电路第一章-电路模型与电路定理课件-2a

1、重要的专业基础课,电 路 理 论,电路理论,1.性质：入门性专业基础课。,一、本课程几点说明：,本课程是电气、电子、计算机、电信、电科、自动化、测控等专业的一门专业基础课，是研究电方面的入门课程。,通过本课程的学习，要求掌握电路的基本理论、基本分析方法和必要的实验技能，为今后的后续课程的学习准备必要的电路知识，为进一步的学习电路理论打下良好的基础。,2 课程的内容,电路分析,电路综合,线性电路,非线性电路,电路分析,稳态电路,暂态电路,直流电路,交流电路,问题1 为什么电力系统采用三相电路,问题4 为什么收音机调台旋钮调节时可以收到不同电台的信号,问题3 为什么我国电网频率为50Hz,问题5 为什么经常开、关灯容易出现灯坏掉的情况,问题2 为什么低压电力网采用四线制,问题6 滤波器如何实现滤波,问题7 交流电如何变成直流电,先修课程,后续课程,电子技术、电机学、电力系统等后续专业课,3 先修与后续课程,要想了解一门学科，最好的 办法是先读读它的历史。,4 电路分析的发展简史,电报的出现，增加了对电路分析和计算的需要。 ,德国科学家基尔霍夫于 1845 年提出了电路的两大基本定律，电流定

2、律（KCL)和电压定律(KVL)。,1883 法国电报工程师和教育家戴维宁，发现等效发电机定理（戴维宁定理）,4 电路分析的发展简史,19世纪末，交流电技术的迅速发展，促进交流 电路理论的建立。,1893年，施泰因梅茨提 出分析交流电路的相量法，采用复数表示正弦的交流电，简化了交流电路的计算。,4 电路分析的发展简史,瑞士数学家 J.R. 阿尔甘提出的矢量图（相量图）， 也成为分析交流电路的有力工具。,这些理论和方法，为电路理论的发展奠 定了基础。,经典电路理论,拉普拉斯变换,直流电路分析,电路理论,动态电路分析,正弦稳态（交流）电路分析,网络拓扑,1-4,6-7,8-13,14,15,现代电路理论 （网络理论）,（20世纪50年代以前）,（20世纪60年代至今）,二、要求,重视听课；抓概念、抓基础、抓规律；课后复习; 重视作业、作业要认真、规范（必须画电路图； 给出主要的求解步骤），重视实验。,第1章 电路模型和电路定律,本章内容,1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律（KCL、KVL）,重点：,2. 理想元件的电压、电流关系 （元件的VCR）,1.1 实际电路与电路模型,一

3、 实际电路：由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流通路。,实际电路的功能,(1) 能量的传输与转换；,主要应用于电力系统中，往往又称为强电电路。,电磁波信号,传送、转换、加工、处理,调幅收音机原理框图,高放,中放,检波,低放,主要在电子电路中，一般称为弱电电路。,（2）信息的传递、控制与处理。,实际电路的功能,电源：提供能量或信号的设备,负载：指用电设备。,实际电路基本组成部分:,电源 负载 中间环节,由激励在电路中所产生的电压和电流称为响应。,电路中各处的电压、电流是在电源的作用下产生的，因此电源又被称为激励源（激励）。,在电路分析中电源或信号源都称为电源。,实际电路基本组成部分:,激励源（激励）： 唤起原因的能量； 发送信息给终端 用户，为继续处 理提供所必须的 信息。,响应：对一定刺激 所引起的发应。,输入 输出,二、 电路模型,电阻丝,便于计算,消耗电能,理想电阻元件,理想电路元件：是组成电路模型的最小单元， 是具有某种确定的电磁性质的假想元件，它是 一种理想化的模型并具有精确的数学定义。,理想元件,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

4、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,电压源和电流源（电源/激励）：表示将其它形式的 能量 转变成 电能的元件。,受控源：表示一处控制另一处的电磁现象。,手电筒电路的电路模型,灯 泡,开关,电 池,导线,手电筒实际电路,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。,二、电路模型,(a)实际电路,(b)电路模型,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。,电感线圈的电路模型,注意,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、能量、电功率等，但是电路分析中主要关心的物理量是电流、电压、功率以及能量。,电压:,单位时间内通过导体横截面的电荷量,1.2 电压和电流的参考方向,电流：,单位电荷由a点到b点电场力所做的功,1.2 电压和电流的参考方向,1. 电压、电流的实际方向及其单位,实际方向,正电荷的运动方向为电流的实际方向。,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,电流,电流的实际方向：,R,复杂电路,判断流过2电阻的电流、两端电压的实际方向？,电路中的电压和电

5、流随时间变化,实际方向不易判断,电流的参考方向,引入参考方向后，电流成为代数量。,任意假定一个方向为电流的正方向，这个假定的正方向称为电流的参考方向。,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：,注意,电压的参考方向,假设的高电位指向低电位的方向。,(1) 分开指定电压、电流的参考方向,电压、电流的参考方向的几点说明,1 电流参考方向的表示方法：, 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。,（2）参考方向的表示方法：,2 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,电流(或电压)值为正值，实际方向与参考方向一致； 电流(或电压)值为负值，实际方向与参考方向相反。,（3） 实际方向与参考方向的关系,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。,若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。,同一元件或支路的u，i 采用一致

6、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,i,+,-,+,-,i,u,u,（4） 电压电流参考方向的关联性,习惯取法：负载取关联参考方向、电源取非关联参考方向。,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。,设E=4V，R=2，求U、I？,可知R上电压大小为4V，流过电流大小为2A。,U=4V、I= -2A,问题：参考方向不同会不会使得结果不同呢？,U=-4V、I= 2A,1、引入参考方向后，电流、电压是代数量；,4、缺少参考方向的物理量，其数值含义不清。,说明,3、分析的第一步，重要，不难，但容易忽视；,2、参考方向一经选定不能再改变;,分析时，必须在电路图中标注电压、电流的参考方向！,5、参考方向不同时，其表达式相差一负号， 但电压、电流的实际大小、方向都不会改变。,1.3 电功率和能量,1.电功率,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特),单位时间内电场力所做的功。,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

7、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,2 元件吸收或者发出功率的判断,例,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。,已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A,5,6,4,1,2,3,I2,I3,I1,+,+,+,+,+,+,U6,U5,U4,U3,U2,U1,解,功率守恒：对任意电路，满足： 发出的功率吸收的功率,U6,U1,注意,已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A,从 t0 时刻到 t 时刻能量的变化：,能量,单位：J (焦) (Joule，焦耳),根据图所示的参考方向和电压、电流的数值确定各元件电流和电压的实际方向，并计算各元件的功率，说明元件是吸收功率还是发出功率。,在图所示电路中，试求： (1)若元件A吸收10W功率，求其电压U

8、A； (2)若元件B吸收10W功率，求其电流IB； (3)若元件C发出10W功率，求其电流IC； (4)若元件D吸收 10W功率，求其电流ID。,例题,某家用电器一天所消耗的电功率如图示，求：,（a）该电器消耗的平均功率。 （b）消耗的总能量，以kWh表示。,中午,1.4 电路元件,是电路中最基本的组成单元。,如果表征元件特性（元件性质）的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。,电路元件,由集总元件构成的电路,集总元件,任何时刻，流入元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流。,集总条件,集总参数电路,电路符号,电阻元件,端电压与端电流可以表示为代数关系的元件。其特性可用ui平面上的一条曲线来描述。,任何时刻端电压与其端电流成正比的电阻元件。,伏安 特性,0,1 定义,2 线性电阻元件,1-5 电阻元件,ui 关系（VCR）,R 称为电阻，单位： (Ohm),满足欧姆定律,单位,G 称为电导，单位：S (Siemens),u、i 取关联参考方向,伏安特性为一条过原点的直线,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；,线性电阻是无记忆、双向性的元件。,

9、欧姆定律,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！,注意,通常电阻元件的电压电流取关联参考方向！,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 = IR,电阻元件在任何时刻总是消耗功率的， 因此电阻又称为“耗能元件” 。,p u i (R i) i i2 R - u2/ R,p u i i2R u2 / R,4 电阻元件的功率与能量,从 t0 到 t 电阻消耗的能量：,能量,普通金属膜电阻,绕线电阻,电阻排,变频器铝合金线绕电阻,贴片超低阻值电阻,热敏电阻,压敏电阻,光敏电阻,电阻成型机,1-6 理想电压源和理想电流源 （独立源/激励源）,电路符号,1.理想电压源,定义,端电压与端电流 i 无关，端电压保持定值或一定的时间函数的元件叫理想电压源。,电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。,电压源的电流受外电路的影响。,理想电压源的电压、电流关系,直流电压源的伏安关系,例,外电路,电压源不能短路！,0,交流电压源伏安特性,电压源的功率,电压、电流参考方向非关联；,发出功率,电压、电流参考方向关联；,吸收功率,实际电压源,干电池,钮扣电池,1. 干电池和钮扣电池（化学电源）,干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。,钮扣电池电动势1.35V，用固体化学材料，化学反应不可逆。,氢氧燃料电池示意图,2. 燃料电池（化学电源）,电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。,3. 太阳能电池（光能电源）,一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到P-N结上，形成一个从N区流向P区的电流。约 11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。,一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A,太阳能电池示意图,太阳能电池板

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