华中科技大学电路理论课件001.ppt

电路理论 华中科技大学电气与电子工程学院何仁平 2010年9月 和我联系 Tel 13971407700Email he hust 108470870 教材 课程名称 电路理论教材 艾武 李承 电路与磁路 第2版 武汉 华中科技大学出版社 2002 09 目录 第1章电路的基本概念和定律第2章电路中等效的概念及其应用第3章线性网络的分析方法第4章线性网络定理第5章电路的动态分析第6章正弦稳态电路分析第7章三相电路第8章耦合电路第9章非正弦周期电流电路的谐波分析第10章双口网络第11章磁路与变压器 参考书目 邱关源 电路 第四版 高等教育出版社 1999年李翰荪 简明电路分析基础 高等教育出版社 2002王蔼 基本电路理论 第三版 上海科学技术文献出版社 2002江泽佳 电路原理 高等教育出版社 1985 参考书目 张美玉 电路题解400例及学习考研指南 机械工业出版社赵录怀 电路重点难点及典型题精解 西交交通大学出版社向国菊 电路典型题解 清华大学出版社 绪言 课程名称 电路理论 电路理论是整个电气工程的重要理论基础之一 它使电气工程与数学和物理很好地结合在一起 它不同于理论基础课 也不同于专业课 电路理论课是一门既有理论性 又有实践性的课程 是一门技术基础课 在电子技术领域内 信号 电路和系统是三个相互联系又有区别的基本成分 信号是运载信息的工具 信号的任务和本质 电信号的基本形式就是变化的电压和电流 例如实际应用中经常遇到的信号 电视信号 雷达信号 控制信号以及电子计算机的数字信号等等 电信号都可表示为时间的函数 时域分析 也可通过频域分析其频谱 电路是对信号进行加工 处理的具体结构 组成各种各样的电路的元件有电阻 电容和电感等 若再加上半导体元件 尤其是目前的集成电路 可以组成更为复杂的电路 系统是信号通过的全部电路和设备的总和 因此 系统所涉及的问题是全面性的 电路所关心是为实现系统的特性 结构和参数 所以是局部性的问题 信号在电路中传输时 根据条件的不同存在两中不同的分析研究方法 电磁场理论的方法和电路理论的方法 电磁场理论是在三维空间中研究各种电磁现象 诸如电荷的分布 电流密度的分布 电磁场的传播以及电磁能的辐射等 电路理论是在空间的特定情况下研究各种电磁过程 它只研究电路元件的外部功能 不讨论电磁场的具体分布情况 所涉及到的只是各元件的电压 电流及功率等等 电路理论近似地认为 热能消耗集中在电阻元件中 磁场能集中在电感元件中 电场能集中在电容元件中 联接元件的导线除了构成电流的通路外无任何其它能量的交换 电路理论研究电路中的普通规律 根据电路模型探讨各种电路的一般分析计算方法和设计方法 它并不分析具体的电气设备 却都是各种设备中所发生的电磁过程的高度概括和综合 因此 电路理论在现代电子学 无线电通信 无线电技术以及自动控制技术中占有重要地位 电路理论包括电路分析及电路综合 电路可分为强电类和弱电类 电路分析 给定电路结构及有关参数 计算电路各部分的电压及电流 研究电路的激励与响应之间的关系 分析电路的特性等等 电路综合 根据要求给定电路特性 设计电路的形式并计算电路元件的参数 从而确定电路的结构 强电类 电能的产生 传输 分配和使用 弱电类 电信号的产生 传输 放大和使用 第一章电路的基本概念和定律 华中科技大学电气与电子工程学院 2009年9月 1 1电路模型1 2电路的基本物理量1 3理想电源1 4电阻元件1 5电容元件1 6电感元件1 7基尔霍夫定律1 8受控源 目录 1 1电路模型 电路的作用 1 电能的传输和转换 2 信号的传递和处理电路的组成 1 电源 2 负载 3 中间环节 中间环节 负载 发电机 升压 变压 器 降压 变压 器 电灯 电动机 电炉 电力系统电路示意图 输电线 放 大 器 话筒 扬声器 扩音机电路示意图 信号源 电源 1 1电路模型 目的 通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性 从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电路 任务 掌握电路的基本理论和电路分析的方法 1 1电路模型 电路模型是实际电路抽象而成 它近似地反映实际电路的电气特性 电路模型由一些理想电路元件用理想导线连结而成 用不同特性的电路元件按照不同的方式连结就构成不同特性的电路 电路元件的理想化 在一定条件下突出元件主要的电磁性质 忽略其次要因素 把它近似地看作理想电路元件 为什么电路元件要理想化 便于对实际电路进行分析和用数学描述 将实际元件理想化 或称模型化 1 1电路模型 图1 1手电筒的电路模型 U I 开关 E R 0 R 干电池 电珠 1 1电路模型 电路模型近似地描述实际电路的电气特性 根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求 应当用不同的电路模型模拟同一实际电路 现在以线圈为例加以说明 1 1电路模型 图1 3线圈的几种电路模型 a 线圈的图形符号 b 线圈通过低频交流的模型 c 线圈通过高频交流的模型 1 2电路的基本物理量 电路的特性是由电流 电压和电功率等物理量来描述的 电路分析的基本任务是计算电路中的电流 电压和电功率 一 电流和电流的参考方向带电粒子 电子 离子 定向移动形成电流 电子和负离子带负电荷 正离子带正电荷 电荷用符号q或Q表示 它的SI单位为库 仑 C 1 2电路的基本物理量 单位时间内通过导体横截面的电荷定义为电流 用符号i或I表示 其数学表达式为 电流的SI单位是安 培 A 与电流有关的几个名词 恒定电流 量值和方向均不随时间变化的电流 称为恒定电流 简称为直流 dc或DC 一般用符号I表示 时变电流 量值和方向随时间变化的电流 称为时变电流 一般用符号i表示 时变电流在某一时刻t的值i t 称为瞬时值 交流电流 量值和方向作周期性变化且平均值为零的时变电流 称为交流电流 简称为交流 ac或AC 电流及其参考方向 习惯上把正电荷移动的方向规定为电流方向 实际方向 在分析电路时 往往不能事先确定电流的实际方向 而且时变电流的实际方向又随时间不断变动 不能够在电路图上标出适合于任何时刻的电流实际方向 为了电路分析和计算的需要 我们任意规定一个电流参考方向 用箭头标在电路图上 若电流实际方向与参考方向相同 电流取正值 若电流实际方向与参考方向相反 电流取负值 根据电流的参考方向以及电流量值的正负 就能确定电流的实际方向 电流及其参考方向 电路中任一电流有两种可能的参考方向 当对同一电流规定相反的参考方向时 相应的电流表达式相差一个负号 即 今后 在分析电路时 必须事先规定电流变量的参考方向 所计算出的电流i t 0 表明该时刻电流的实际方向与参考方向相同 若电流i t 0 则表明该时刻电流的实际方向与参考方向相反 例如在图示的二端元件中 每秒钟有2C正电荷由a点移动到b点 当规定电流参考方向由a点指向b点时 该电流i 2A 如图 a 所示 若规定电流参考方向由b点指向a点时 则电流i 2A 如图 b 所示 若采用双下标表示电流参考方向 则写为iab 2A或iba 2A 其中dq为由a点移动到b点的电荷量 单位为 仑 C dW为电荷移动过程中所获得或失去的能量其单位为焦 耳 J 电压的单位为伏 特 V 二 电压及其参考方向 1 电荷在电路中移动 就会有能量的交换发生 单位正电荷由电路中a点移动到b点所获得或失去的能量称为ab两点的电压 即 2 将电路中任一点作为参考点 把a点到参考点的电压称为a点的电位 用符号va或Va表示 在集总参数电路中 元件端钮间的电压与路径无关 而仅与起点与终点的位置有关 电路中a点到b点的电压 就是a点电位与b点电位之差 即 量值和方向均不随时间变化的电压 称为恒定电压或直流电压 一般用符号U表示 量值和方向随时间变化的电压 称为时变电压 一般用符号u表示 习惯上认为电压的实际方向是从高电位指向低电位 将高电位称为正极 低电位称为负极 与电流类似 电路中各电压的实际方向或极性往往不能事先确定 在分析电路时 必须规定电压的参考方向或参考极性 用 号和 号分别标注在电路图的a点和b点附近 若计算出的电压uab t 0 表明该时刻a点的电位比b点电位高 若电压uab t 0 表明该时刻a点的电位比b点电位低 3 电压参考方向或参考极性 对于二端元件而言 电压的参考极性和电流参考方向的选择有四种可能的方式 如图1 6所示 为了电路分析和计算的方便 常采用电压电流的关联参考方向 也就是说 当电压的参考极性已经规定时 电流参考方向从 指向 当电流参考方向已经规定时 电压参考极性的 号标在电流参考方向的进入端 号标在电流参考方向的流出端 问题在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向 如何解决 1 在解题前任选某一个方向为参考方向 或称正方向 3 根据计算结果确定实际方向 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 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 解决方法 下面讨论图示二端元件和二端网络的功率 三 电功率 当电压电流采用关联参考方向时 二端元件或二端网络吸收的功率为 与电压电流是代数量一样 功率也是一个代数量 当p t 0时 表明该时刻二端元件实际吸收 消耗 功率 当p t 0时 表明该时刻二端元件实际发出 产生 功率 功率的SI单位是瓦 特 W 由于能量必须守恒 对于一个完整的电路来说 在任一时刻 所有元件吸收功率的总和必须为零 若电路由b个二端元件组成 且全部采用关联参考方向 则 在实际应用中感到这些SI单位太大或太小时 可以加上表1 4中的国际单位制的词头 构成SI的十进倍数或分数单位 例如 在下图示电路中 已知U1 1V U2 6V U3 4V U4 5V U5 10V I1 1A I2 3A I3 4A I4 1A I5 3A 试求 1 各二端元件吸收的功率 2 整个电路吸收的功率 例题1 1 整个电路吸收的功率为 解 各二端元件吸收的功率为 电位 电路中为分析的方便 常在电路中选某一点为参考点 把任一点到参考点的电压称为该点的电位 参考点的电位一般选为零 所以 参考点也称为零电位点 设c点为电位参考点 则Uc 0电位单位与电压相同 也是V 伏 Ua Uac Ub Ubc Ud Udc 四 电位 1 电路中某一点的电位等于该点与参考点 电位为零 之间的电压 2 参考点选得不同 电路中各点的电位值随着改变 但是任意两点间的电位差是不变的 各点电位的高低是相对的 而两点间电位的差值是绝对的 注 四 电位 解 C B A 9V 6V I R 1 100 R 2 50 I VA VC R1 R2 6 9 100 50 103 0 1mA UAB VA VB R2IVB VA R2I 6 50 103 0 1 10 3 1V 解 E 1 E 2 R 1 R 2 R 3 I 1 I 2 I 3 A I1 I2 E1 R1 R2 6 4 2 1AI3 0VA R3I3 E2 R2I2 0 4 2 1 2V 或VA R3I3 E2 R1I1 E1 0 4 4 1 6 2V 1 3理想电源 一 理想电压源 1 特点 a 电源两端电压由电源本身决定 与外电路无关 b 通过它的电流可能为任意值 由电源本身和外电路共同决定 直流 uS为常数交流 uS是确定的时间函数 如uS Umsin t 电路符号 2 伏安特性 1 若uS US 即直流电源 则其伏安特性为平行于电流轴的直线 反映输出电压与电源中的电流大小和方向无关 2 若uS为随时间t变化的电源 即us us t 则其变化规律由其本身决定 与外电路无关 电压为零的电压源 伏安曲线与i轴重合 相当于短路线 uS i u US 3 理想电压源的开路与短路 实际电压源也不允许短路 因其内阻小 若短路 电流很大 可能烧毁电源 1 开路 R i 0 u uS 2 短路 R 0 i 理想电源出现病态 因此理想电压源不允许短路 二 理想电流源 1 特点 电源电流由电源本身决定 与外电路无关 直流电流源 iS为常数交流电流源 iS是确定的。