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1、第1章 电路基础与分析方法,1.1 电路基础知识,1.2 电路的基本元件,1.3 电路的基本定律,1.4 电气设备的额定值和电路的工作状态,1.5 电阻的连接及其等效变换,1.6 电压源与电流源的等效变换,1.7 支路电流法,1.8 节点电压法,1.9 叠加原理,1.10 戴维南定理和诺顿定理,1.11 含受控源的电路分析,1.1 电路基础知识,1.1.1 电路和电路模型,电路是电流所经过的路径。它由实际元器件按一定要求连接起来的整体。,1. 电路的功能,(1) 实现电能传输、分配与转换，称为电力电路，或称为强电电路。,(2) 实现载有信息的电信号传递和处理，称为电信电路，或称为弱电电路。,(
2、3) 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,从宏观上看，把实际工程中的电路划分为由电源、中间环节和负载三部分组成。,信号源: 提供信息,中间环节： 电信号传递与处理,负载,在电路中，电源或信号源的电压或电流又称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为电路的响应。,2电路模型,为了便于对电路分析与计算，将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,基本的理想电路元件分为两类：,（1）无源元件：,（2）有源元件：,电容元件,电阻元件,电感元件
3、,理想电压源（恒压源）,理想电流源（恒流源）,此电路由电池、灯泡、开关和连线组成。,原理电路,电路模型,例：电动车电池对灯泡供电电路。,电路网络拓扑结构基本元素有4种：,三个或三个以上电路元件的连接点称为节点。,两个元件的连接点称为“广义节点”，例：节点a、d。,两个或多个节点被（无阻导线）短路，则这些节点可以经过合并等效为一个节点，例：节点e。,节点、支路、回路和网孔。,1.1.2 电路结构的基本元素,1节点:,例：节点b、c、e。节点在电路中用实心圆点来表示。,2支路:,连接两个节点的通路。,支路bae、支路be、支路bc、支路ce、支路cde。,有源支路（也称为含源支路）：,支路bae和
4、支路cde,无源支路（不含有电源）：,支路be、支路bc和支路ce,3回路：,4网孔 ：,电路中的任何闭合路径。,其中不含有任何其他回路的闭合路径。,1,2,3,1.1.3 电路的基本物理量,1电流及其参考方向,1）电流,电荷有规则的流动就形成了电流，犹如水在水管中的流动。,电流的大小定义为:单位时间内通过导体横截面的电荷量。,直流电流量定义式,交流电流量定义式,(1)参考方向的表示方法,电流：,电压：,2) 参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,电流不仅在金属导体中可以流动，而有些液体（如电解液）或气体（日光灯管内的惰性气体被电离后）中也可以产生电流流动；再有，半导体中的带电
5、粒子（又称为载流子）自由电子和空穴当有外电场作用时，也会作定向移动，而形成电子电流和空穴电流。,(2) 实际方向与参考方向的关系,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,2电压（电压、电动势、电位）及其参考方向,1）电位,电荷在电路中的某点具有一定的电位能（或称做电势能，简称“电位”）。,电路中参考点选的不同，各点的电位值也不同。电位值是相对的。,电力工程中，电路常以大地为零电位点，用图形符号“ ”表示；电子电路中，如果电路没有接大地，通常选与电源负极相连的一条公共线作为参考“点”，该线称为“地线”，标有图形符号“”（以便与接地符号“ ”相区别）。电子电路一般有公共的
6、接壳点，通常也选它为参考点。,2）电压,电路中某点的电位等于该点到参考点的电压（或称为电位差），再加上参考点的电位。,a、b两点间的电压为,3）电动势,电动势犹如一个扬程的水泵。,4）电压的参考方向,电压的实际方向（或称为极性）是根据电场力产生电流使移动的电荷电位降低的原理，规定为从高电位点指向低电位点，也就是电位降低的方向，所以，电压又称为“电压降”或“电位降”。,为便于分析电路和列写电压有关的表达式，预先任意假设一个方向作为电压的“参考方向（极性）”，或称为“正方向”。,电压参考方向有以下3种表示方式：, 极性表示法。, 双下标表示。, 箭标指向表示。,例1-1,分别计算电路（a）、（b）
7、中各点电位和点a、d之间的电压。(注：两电路的参考点设置得不同）,解：,图（a）中，设b点为参考点，则b点电位为零，即,同理,例1-1,解：,图（b）中，设c点为参考点，则c点电位为零，即,则,结论：, 电路参考点选择不同，各点电位不同。电位值与参考点选择有关，即电位值是相对的。, 电路中两点间电压（或称为电位差）是不变的。电压值与参考点选择无关，即电压值是绝对的。,简化电路画法,在实际应用中，为了简化电路画法，常常只画出需要的部分电路，而将悬空的端点用原电路该点对参考点的极性与电位值的形式标注出来。,（原电路）,（简化电路画法）,3电功率和电能量,1）电功率,电功率反映了电气设备做功的本领。
8、,电功率的计算结果为正，表示该元件是吸收功率（或称为消耗功率），即将电能转换为其他形式的能量，该元件起负载作用；,计算结果为负，表示该元件是发出功率（或称为产生功率），即将其他形式的能量转换为电能，该元件起电源作用。,单位是瓦特（W）；,元件在电路中作用判别：,根据元件上电压与电流的实际方向来判断元件的性质,若电流实际方向是从元件实际电压极性的正极流出的，则该元件是电源；,若电流实际方向是从元件实际电压极性的正极流入的，则该元件是负载。,试举例说明：某元件既能作电源，又能起负载作用？,整个电路的功率应该平衡。,电源元件发出的功率；,负载元件吸收的功率。,或,注意：在列写功率表达式时， 若电压与
9、电流是关联参考方向，取正号； 非关联参考方向，取负号。,例1-4,在图示电路中，3个元件代表电源或负载。,计算各元件的功率，并分析电源发出的功率和负载消耗的功率是否平衡。,由实验得知,解：,元件A的电压与电流是非关联参考方向，则,表明元件A发出功率，在电路中起电源作用。,例1-4,在图示电路中3个元件代表电源或负载。,计算各元件的功率，并分析电源发出的功率和负载消耗的功率是否平衡。,由实验得知,解：,元件B的电压与电流是关联参考方向，则,表明元件B吸收功率，作为负载元件。,元件C的电压与电流是关联参考方向，则,表明元件C吸收功率，作为负载元件。,例1-4,在图示电路中3个元件代表电源或负载。,
10、计算各元件的功率，并分析电源发出的功率和负载消耗的功率是否平衡。,由实验得知,解：,所以，,元件A，电源作用，发出功率,元件B、C是起负载作用，吸收功率,可见,解：,元件A,元件B:,元件C:,整个电路功率平衡。,或,2）电能量,电气设备在工作时间内将电能转换成其他形式的能称为电流做功，或称为电功，也称为电能量。,直流电路中,或,单位是焦耳（J）；,实际工程度量中，因焦耳这个单位太小，常用小时做时间单位，千瓦做功率单位，则电能量的单位就是“千瓦小时（kWh）”。,若电气设备的功率为1千瓦（kW），使用时间为1小时（h），则耗电量为1kWh，就是常说的“1度电”，或写成,1 度电 = 1000
11、Wh = 1 kWh,千瓦小时（kWh）与焦耳（J或Ws）的换算:,例1-5,有一个电炉接在220V电源上，电流为8A，,求电炉的电功率是多少？若连续工作了6h，电炉消耗的电能量为多少？,解：,电炉的电功率,电炉消耗的电能量,例1-6,某电子厂车间使用25W电烙铁200只，每天,用电8h，每月以26天计算，试问一个月耗电多少度？若每度电0.7元，一个月应该付的电费是多少？,解：,200只电烙铁的总功率,一个月用电时数,一个月的总耗电能,度,应该支付的电费,元,1.2 电路的基本元件,1.2.1 电阻元件,（a）贴片电阻,（b）排阻,（c）色环电阻,（d）电动机启动电阻,（e）可变电阻元件的外形
12、,1电阻元件及其特性,电阻是物质对电流（或电荷流动）起阻碍作用的表征。,）。,表述这种特性的理想模型元件称为电阻元件。,在电路中，电阻元件用字母符号R表示，它既是这种元件的名称，又表示其物理量性质的电路参数，电阻的单位为欧姆（),金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关。,电路中的电阻元件分为线性电阻和非线性电阻。,阻值不随外加电流、电压改变。特性曲线在任意时刻都是过原点的直线，如电阻器；,线性电阻:,线性电阻元件的伏安特性,非线性电阻：,阻值随外加电流、电压而改变。特性曲线不是直线，如二极管特性电阻。,非线性电阻（二极管）的伏安特性,电阻的倒数称为电导，用G表示。,电导的单位为西门
13、子（S），,电导表示电流通过的难易程度。,G越大导电能力越强，所以，称之为电导 。,2电阻元件的能量,功率,电阻元件吸收的能量,表明电能全部消耗在电阻上，转换为热能散发。,1.2.2 电感元件,（a）贴片电感,（b）磁环电感,（c）磁芯电感,（d）空心电感,电感符号,1.2.2 电感元件,1电感元件及其特性,电路中的电感元件是电感线圈的理想化模型（忽略了线圈电阻和分布电容）。,电感元件用字母符号L表示，它既是这种元件的名称，又表示其物理量性质的电路参数，电感的单位为亨利（H）。,1）电感元件,电感元件的符号,描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。,（1）电感物理意义,线性电感: L为
14、常数;,非线性电感: L不为常数.,2）电感特性,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：,（2）自感电动势方向的判定,(a) 自感电动势的参考方向,规定:自感电动势的参考方向与电流参考方向相同, 或与磁通的参考方向符合右手螺旋定则。,电感元件的符号,理解为：当电流 I 减小时，线圈中感应电动势 e 有 阻止 I 减小的趋势。,(b) 自感电动势瞬时极性的判别,eL与参考方向相反,eL具有阻碍电流变化的性质,eL与参考方向相同,2. 电感元件储能,根据基尔霍夫电压定律,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
15、，WL0，磁场能增大，电感元件从电源取用电能； 当电流减小时， WL0，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。,可得：,磁场能,3. 电感元件连接,1）电感元件串联,所以，无互感的两电感串联时的等效电感为,由电感特性,设有两个无互感的电感串联。,2）电感元件并联,无互感的两电感并联时的等效电感为,由电感特性,则,设有两个无互感的电感并联。,1.2.3 电容元件,（a）贴片电容,（b）超级电容,（c）瓷片电容,（d）可调电容,（e）电力电容,电容符号,1.2.3 电容元件,1电容元件及其特性,电路中的电容元件是实际电容器的理想化模型 （忽略了电容介质的漏电电阻和分布电感 ）。,电容元件用字母符号C
16、表示 ，它既是这种元件的名称，又表示其物理量性质的电路参数，电容的单位为法拉（F）。,1）电容元件,2）电容特性,在电容两端加电源后， 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。,电容元件原理结构图,当电压u变化时，电容电流:,电容电压:,电容极板的电荷：,库仑,电容器的电容量与极板的尺寸及其间介质的介电常数等有关。,2. 电容元件储能,将上式两边同乘上 u，并积分，则得：,电容将电能转换为电场能储存在电容中。 当电压增大时，WC0，电场能增大，电容元件从电源取用电能； 当电压减小时， WC0，电场能减小，电容元件向电源放还能量。,根据：,电场能,电容是无源元件。,3.电容元件连接,1）电容元件串联,两线性电容串联时的等效电容为,设有两电容串联。,有电容特性,2）电容元件并联,两线性电容并联时的等效电容为,设有两
