电路模型电路的基本物理量基本定律基本元件电路模型的应用教学课件.ppt
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1、电路模型 电路的基本物理量 基本定律 基本元件 电路模型的应用,第1章,电路的基本概念和定律,了解实际电路的功能和特点,电路模型的概念和意义,实际电路与电路模型内在的联系和区别。,电流和电压参考方向是电路分析中最基本的概念。,基尔霍夫电流定律和电压定律是电路理论的基石,应熟练掌握和运用。,理解和掌握电路基本元件的定义和元件方程与参考方向的关系,以及功率和能量的计算。,学习电路理论应注重与实际应用的结合。,教学要点,第1章 电路的基本概念和基本定律,1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律,重点:,2. 电阻元件和电源元件的特性,1.1 实际电路与电路模型,引子:模型化(model),研究
2、电路问题也不例外的采用模型化的方法。,通过模型化的方法研究客观世界是人类认识自然的一个基本方法。,为了能对模型进行定量分析研究,通常是将实际条件理想化、具体事物抽象化、复杂系统简单化。,建立起来的模型应能反映事物的基本特征,以便对实际事物本质的了解。,1.1.1 实际电路的功能和特点,1. 实现电能的传输、分配与转换,2.实现信号的传递、加工与处理,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,直流电源: 提供能源,信号处理: 放大、检波等,负载,信号源: 提供信息,负载大小的概念: 负载增加指负载取用的电流和功率增加。,小结,实际电路具有:,基本
3、结构:,实现功能:,电源(source);负载(load);导线(line)。,能量传递、转换;信号加工、处理。,1.实际电路,功能,(a) 能量的传输、分配与转换; (b) 信息的传递、控制与处理。,建立在同一电路理论基础上。,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。,共性,1.1.2 电路模型及其意义,电路模型:,意义,反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。,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,电路理论中涉及5种基本的理想电路元件:,5种基本的理想电路元件:,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
4、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:表示将其他形式的能量转变成 电能的元件。,5种基本理想电路元件有三个特征: (a)只有两个端子; (b)可以用电压或电流按数学方式描述; (c)不能被分解为其他元件。,注意,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电路模型表示。 同一实际电路部件在不同的应用条件下,其电路模型可以有不同的形式。,例,电感线圈的电路模型,注意(续),举例:电路模型,手电筒的电路模型,灯 泡,开关,电 池,导线,模型的建立,如何建立模型非本书要求了解,需要理解:,1、模型不同与实际电路,2、实际电路的近似,3、实质:足以反映其电磁性质的理
5、想电路元件或其组合来模拟,R,L,理想电路元件,理想电路元件,集总电路与电路理论,集总电路,电路理论,集总参数元件:每一个具有两个端钮的元件中的电流在同一时刻是唯一的。,集总参数电路:由集总参数元件构成的电路。,集总假设:实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。,集总参数电路,电路-circuit,网络-network,系统-system,电路理论研究对象:,定律,定理,方法,应用,本书略,PK,分布参数电路,解释:,集总参数电路,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。,集总条件,集总参数电路中u、i 可以是时间的函数,但与空间坐标无关。因此,任
6、何时刻,流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流;端子间的电压为确定值。,注意,例,集总参数电路,两线传输线的等效电路。,当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足:,集总参数电路,PK,分布参数电路,分布参数电路,当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足:,等效电路为:,1.2 电路的基本物理量,电路理论中的基本物理量有六种:,电荷、,磁通(磁通链)、,电流、,电压、,能量、,和电功率。,在电路分析中,更多关注的基本物理量是 电路中的,电流、,电压,和电功率。,认识基本物理量单位与换算,纳,吉(G),1.2.1 电流及参考方向,电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内
7、通过导体横截面的电荷,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=10-3A 1 A=10-6A,A(安培)、kA、mA、A,对于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。,问题,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,参考方向,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,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:,表明,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。,注:箭头可以在线上也可以在线外。,1.2.2
8、电压及参考方向,电压u,单位,单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力作功(W)的大小。,电位,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点(0)时电场力作功的大小。,实际电压方向,电位真正降低的方向。,下 页,上 页,V (伏特)、kV、mV、V,返 回,例1-1,已知:4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力作功8J,由b点移动到c点电场力作功为12J, 若以b点为参考点,求a、b、c点的电位和电压uab、u bc; 若以c点为参考点,再求以上各值。,解,(1),解,(2),结论,电路中电位参考点可任意选择;参考点一经选定,电路中各点的电位值就唯一确定;当选择不同的电位参考点时,电路中各点电位值将
9、改变,但任意两点间电压保持不变。,在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,假设高电位指向低电位的方向。,问题,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,+,uAB,讨论:,实际方向与参考方向一致,电流(或电压)值为正; 实际方向与参考方向相反,电流(或电压)值为负。,实际方向与参考方向的关系,注意: 在参考方向选定后,电流(或电压) 值才有正负之分。 对任何电路分析时都应先指定各处的 i , u 的参考方向。,例:,若 I = 5A ,则实际方向与参考
10、方向一致,,若 I =5A ,则实际方向与参考方向相反。, 本书大多数时候默认元件中为关联方向。,元件或支路的u,i 采用相同的参考方向称为关联参考方向。反之,称为非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,关联参考方向,i,+,-,+,-,i,u,u,上次课程内容回顾:,1、电路模型 实际电路,2、电路中的基本物理量(简称电量),3、电压电流的参考方向:,电路模型 实际电路,电路模型 是有条件的,电压(V)、电流(A)、电功率(W),参考方向必须人为先规定,习惯上有关联参考方向约定,分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,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
11、计算中不得任意改变。,思考,电压、电流参考方向如图中所标,问:对A、B两部分电路电压、电流参考方向是否关联?,A电压、电流参考方向非关联; B电压、电流参考方向关联。,注意,解,参考方向不同时,其表达式相差一负号,但电压、电流的实际方向不变。,小结:,(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。,u = Ri,u = Ri,(3) 参考方向不同时,其表达式符号也不同,但实际方向不变。,电压和电流的参考方向有啥重要作用?,1.2.3 电功率,电能量:,1.电功率,功率的单位:W (瓦特),能量的
12、单位:J (焦耳),单位时间内电场力所作的功。,电功率:,2、电功率与参考方向的关系 (电路吸收或发出功率的判断),u, i 取关联参考方向,p=ui 表示元件吸收的功率,p0 吸收正功率 (实际吸收),p0 吸收负功率 (实际发出),p = ui 表示元件发出的功率,p0 发出正功率 (实际发出),p0 发出负功率 (实际吸收),u, i 取非关联参考方向,回顾:,1、电路电路模型,3、有方向的电流和电压才有物理意义,2、电路 集总电路,4、电功率的正负所代表的意义,电功率守恒,3、电功率守恒,对整个电路而言,任一时刻电路中各元件吸收的电功率总和应等于电源发出的电功率总和,或总功率的代数和必
13、为零。,即必须满足能量守恒定律。,练习,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率。 已知: U1=1V, U2= -3V,U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V,I1=2A, I2=1A,,I3= -1A 。,解,对一完整的电路,满足:发出的功率吸收的功率,注意,即必须满足能量守恒定律。,例题1-3,各元件电流和电压参考方向如图1-9所示。已知U1 = 3 V,U2 = 5 V,U3 = U4 = -2 V,I1 = -I2 = -2 A,I3 = 1 A,I4 = 3 A。试求各元件的功率,并指出是吸收功率还是发出功率,整个电路的总功率是否满足能量守恒定律?,电路的
14、总功率: P= P1+ P2+ P3+ P4= 0(能量守恒),解 根据各元件的参考方向,可得各元件的功率为,元件1:P1 = U1 I1 = 3(-2) =- 6 (W)(发出),元件2:P2 = U2 I2 = 52 = 10(W)(吸收),元件3:P3 = -U3 I3 = -(-2)(1)= 2(W)(吸收),元件4:P4 = U4 I4 = (-2)3 = -6(W)(发出),1.3 基尔霍夫定律( Kirchhoffs Laws ),基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(Kirchhoffs Current LawKCL )和基尔霍夫电压定律(Kirchhoffs Voltage La
15、wKVL )。它反映了电路中所有支路电压和电流的约束关系,是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,1 、 几个名词:(定义),(1). 支路 (branch):电路中通过同一电流的每个分支。 (b),(2). 结点 (node): 三条或三条以上支路的连接点称为节点。( n ),(3). 回路(loop):由支路组成的闭合路径。( l ),b=5,(4). 网孔(mesh):对平面电路,每个网眼即为网孔。网孔是回路,但回路不一定是网孔。(m),1,2,3,a,b,l=3或更多,n=3,m=3,4,5,c,4,5,讨论,上述介绍的几个名词与元件的性质无关。,或
16、有名词5. 路径(path):两结点间的一条通路。路径由支路构成,这种结点和路径的集合集总电路的拓扑(topology)结构,练习与思考,支路:ab、bc、ca (共6条),回路:abd、abcd (共7 个),结点:a、 b、c、d (共4个),b,网孔:abd、bcd (共3 个),2、基尔霍夫电流定律 (KCL):,在任何集总参数电路中,在任一时刻,流出(流入)任一结点的各支路电流的代数和为零。 即,物理基础:电荷守恒,电流连续性。,令流出为“+”(支路电流背离节点),i1+i2i3+i4=0 i1+i3=i2+i4,i1+i210(12)=0 i2=1A,例:,47i1= 0 i1=
17、3A,(1) 电流实际方向和参考方向之间关系; (2) 流入 、流出节点。,KCL可推广到一个封闭面:,两种符号:,?,广义(超)结点,I =?,I = 0,i1 =i2,uA = u B,uA = u B,i3 =i4,思考:,首先考虑(选定一个)绕行方向:顺时针或逆时针.,R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0 R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,例:,顺时针方向绕行:,在任何集总参数电路中,在任一时刻,沿任一闭合路径( 按固定绕向 ), 各支路电压的代数和为零。 即,-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0 -U1+U2+U3+U4= US1 -US4
18、,3、基尔霍夫电压定律 (KVL),推论:电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。元件电压方向与路径绕行方向一致时取正号,相反取负号。,UAB (沿l1)=UAB (沿l2)电位的单值性,图示电路:求U和I。,解:,3+1-2+I=0,I= -2(A),U1=3I= -6(V),U+U1+3-2=0,U=5(V),例2,求下图电路开关S打开和闭合时的i1和i2。,S打开:i1=0,i2=1.5(A),S闭合:i2=0,i1=6(A),两个超结点,课前思考题,如图:已知电路中的一部分,其中电流I1和电流I2已知,试计算电流IX。,3A,xA,yA,x+y=1,2+y=
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