻端电压与其电流成
14、正比的电阻元件。,1. 定义,伏安 特性,ui 关系,R 称为电阻,单位: (欧) (Ohm,欧姆),满足欧姆定律 (Ohms Law),单位,G 称为电导,单位: S(西门子) (Siemens,西门子),u、i 取关联参考方向,伏安特性为一条过原点的直线,(2) 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,注,(3) 说明线性电阻是无记忆、双向性的元件,欧姆定律,(1) 只适用于线性电阻,( R 为常数),则欧姆定律写为,u R i i G u,公式和参考方向必须配套使用!,3. 功率和能量,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p u i (R i) i i2 R u
15、(u/ R) u2/ R,p u i i2R u2 / R,功率:,非线性电阻的概念,4.非线性电阻电路的分析,非线性电阻:电阻两端的电压与通过的电流不成正比。 非线性电阻值不是常数。,半导体二极管的 伏安特性,非线性电阻元件的电阻表示方法,静态电阻(直流电阻):,动态电阻(交流电阻),Q,电路符号,静态电阻与动态电阻的图解,U,I, I,U,等于工作点 Q 的电压 U 与电流 I 之比,等于工作点 Q 附近电压、电流微变量之比的极限,条件:具备非线性电阻的伏安特性曲线,解题步骤:,(1) 写出作用于非线性电阻 R 的负载线方程。,U = E U1 = E I R1,非线性电阻电路的图解法,(
16、2) 根据负载线方程在非线性电阻 R 的伏安特性曲线 上画出负载线。,E,U,I,Q,(3) 读出非线性电阻R的伏安特性曲线与负载线交点 Q 的坐标(U,I)。,非线性电阻电路的图解法,负载线方程: U = E I R1,负载线,5. 电阻的开路与短路,短路,开路,1.4 电容元件 (capacitor),电容器,在外电源作用下,,两极板上分别带上等量异号电荷,撤去电源,板上电荷仍可长久地集聚下去,是一种储存电能的部件。,1。定义,电容元件,储存电能的元件。其特性可用uq 平面上的一条曲线来描述,库伏 特性,任何时刻,电容元件极板上的电荷q与电流 u 成正比。q u 特性是过原点的直线,电路符
17、号,2. 线性定常电容元件,C 称为电容器的电容, 单位:F (法) (Farad,法拉), 常用F,p F等表示。,单位,线性电容的电压、电流关系,u、i 取关联参考方向,电容元件VCR的微分关系,表明:,i 的大小取决于 u 的变化率, 与 u 的大小无关,电容是动态元件;,(2) 当 u 为常数(直流)时,i =0。电容相当于开路,电容 有隔断直流作用;,实际电路中通过电容的电流 i为有限值,则电容电压u 必定是时间的连续函数.,电容元件有记忆电流的作用,故称电容为记忆元件,(1)当 u,i为非关联方向时,上述微分和积分表达式前要冠以负号 ; (2)上式中u(t0)称为电容电压的初始值,
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