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1、第1章 电路的基本知识,1.2 电路分析中的若干规定,1.3 电阻、电感和电容,1.4 电压源和电流源,1.5 基尔霍夫定律,1.6 电路中电位的计算,1.1 电路及其模型,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,1. 电路的作用,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,1.1 电路及其模型,2. 电路的组成部分,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,电力系统示意图,直流电源: 提供能源,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,2.电路的组成部分,电源或信号源的电压
2、或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。电路分析是在已知电路的结构和元件参数的条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。,扩音机示意图,系统是由若干互相关联的单元或设备组成，并用来达到某种目的的有机整体。图1-2所示的电路可视为系统。,图1-2 半导体收音机电路的框图,图1-3 电桥构成的温度检测系统,图1-4 系统的框图表示,2. 电路模型,电路模型是将实际电路中的各种元件按其主要物理性质分别用一些理想电路元件来表示时所构成的电路图。,理想电路元件是指只进行某一种能量转换的元件。,1.2 电路分析中的若干规定,1. 关于电路参数及变量的文字符号,基本物理量的实际方向,
3、2. 电流、电压的参考方向,实际方向：物理学中定义的电流、电压方向。 参考方向：人为假设的电流、电压方向。,a),b),图1-6 U、I、E的实际方向与参考方向图,图1-6 a)中电流、电压、电动势的方向可根据物理学中的定义直接标出。而在图1-6 b)中则不能确定电流是否从电源的正极流出，必须做具体的计算。,2. 电流、电压的参考方向,(2) 参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,2. 电流、电压的参考方向,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3) 实际方向与参考方向的
4、关系,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,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 。,(4) 关联参考方向,关联参考方向：电流、电压参考方向一致,U、I 参考方向相同,U、I 参考方向相反,U = I R,U = IR,关联参考方向,非关联参考方向,2. 电流、电压的参考方向,通常取 U、I 参考方向相同，即关联参考方向。,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。,
5、对图(b)有, U = IR,b）U、I 参考方向不同（非关联参考方向） P = -UI ，p= -ui；,3. 功率计算的规范化方法,a）U、I 参考方向相同（关联参考方向） P =UI （平均功率），p=ui （瞬时功率）；,1) 元件功率计算表达式,2) 电源和负载的判别,a）按上式计算，P 0，负载； P 0，电源。,b）根据U、I的实际方向判别,U、I 实际方向相反电源（发出功率）,U、I 实际方向相同负载（吸收功率）,解：（1）选定各电流、电压参考方向标于图中,则,例1：已知蓄电池充电电路如图所示，Us=20V，求当蓄电池端电压U2=12V时的充电电流 I 和各元件功率。设电阻R=
6、2 。,I,（2）由图可知，电压源Us与电流I为非关联参考方向，其余元件为关联参考方向。,电源功率 Ps=-UsI= -20V4A= -80W(0负载) 电阻功率 PR= URI= 8V4A= 32W(0负载),例2：电路如图所示，U1=14V， I1=2A， U2=10V， I2= 1A， U3=-4V， I4=-1A，求各方框电路中的功率，并说明是吸收功率还是发出功率。,解：各方框电路的功率为：,功率平衡,方框1发出功率，其余吸收功率,1.3 电阻、电感和电容,伏-安特性： u=R i （u，i关联）,线性电阻,非线性电阻,伏-安特性曲线：,1. 电阻元件,单位： （欧） （Ohm，欧姆）
7、,当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。,SI制中，一些常用的十进制倍数的表示法：,符号 T G M k c m n p 中文 太 吉 兆 千 厘 毫 微 纳 皮 数量 1012 109 106 103 102 103 106 109 1012,功率关系:,说明电阻总是吸收功率，是负载，是耗能元件,即时性：电压电流都可以发生跃变,额定值：表示电气设备正常工作条件和工作能力的值 额定状态：实际值额定值。不要过载或欠载,描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。,(1) 物理意义,2 电感元件,线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近的介质的导磁性能等有关。,自感电动势：,eL具有阻碍电流变
8、化的性质,根据基尔霍夫定律可得：,在直流电路中，电感相当于短路.,说明2：电感元件中t时刻电流与以往各时刻的电压都有关系，电感元件具有记忆功能，是记忆元件,(2) 电感元件储能,将上式两边同乘上 i ，并积分，则得：,即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。电感元件是储能元件，不消耗能量。,磁场能,3 电容元件,描述电容两端加电源后，其两个极板 上分别聚集起等量异号的电荷，在介质 中建立起电场，并储存电场能量的性质。,电容：,电容器的电容与极板的尺寸及其间介质的介电常数等关。,当电压u变化时，在电
9、路中产生电流:,（单位：F, F, pF）,在直流电路中，电容相当于断路.,说明2：电容元件中t时刻电压与以往各时刻的电流都有关，所以电容元件有记忆功能，是记忆元件,电容元件储能,将上式两边同乘上 u，并积分，则得：,即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。电容元件是储能元件，不消耗能量。,电场能,根据：,则i（2）-0.5A,t 2s时，u0V，,解：由图可知，u为分段函数，求i应分段积分,0t 1s时，u1V，,1t 2s时，u-2V，,则i（1）0.5A,本例目的：熟悉元件的伏安关系，体会元
10、件的记忆功能,电感 L,电容 C,电阻 R,u，i均可跃变,i不能跃变,u不能跃变,元件,电压电流关系,参数定义,能量,耗能元件,储能元件,储能元件,其他,电阻R,短路（u0）,开路（i0）,直流特性,无源元件特性小结,伏安特性:（外特性）,模型：电动势E串联内阻Rou,工作分析,RL，即空载，I=0,U=E,E,伏安特性曲线:,0RL,UE,差值降在内阻上,RL0，即短路，,Ist,IstIN,不允许,1.4 电压源和电流源一、电压源：为外电路提供电压,E,理想,特点：输出电压U不变，其值恒等于电动势。 即 U E；,电源电流I由外电路决定。,Rou越小,斜率越小,Rou= 0，特性曲线与横
11、轴I平行,此时的电压源为理想电压源 或恒压源，模型为：,实际电压源由恒压源与内阻串联而成,当R1 R2 同时接入时： I=10A,当IS=1A的电流源接入时：I=-1A,本例目的：熟悉并体会恒压源的特点,模型：电激流IS并联内阻Roi,伏安特性（外特性）,工作分析,RL0，短路，IIS,U=0,外特性曲线:,RL，空载，,0RL, IIS,差值分流在内阻上,Is,UocISRoiUN不允许,Uoc,二、电流源：为外电路提供稳定电流,特点：输出电流I不变， 其值恒等于电激流 即 I Is ；,输出电压U由外电路决定。,Roi越大,曲线越陡,Roi= ，特性曲线与纵轴平行,此时的电流源为理想电流源
12、 或恒流源，模型为：,实际电流源由恒流源与内阻并联而成,理想,R=10 时， U =10 V,当R=1 时， U =1 V,当又有E=5V的电压源接入时，U=E=5V,本例目的：熟悉并体会恒流源的特点,开关S闭合后图示各电压电流有无变化，如何变化？,解：Is不变,则I1不变，U1不变,R1,a,b,U3,S闭合后：R2与R3并联，其等效电阻减小，故U2 减小,U3U1+U2 也减小,各量如何变化?,基尔霍夫定律是电路分析的基本定律，包括 基尔霍夫电流定律（KCL），反映电路中支路电流间的约束关系。 基尔霍夫电压定律（KVL），反映电路中某回路中电压间的约束关系。,1.5 基尔霍夫定律,1. 5
13、 基尔霍夫定律,支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,例1：,支路：ab、bc、ca、bd、da、cd （共6条）,回路：abda、abca、 adbca、bcdb、acda、acdba、adcba （共7 条）,结点：a、 b、c、d (共4个）,网孔：abd、 abc、bcd （共3 个）,KCL应用于结点，KVL应用于回路。,1.5.1 基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律,即: 入= 出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。, 实质: 电流连续性的
14、体现。,或: = 0,对结点 a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,KCL定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,2推广,I =?,例:,广义结点,I = 0,IA + IB + IC = 0,若以流向结点的电流为负， 背向结点的电流为正，则根据 KCL，结点 a 可以写出,I1 I2 + I3 + I4 = 0,例 : 下图中若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。,9 ( 2) + I3 + 8 = 0,解,把已知数据代入结点 a 的KCL方程式，有,式
15、中的正负号由 KCL 根据电流方向确定,由电流的参考方向与实际方向是否相同确定,I3 电流为负值，是由于电流 参考方向与实际方向相反所致。,I3 = 19 A,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,1.5.2 基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即： U = 0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,基尔霍夫电压定律（KVL） 反映了电路
16、中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,1列方程前标注回路循行方向；,电位升 = 电位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2应用 U = 0列方程时，项前符号的确定： 如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,3. 开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,例1：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,对回路 adbca，沿逆时针方向循行：, I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0,应用 U = 0列方程,对回路 cadc，沿逆时针方向循行：, I2 R2 I1 R1 + E = 0,U1 + U2 U
