1电路的基本概念和定律

《1电路的基本概念和定律》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1电路的基本概念和定律（193页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章 电路的基本概念和定律,本章从建立电路模型、认识电路变量等最基本的问题出发，重点讨论理想电源、欧姆定律、基尔霍夫定律、电路等效等重要概念。,1.1 电路模型,1.2 电路变量,1.3 欧姆定律,1.4 理想电源,1.5 基尔霍夫定律,1.6 电路等效,1.7 实际电源的模型及其互换等效,1.8 电阻、电路互换等效,1.9 受控源,1.10 小结,本章主要内容,要求深刻理解与熟练掌握的重点内容有：1理想元件与电路模型概念，线性与非线性的概念。2电压、电流及其参考方向的概念。3欧姆定律、基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。4分压、分流、功率的计算。 5. 等效的概念 电源

2、的等效变换、电阻的Y变换。,本章重点,图 1.1-1手电筒电路,1.1 电路模型,1.1.1 实际电路组成与功能,实际电路不可缺少 的3个组成部分, 是提供电能的能源， 简称电源, 是用电装置，统称其为负载, 是连接电源与负载传输电能的金属导线，简称导线,实际电路是由电阻器、电容器、线圈、变压器、二极管、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路。,一、实际电路组成,放大器,2、实现信号的传递和处理,降压变压器,发电机,1、电能的传输、分配与转换,电力系统中的输电电路,扩音器,二、电路的功能,电源: 提供电能的装置,负载: 取用电能的装置,中间环节：传递

3、、分配和控制电能的作用,1、实际元件：组成实际电路的元件。2、理想元件：将实际元件理想化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素。,电阻 R电感 L电容 C,电压源电流源,3、电路模型：由一些理想电路元件所组成的电路。,1.1.2、电路模型,实际电路由各种作用不同的电路元件或器件所组成且电路元件种类繁多，电磁性质复杂。为了便于对实际复杂问题进行研究，常常采用一种“理想化”的科学抽象方法，即把实际元件用足以反映其电磁性能的一些理想电路元件或其组合来表示,构成实际部件的电路模型。理想的电路元件是具有某种确定的电磁性质的假想元件。常见理想元件的符号如图1.1-2所示。,图1.1-2 理想

4、电路元件的符号,(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 (既不贮藏电能，也不贮藏磁能)；理想电容元件只贮藏电能 (既不消耗电能，也不贮藏磁能)；理想电感元件只贮藏磁能 (既不消耗电能，也不贮藏电能)。理想电路元件是一种理想的模型，实际中并不存在。,(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， 它的模型也可以有不同的形式 。,图1.1-3 实际电感元件在不同应用条件下之模型,电路的电路模型图

5、:将实际电路中各个部件用其模型符号表示,这样画出的图称作为实际电路的电路模型图。,实际电路部件的运用一般都和电能的消耗现象及电、磁能的贮存现象有关，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)称为集总参数元件，简称为集总元件。由集总元件构成的电路称为集总参数电路。,集总参数元件与集总参数电路,用集总参数电路模型来近似地描述实际电路是有条件的，它要求实际电路的尺寸l(长度)要远小于电路工作时电磁波的波长, 即,一般电路如果不是集中参数电路,都可以归纳为分布参数电路. 集中参数模型

6、中模型的各变量与空间位置无关，分布参数模型中至少有一个变量与空间位置有关，参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同。这说明分布参数电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。 远距离的高压电力传输线即是典型的分布参数电路 ，因50赫芝的电流 、电压其波长虽为 6000 千米，但线路长度达几百甚至几千千米，已可与波长相比。通信系统中发射天线等的实际尺寸虽不太长，但发射信号频率高、波长短 ，也应作分布参数电路处理。,例 已知电磁波的传播速度 v=3105 km/s,在电路中需要分析研究的物理量主要是电流、电压和电功率这3个，其中电流、电压是电路中的基本物理量。,1.2

7、 电路变量,图 1.2-1 电流形成示意图,电荷有规则的定向运动，形成传导电流。,1.2.1 电流,电流，虽然人们看不见摸不着它，但可通过电流的各种效应(譬如磁效应、热效应)来感觉它的客观存在。-电流是客观存在的物理现象。 电流强度-单位时间内通过导体横截面的电荷量。 电流强度用i(t)表示， 即,电流大小的量度电流强度,图 1.2-2 电流强度定义说明图,若dq(t)/dt为常数， 即是直流电流，常用大写字母I表示。 电流强度的单位是安培(A)， 简称“安”。常用千安(kA)、毫安(mA)、 微安(A)作电流强度单位。它们之间的换算关系是,如果电流的大小和方向均不随时间变化而变化，这种电流称

8、为恒定电流，简称直流电流。直流电流通常用大写字母I表示， 随时间变化的电流一般用小写字母i 表示,通常称为时变电流，若时变电流的大小和方向随时间作周期性变化且平均值为零称为交流电流。 完整地表示电路中的电流应该既有电流的大小又要有其方向。在分析和计算电路时引入了一个重要的概念电流的参考方向。,电流不但有大小，而且有方向。规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。 电流参考方向：任意选定的一个方向作为电流的参考方向，用箭头标在电路图上。今后若无特殊说明，就认为电路图上所标箭头是电流的参考方向。, 用箭头表示,电流参考方向的两种表示：,电流的参考方向是任意设定的，在电路图中一般用箭头表示。分析计算电路

9、时，首先应设定电路中各个电流的参考方向，并在电路图上标出。若计算结果为正值，则表示电流的实际方向与参考方向一致；若电流为负值，则表示实际方向与参考方向相反。下图表示了电流的实际方向与参考方向的联系。,电流的实际方向和参考方向的联系,图 1.2-3 桥形电路,为什么要引入参考方向 ？,复杂电路的某些支路 事先无法确定实际方向。,电流 (current)小结,3. 电流的参考方向,(1) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时，任意假设的。,(2) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向” (即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程 计算。缺少“参考方向

10、”的物理量是无意义的。,提示,图 1.2-4 直流电流测试电路,在实际电路中测量电流时电流表的正确接法电流表串联接入在待测支路里。（注意：测直流电流时电流表的正负极的正确接法）,1.2.2 电压,两点之间的电位之差即是两点间的电压。从电场力做功概念定义，电压就是将单位正电荷从电路中一点移至电路中另一点电场力做功的大小，如图 1.2-5 所示。用数学式表示，即为,图 1.2-5 定义电压示意图,电路中某点之电位，是将单位正电荷沿电路所约束的路径移至参考点时电场力所做功的大小。,一、电位、电压的定义,式中dq为由a点移至b点的电荷量，单位为库仑(C); dw是为移动电荷dq电场力所做的功，单位为焦

11、耳(J)。电位、电压的单位都是伏特(V), 1V电压相当于为移动1C正电荷电场力所做的功为1J。 从电位、电压定义可知它们都是代数量，因而也有参考方向问题。电路中，规定电位真正降低的方向为电压的实际方向。 为分析电路方便起见，一般在电路中任选一点为参考点，令参考点电位为零，则电路中某点相对于参考点的电压就是该点的电位。,规定电位真正降低的方向为电压的实际方向。在电路分析中也可选取电压的参考方向。以后如无特殊说明，电路图中“+”、 “-”标号就认为是电压的参考方向。 在分析电路时电压和电流参考方向的选择是独立无关的，但为了方便分析问题，常常把两者的参考方向选择为一致，即选取成关联参考方向。,图

12、电压参考方向的表示法,电压大小、方向均恒定不变时为直流电压，常用大写U表示。对直流电压的测量，是根据电压的实际方向，将直流电压表并联接入电路，使直流电压表的正极接所测电压的实际高电位端，负极接所测电压的实际低电位端。,图 1.2-6 直流电压测量电路,在实际电路中测量电压时电压表的正确接法电压表并联在待测支路里两端。,Uab=5V,Ubc=-3V,1. 电压 (voltage)：电场中某两点A , B间的电压(降)UAB 等于将单位正电荷q从A点移至B点电场力所做的功 WAB,，即,单位名称：伏(特) 符号：V（Volt） mV V,电压 (voltage)小结,3. 电压参考方向的三种表示方

13、式,取电路中的任意一点（O点），设该点的电位为零，称O点为参考点。则电路中一点A到O点的电压UAO称为A点的电位，记为VA 。单位 V(伏)。,返回首页,4、电位,例1.2-1 如图 1.2-7(a)所示电路，若已知2s内有4C正电荷均匀的由a点经b点移动至c点，且知由a点移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J。 (1) 标出电路中电流参考方向并求出其值，若以b点作参考点(又称接地点)，求电位Va、Vb、Vc, 电压Uab、Ubc。 (2) 标电流参考方向与(1)时相反并求出其值，若以c点作参考点，再求电位Va、Vb、Vc, 电压Uab、Ubc。,图 1.2-7 例 1.

14、2-1 用电路,解 (1) 设电流参考方向如(b)图所示，并在b点画上接地符号。依题意并由电流强度定义得,由电位定义，得,(b点为参考点),题目中已知4C正电荷由b点移动至c点电场力做功12J，本问是以b为参考点求c点电位，就是说，若将4C正电荷由c点移动至b点，电场力做功应为-12J，所以计算c点电位时算式中要用-12。应用电压等于电位之差关系，求得,(2) 按题目中第2问要求设电流参考方向如(c)图，并在c点画上接地符号。由电流强度定义，得,电位,(c为参考点),所以电压,(1) 电路中电流数值的正与负与参考方向密切相关，参考方向设的不同，计算结果仅差一负号。(2) 电路中各点电位数值随所

15、选参考点的不同而改变，但参考点一经选定，那么各点电位数值就是唯一的，这就是电位的相对性与单值存在性。(3) 电路中任意两点之间的电压数值不因所选参考点的不同而改变。,重要结论,单位时间做功大小称作功率，或者说做功的速率称为功率。在电路问题中涉及的电功率即是电场力做功的速率，以符号p(t)表示。功率的数学定义式可写为,式中dw为dt时间内电场力所做的功。功率的单位为瓦(W)。 1瓦功率就是每秒做功 1 焦耳，即1W = 1J/s。,1.2.3 电功率,电功率电路中，单位时间内电路元件的能量变化用功率表示。 即：元件吸收或发出的功率等于元件上的电压与电流之积。直流电路的这一公式写为元件类型判别：当、参考方向一致时， 该元件是负载；当、参考方向相反时， 该元件是电源。,有时，要计算一段电路产生功率(供出功率)，无论u，i参考方向关联或非关联情况，所用公式与计算吸收功率时的公式恰恰相反。,图 1.2-8 电压电流参考方向非关联情况,例1.2-2图 1.2-9 所示电路，已知i=1A, u1=3V, u2=7V, u3=10 V, 求ab、bc、ca三部分电路上各吸收的功率p1, p2, p3。 解 对ab段、bc段，电压电流参考方向关联，所以吸收功率,对ca段电路，电压电流参考方向非关联，所以这段电路吸收功率,