电路分析基础上课讲义

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1、马云辉 13823969376 QQ486442250 电路分析基础 课程的重要性及任务 电路分析基础 是电类各专业的重要的技术基础课程 它理论严密 逻辑性强 有广阔的工程背景 是电类专业学生知识结构的重要组成部分 学习本课程对培养学生的科学思维能力 树立理论联系实际的工程观点 提高学生分析问题 解决问题的能力以及在人才培养中都起着十分重要的作用 课程特点 概念性强 内容杂 应用数学知识较多 分析方法灵活 深刻理解概念 多做习题 方可学好这门课程 学习要求 1 遵守课堂纪律 2 按时上课 不要迟到 3 以听为主 记笔记为辅 4 课下认真阅读教材 5 及时认真完成作业 6 值日生负起责任 上课前

2、 课间休息即时擦黑板 教学内容及学时分配 第一章电路的基本概念和基本定律 6学时 第二章电阻电路及分析 6学时 第三章动态电路的时域分析 8学时 第四章正弦稳态交流电路分析 10学时 第五章谐振电路分析 4学时 第六章互感耦合电路 4学时 第七章三相电路 6学时 第八章非正弦电路分析 2学时 第九章二端口网络 4学时 第十章非线性电阻电路 2学时 复习 4学时 教材 张苑农主编 电路分析基础 上海交通大学出版社参考书 1 张永瑞 电路分析基础 第四版 西安 西安电子科技大学出版社 2006 2 邱关源主编 电路 第5版 北京 高等教育出版社 1999 3 吴大正主编 电路基础 西安电子科技大学

3、出版社 2000 4 李瀚荪主编 电路分析基础 第5版 北京 高等教育出版社 考核与成绩评定考核性质 考试课 百分制考试方法 闭卷 笔试考核用时 期末120分钟考核模式 三段制模式成绩评定 期末总评成绩 平时成绩 20 实验 10 期末成绩 70 补考方法 总评成绩低于60分的学生 须参加学校统一组织的补考 补考总成绩 平时成绩 20 补考成绩 80 第一章电路的基本概念和基本定律 1 1电路与电路模型1 2电路的基本物理量1 3电阻元件和欧姆定律1 4电压源与电流源1 5基尔霍夫定律1 6电路的等效变换 1 1 1实际电路的组成与功能 实际电路是由零部件 如电阻器 电容器 线圈 开关 晶体管

4、 电池 发电机等 按一定的方式相互连接构成的整体 它为电流的流通提供途径 1 1电路与电路模型 电路的功能1 进行能量的传输 分配与转换 2 实现信息的传递与处理 2 电路功能 其一 进行能量的传输 分配与转换 典型的例子是电力系统中的输电电路 发电厂的发电机组将其他形式的能量 或热能 或水的势能 或原子能等 转换成电能 通过变压器 输电线等输送给各用户负载 在那里又把电能转换成机械能 如负载是电动机 光能 如负载是灯泡 热能 如负载是电炉 等 为人们生产 生活所利用 其二 实现信息的传递与处理 这方面典型的例子有电话 收音机 电视机 手机等中的电路 接收天线把载有语言 音乐 图像信息的电磁波

5、接收后 通过电路把输入信号 又称激励 变换或处理为人们所需要的输出信号 又称响应 送到扬声器或显像管 再还原为语言 音乐或图像 能量的传输 分配与转换 信息的传递与处理是现代信息化社会中时时 处处都要由电路来完成的功能 我们今天学习好电路意义重大 实际电路种类繁多 但就其功能来说可概括为两个方面 1 1 2电路模型 1 实际电路与电路模型 图1 1 a 是一个简单的实际照明电路 图1 1 a 手电筒电路 实际电路组成 是提供电能的能源 简称电源 它的作用是将其他形式的能量转换为电能 是用电装置 统称其为负载 它将电源供给的电能转换为其他形式的能量 是连接电源与负载传输电能的金属导线 简称导线

6、图中S是为了节约电能所加的控制开关 电源 负载与连接导线是任何实际电路都不可缺少的3个组成部分 电路模型图 将实际电路中各个部件用其模型符号表示而画出的图形 如图1 1 b 电路理论研究的对象不是实际电路 而是理想化的电路模型 图1 1 b 电路模型图 2 理想电路元件 常见的理想电路元件有 电阻 电感 电容 电源等 模型符号如下图所示 图1 2理想电阻 电容 电感元件模型 只消耗电能 只储存电能 只储存磁能 电感器 WL WRWL WC 低频 WL WRWL WC 高频 WL WRWL WC 超高频 用理想元件或它们的组合模拟实际器件就是建立模型 简称建模 建模时必须考虑工作条件 并按不同准

7、确度的要求把给定工作情况下的主要物理现象和功能反映出来 例如电感器的建模大致分为以下三种情况 图1 3实际电感器在不同应用条件下对应的模型 关于电路部件的模型概念还需强调说明3点 1 理想电路元件是具有某种确定的电磁性能的理想元件 理想电阻元件只消耗电能 理想电容元件只储藏电能 理想电感元件只储藏磁能 理想电路元件是一种理想的模型并具有精确的数学定义 在电路理论问题分析与研究中充当着重要角色 2 不同的实际电路部件 只要具有相同的主要电磁性能 在一定条件下可用同一个模型表示 如上述的灯泡 电炉 电阻器这些不同的实际电路部件在低频电路里都可用电阻R表示 3 同一个实际电路部件在不同的应用条件下

8、它的模型也可以有不同的形式 如上一页图所示实际电感器在各种应用条件下之模型 3 集总参数电路 实际电路部件的运用一般都和电能的消耗现象及电 磁能的储存现象有关 它们交织在一起并发生在整个部件中 这里所谓的 理想化 指的是 假定这些现象可以分别研究 并且这些电磁过程都分别集中在各元件内部进行 这样的元件 电阻 电容 电感 称为集中参数元件 简称为集中元件 由集中元件构成的电路称为集中参数电路 工程应用中能视为集中元件 电路 必须满足的条件 工作波长要大大于电路的几何尺寸 即 集中参数电路的特点 1 集总参数电路中的电流在一根导线上流动不需要时间 即刻到达 2 没有任何电磁辐射 1 2电路的基本物

9、理量 1 2 1电流单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度 简称电流 表示为习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的实际方向 但在具体电路中 电流的实际方向常常随时间变化 即使不随时间变化 对较复杂电路中电流的实际方向有时也难以预先断定 因此 往往很难在电路中标明电流的实际方向 电流的参考方向在分析电路时 先指定某一方向为电流方向 称为电流的参考方向 用箭头表示 如图中实线箭头所示 如果电流的参考方向与实际方向 虚线箭头 一致 则电流I为正值 否则为负值 图1 4电流的参考方向 在指定的电流参考方向下 电流值的正或负反映了电流的实际方向 分析计算电路时必须先设定电流的参考方向 参考方向是任

10、意指定的 但一经设定就不可随意改动 电流的参考方向一般用箭头表示 有时也用双下标表示 如iab表示其参考方向为由a指向b 1 2 2电压电路中单位正电荷从某点移到另一点所失去或得到的能量定义为该两点之间的电压 可表示为通常 两点间电压的高电位端为 极 低电位端为 极 如果正电荷由a转移到b获得能量 则a点为低点位 b点为高电位 如果正电荷由a转移到b点失去能量 则a点为高电位 b点为低电位 显然 两点间的电压即是两点间的电位之差 故也称作电位差 如同需要为电流规定参考方向一样 也需要为电压规定参考极性 也称参考方向 为 极到 极的方向 在分析电路问题时 先指定电压的参考极性 号表示高电位端 号

11、表示低电位端 电压的参考极性是任意指定的 一般用 极性表示 有时也用箭头表示参考极性 箭头由 极指向 极 也可用双下标表示 如uab表示a点为 极 b点为 极 关联参考方向 一个元件的电流或电压的参考方向可以独立地任意指定 如果电流的参考方向和电压参考方向一致 则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向 如图 a 所示 当两者不一致时 称为非关联参考方向 如图 b 所示 图1 6参考方向 注意 今后 在任意瞬间t的电流 电压分别用i t u t 表示 也常简写为i u 如果它们的大小和方向都不随时间变化 则称为直流电流 直流电压 用大写字母I U表示 1 2 3功率当正电荷从元件上电压的 极

12、经元件运动到电压的 极时 与此电压相应的电场力要对电荷做功 这时元件吸收能量 反之 正电荷从电压的 极经元件运动到电压 极时 与此电压相应的电场力做负功 元件向外释放电能 功率定义为释放或吸收的能量对时间的导数 即 根据电流和电压的定义式 可推出 上式表示功率等于元件流过的电流和元件上的电压的乘积 元件从t0到t1吸收的能量为 求功率p时应当注意 当电压和电流的参考方向为关联参考方向时 乘积 ui 表示元件吸收的功率 当p为正值时 表示该元件确实吸收功率 如果电压和电流的参考方向为非关联参考方向时 乘积 ui 表示元件发出的功率 此时 当p为正值 则该元件确实发出功率 一个元件若发出功率 10

13、0W 则表明元件实际吸收功率100W 同理 一个元件若吸收功率 100W 则相当于该元件实际发出功率100W 例1 1 如图是由A和B两个元件构成的电路 已知u 3V i 2A 求元件A和B分别吸收的功率 解 对元件A来说 u与i为关联参考方向 对元件B来说 u与i为非关联参考方向 因此 图1 7例1 1用图 1 3电阻元件及欧姆定律 欧姆定律 Ohm sLaw 简称OL 是电路分析中重要的基本定律之一 它说明流过线性电阻的电流与该电阻两端电压之间的关系 反映了电阻元件的特性 图1 8 a 是理想电阻模型 设电压 电流参考方向关联 图1 8 b 是它的伏安特性 Volt AmpereRelat

14、ionship 简称VAR 为u i平面上一条通过原点的直线 该直线的数学解析式为 欧姆 G S Ohm 1787 1854 德国物理学家 数学家 生于德国埃尔兰根城 因家庭经济困难曾中途辍学 作为教师的欧姆1826年发表 电路的数学研究 一文中第一次出现欧姆定律式 文章中不称欧姆定律 而是后人给予命名 此式即为欧姆定律公式 图1 8理想电阻模型及伏安特性 电阻的倒数称电导 以符号G表示 即电导G的单位为S 西门子 电导是反映材料导电能力强弱的参数 应用电导参数来表示电流和电压之间关系时 欧姆定律形式可写为 应当明确 1 欧姆定律只适用于线性电阻 2 如果电阻R上的电流 电压参考方向非关联 则

15、欧姆定律公式中应冠以负号 即或 3 电阻 电导元件是无记忆性元件 又称即时元件 电阻元件上消耗的功率电阻元件在任一时间消耗的功率为电阻元件从t0到t吸收的电能为可见 对于R 0的电阻元件 它在电路中总是消耗功率的 实际用电器具的额定值是指制造厂家所给出的电压 电流或功率的限制数值 是为了保证用电器具的安全 正常使用 例如 一只灯泡上标明220V 40W 即说明这样的含义 这只灯泡接220V电压 消耗功率为40W 如果所接电压超过220V 灯泡消耗功率大于40W 就有可能将灯泡烧坏 不安全 如果所接电压低于220V 灯泡消耗功率小于40W 灯光较暗 应用不正常 是 大材小用 显然这样使用也是不合

16、理的 第1次课结束 谢谢 1 4电压源与电流源 1 4 1独立源1 电压源不管外部电路如何 其两端电压总能保持定值或一定的时间函数 而与通过它的电流无关 这样的二端元件称为理想电压源 或独立电压源 电压源的图形符号如图1 9 a 所示 如uS t 为恒定值 则称其为直流电压源或恒定电压源 有时用图1 9 b 所示的图形符号表示 其中长的一端为 极 短的一端为 极 理想电压源具有如下特点 1 对任意时刻t1 理想电压源的端电压与输出电流的关系曲线 称伏安特性 是平行于i轴 其值为uS t1 的直线 理想电压源的特点 续 2 由伏安特性可进一步看出 理想电压源的端电压与流经它的电流方向 大小无关 3 理想电压源的端电压由自身决定 而流经它的电流由它及外电路所共同决定 它既可向外电路提供电能 也可以从外电路接受能量 视流过理想电压源的电流实际方向决定 注意 电压源不接外电路时 电流i总为零值 这种情况称为 电压源处于开路 如果一个电压源的电压uS 0 则此电压源的伏安特性曲线为u i平面上的电流轴 它相当于短路 2 电流源不管外部电路如何 其输出电流总能保持定值或一定的时间函数 而与端口电压