徐淑华电工电子技术 第一章

电路的基本定律与 分析方法第1章11.1 电路的基本概念1.2 电路的基本定律1.3 电路的分析方法电路的基本定律与分析方法第1章2l理解物理量的参考方向的概念。l掌握各种理想电路元件的伏安特性。l掌握基尔霍夫定律。l能够正确使用支路电流法、节点电压法列些电路方程 。l掌握电源等效变换、叠加原理、等效电源定理。l理解电位的概念，掌握电位的计算。本章学习目标3电源电源负载负载中间环节中间环节1.1 电路的基本概念1.1.1 电路的组成及作用EIU+_4电源（或信号源）：提供电能（或信号）的部分；负 载：吸收或转换电能的部分；中间环节：连接和控制电源和负载的部分；电路中各部分在正常工作时，必须工 作在额定状态！即电源、负载、导线 等都有相应的额定值。注意！51.1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的正方向：实际正方向假设正方向实际正方向：物理中对电量规定的方向。电流I电动势E电压U正方向物理量单位正电荷移动的方向电源驱动正电荷的方向电位降落的方向低电位高电位高电位低电位A, kA, mA, AV, kV, mV, VV, kV, mV, V6物理量正方向的表示方法IRUabE+_abu_+正负号abUab（高电位在前， 低电位在后） 双下标箭 头uab+-RI123 7假设正方向（参考方向）在分析计算时，对电量人为规定的方向。在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，电路如何求解？问题的提出电流方向 AB？电流方向 BA？E1AB R E2IR8(1) 在解题前先任意设定一个正方向，作为参考方向；若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致；若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反；若未标参考方向，则结果的正、负无意义！(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系的代数表达式；(3) 根据计算结果确定实际方向：假设正方向（参考方向）的应用注意！9例1已知：E=2V, R=1求： 当U 分别为 3V 和 1V 时，求IR的大小和方向?解：(1) 假定电路中物理量的正方向如图所示；(2) 列电路方程： EUUR+=REU RUIR R-=EUUR-=E RabUIR UR+-(3) 数值计算A112-33V=RIUA-112-11V=RIU（实际方向与参 考方向一致）（实际方向与参 考方向相反）10(4) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向按相同方向假设。称为关联参考方向。(1) 方程式U/I=R 仅适用于U, I参考方向一致的情况。(2) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。 (3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的. 归纳11·RIURR=IRURab假设: 与 的方向一致RIRU·RIURR-=IRURab例2假设: 与 的方向相反RIRU（关联参考方向）121.1.3 能量与 功 率aIRUb设电路任意两点间的电压为 U ,流入此 部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:P = U I功率的概念单位: W, kW, mW负载若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向一致 ,则该元件吸收功率,为负载;电源若元件上的电压为 U 和电流为 I的实际方向相反 ,则该元件发出功率,为电源。13在 U、 I 为关联参考方向的前提下： IRUab或IRUab则吸收功率 为负载若 P = UI 0若 P = UI 0IUab+-根据能量守衡关系P（吸收）= P（发出）则发出功率 为电源14根据 电压和电流的实际方向判断器件的性质，或是电源 ，或是负载。当元件上的U、I 的实际方向一致，则此元件消耗电功率，为负载。当元件上的U、I 的实际方向相反，则此元件发出电功率，为电源。实际方向根据参考方向和计算结果的正、负得到。结 论根据 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质，或是电 源，或是负载。在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。当P > 0 时, 说明 U，I 实际方向一致，电路消耗电功率，为负载。当P < 0 时, 说明 U、I 实际方向相反，电路发出电功率，为电源。15负载电阻1.1.4 电源的工作状态1.有载工作状态+-SER0RLIU电源电源电动势电源内阻电路电流:电源端电压:电路功率:电源外特性:IU E0功率平衡162.开路状态 +-SER0IU0I = 0 U=U0=E P = 03.短路状态U = 0+-ER0ISU171.理想电压源 （恒压源）:特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。即 Uab E； （2）电源中的电流由外电路决定。IE+_abUab伏安特性IUabE1.1.5 电路模型与理想电路元件18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当R1接入时 ： I=5A则：例3192、理想电流源 （恒流源):特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流 IS； abIUabIsIUabIS伏 安 特 性（2）输出电压由外电路决定。20恒流源两端电压由外电路决定IUIsR设: IS=1 AR=10 时， U =10 VR=1 时， U =1 V则:例421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22电压源中的电流 如何决定？电流 源两端的电压等 于多少？原则：Is不能变，E 不能变。E-Uab=恒压源中的电流 I= IS恒流源两端的电压IE _+abUab=?Is例523伏 - 安 特性iuRiuui3. 电阻 R（常用单位：、k、M ）线性 电阻非线性 电阻24消耗能量吸收功率电阻元件是耗能元件（W）单位：P（W）， t（s） ，W（J）P（kW），t（h）， W（kW·h）254.电感 L（单位：H, mH, H）单位电流产生的磁链线圈 匝数磁通理想电感元件：ui即：L i = N 26线圈 面积线圈 长度导磁率电感和结构参数的关系线性电感:L=Const (如:空心电感 不变)非线性电感 : L = Const (如:铁心电感 不为常数)ui线圈 匝数27电感中的感应电动势euiee 的方向：与电流方向一致 与磁通符合右螺旋法则e 的大小：28电感中电流、电压的关系当 (直流) 时,所以,在直流电路中电感相当于短路.ueiL直流电 路中， 电感中 的电流 是否为0 ？29电感是一种储能元件, 储存的磁场能量为：电感的储能？电感中的电流是直流时, 储 存的磁场能量是否为0？否！305.电容 C单位电压下存储的电荷（单位：F, F, pF）ui电容符号有极性无极性+q = Cu31极板 面积板间 距离介电 常数电容和结构参数的关系线性电容:C=Const ( 不变)非线性电容:C = Const ( 不为常数)uiC32电容上电流、电压的关系当 (直流) 时,所以,在直流电路中电容相当于开路。uiCq = Cu直流电 路中， 电容两 端的电 压是否 为0？33电容是一种储能元件, 储存的电场能量为：电容的储能？电容两端的电压是直流时, 储存的电场能量是否为0？否！34无源元件小结 LCRu，I 关 系能量 储放iRu=35R1UR2当U为直流电压时，计算电感和电容的电压、 电流和储能。例6UR1R2LCiL uC，36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：线间分布电容参数的影响和电路的工作条件有关。在一定条件 下可忽略次要参数的影响。376、理想受控源在电路中起电源作用，但其电压或 电流受电路其他部分控制的电源。受控源电压控制受控源 电流控制受控源受控电压源 受控电流源压控电压源：VCVS 流控电压源：CCVS压控电流源：VCCS流控电流源：CCCS38理想受控源的分类压控电流源U1I2流控电流源I2I1压控电压源U1+ -U2U1m=U2+ -U1m=U2流控电压源I1 + -U2I1r=U2+ -I1r=U239独立源和受控源的异同相同点：两者性质都属电源，均可向电路提供电压或电流。不同点：独立电源的电动势或电流是由非电能量提供的，其大小、方向和电路中的电压、电流无关；受控源的电动势或输出电流，受电路中某个电压或电流的控制。它不能独立存在，其大小、方向由控制量决定。40欧姆定律基尔霍夫定律基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电压定律（KVL）1.2 电路的基本定律41RUI注意：用欧姆定律列方程时，一定要在图中标明正方向。RUIRUI1.2.1 欧姆定律421.2.2 基尔霍夫定律名词解释：节点：三个或三个以上支路的联结点支路：电路中每一个分支回路：电路中任一闭合路径网孔：回路中无支路时称网孔描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括电流和电压两个定律。43支路：ab、ad、 .（共6条）回路：abda、 bcdb、 .（共7 个）节点：a、 b、 .(共4个）I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1 I2I5I6I4-网孔：abda、 bcdbadca（共3 个）441. 基尔霍夫电流定律(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。 I = 0即：aI1I2E2+-R1R3R2 +_I3bE1对a节点：或：设流入节点取“+”，流出节点取“-”。45KCL还适用于电路的任意封闭面。I1+I2 + I3=0基尔霍夫电流定律的扩展证明：I1I2I3abcIbcIabIca a: b: c:46I=0I=?E2E3E1+_RR1R+_+_R例7例8计算图示电路中的未知电流 I 。I2A-3A4A解：2 - 3 - 4 - I=0I= 2 - 3 - 4=-5A利用扩展的KCL列方程：472. 基尔霍夫电压定律(KVL)对电路中的任一回路，沿任意方向循行一周，其电位 升等于电位降。或，电压的代数和为 0。回路 a-d-b-c-a电位升电位降即：或：aI1I2E2+-R1R3R2 +_I3bE1cd48列写KVL方程的步骤：标出回路中各段电压和电流的参考方向；选定一个 回路方向；沿回路巡行一周，若电压（电流）与回路方向一 致，取正； 相反，取负；aI1I2E2+-R1R3R2 +_I3bE1cd回路 a-b-c-a回路 a-b-d-a49电位升电位降E+ _RabUabIKVL也适合于开口电路。基尔霍夫电压定律的扩展50求：I1、I2 、I3 能否很快说出结果？1+ +-3V4V11+-5VI1I2I3例9511.3 电路的分析方法电路分析通常是已知电路的结构和参数，电路中 的基本物理量。分析的依据是电路的基本定律。对于简单电路，通过串、并联关系即可求解。如E+-RRRRRRRE+-R52对于复杂电路（如下图）仅通过串、并联无法求解， 必须经过一定的解题方法，才能算出结果。 E4E3-+R3R6R4R5R1R2I2I5I6I1I4I3+ _如：53未知：各支路电流解题思路：根据电路的基本定律，列节点 电流和回路电压方程，然后联立求解。1.3.1 支路电流法