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1、2019/1/25,1,任课教师：魏佩瑜教授 电工电子教研室,电工技术,2019/1/25,2,第1章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路的作用与组成部分,1.2 电路模型,1.3 电路的基本物理量,1.4 电路的基本元件,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.6 基尔霍夫定律,1.7 电路中电位的概念及计算,2019/1/25,3,本章要求: 1.熟练掌握电压与电流参考方向的意义； 2. 熟练掌握电路的基本定律并能正确应用； 3. 熟练掌握电路元件的VCR(或VAR)； 4. 了解电路的有载工作、开路与短路状态，掌握 电功率和额定值的意义； 5. 会计算电路中各点的电位。,第1章 电路的
2、基本概念与基本定律,2019/1/25,4,1.1 电路的作用与组成部分,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,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。,还可以实现测量、自动控制和贮存信息等,1.1.1 电路的作用,2019/1/25,5,1.1.2 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,2019/1/25,6,直流电源: 提供能源,负载,信号源: 提供信息,1.1.2 电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应
3、。,信号处理： 放大、调谐、检波等,电路种类繁多，但都基于同一个理论，即电路理论。,2019/1/25,7,1.2 电路模型, 电路模型：由反映实际电路部件主要电磁性质的理想电路元件及其组合而组成。,理想电路元件：有某种确定的电磁性能的理想元件。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件、电压源和电流源元件等。,电路图(模型),实际电路,电气原理图,2019/1/25,8,手电筒的电路模型,电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；,灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；,筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,
4、今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,2019/1/25,9,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,电流：带电粒子有规则的定向运动。,1.3.1 电流,i(t),=,del,lim,t0,q(t),t,dq(t),dt,电流强度：单位时间内通过导体横截面的电荷量。,单位：A (安)、kA、mA、 A,1kA=103A， 1mA=10-3A ， 1A=10-6A,1.3 电路的基本物理量,2019/1/25,10,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能：,方向：正
5、电荷的运动规定为电流的实际方向,问题：对于复杂电路,实际方向,实际方向,电路中的电流随时间变化,电流的实际方向往往很难事先判断。,2019/1/25,11,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。一般用箭头表示。,参考方向,电流的参考方向与实际方向的关系,参考方向,参考方向,实际方向,参考方向,实际方向,i0,i0, 表明：电流(代数量)有大小和方向(正负)。,i,参考方向也可以用双下标表示：如 iAB。,iAB,电流的参考方向由A指向B。,2019/1/25,12,1. 电压U：单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功(W)的大小。,1.3.2. 电压与电动势,U,del,d
6、W,dq,实际电压方向：电位真正降低的方向。,单位： V (伏)、kV、mV、V,电压：两点间的电位差。,电位V：单位正电荷q 从电路中一点移至参考点(V=0)时电场力做功的大小。,2019/1/25,13,假设高电位指向低电位的方向。,问题：在复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。,电压(降)的参考方向(或参考极性),u0,u0,2019/1/25,14, 电压参考方向的三种表示方式：,(1)用箭头表示,(2)用正负极性表示,(3)用双下标表示,2019/1/25,15,元件或支路的 u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为
7、非关联参考方向。,关联参考方向,关联参考方向,非关联参考方向,B 关联参考方向,A 非关联参考方向,问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？,2019/1/25,16, 注意,分析电路前必须选定电压和电流的参考方向； 参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号)，在计算过程中不得任意改变； 参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。,2. 电动势：电源力把单位正电荷q 从电源的负极经电源内部移至正极做功(W)的大小。,方向：由低电位指向高电位。,单位与电压相同。,2019/1/25,17,1.3.3 电功率,当电流通过电炉和灯泡时，能使它们生热、发光。
8、,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特)，kW、mW等。,(1) 电功率,单位时间内电场力所做的功。,p =,dw,dt,u =,dw,dq,i =,dq,dt,p =,dw,dt,=,dw,dq,dq,dt,= ui,不仅适用于一个元件，也适用于任何一段电路。,计算公式 p = ui,这说明电源提供的能量能通过负载转换为其他种不同形式的能量。,2019/1/25,18,(2) 电路吸收或发出功率的判断, u、i 取关联参考方向：,p = ui 表示元件吸收的功率。,p0，吸收正功率。,p0，吸收负功率。,(实际吸收),(实际发出), u、i 取非关联参考方向：,p = ui 表示元件发出
9、的功率。,p0，发出正功率。,p0，发出负功率。,(实际发出),(实际吸收),2019/1/25,19,例：求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。已知：,解：,U1=1V，U2= -3V， U3=8V，U4= -4V， U5=7V，U6= -3V， I1=2A，I2=1A，I3= -1A,P1发=U1I1=12 =2W；,P2吸=U2I1=(-3)2 = -6W,P3吸=U3I1=82=16W；,P4吸=U4I2=(-4)1 = -4W,P5吸=U5I3=7(-1) = -7W；,P6吸=U6I3=(-3)(-1) = 3W, 对一完整电路，满足：发出的功率吸收的功率,2019/1/
10、25,20,1.4 电路的基本元件, 注意： 如果表征元件特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。,是电路中最基本的组成单元。,电路元件,5种基本的理想电路元件,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,电压源和电流源：,表示将其它形式的能量转变成电能的元件。,2019/1/25,21,1.4.1 电阻元件,2. 线性电阻元件,电阻元件：对电流呈现阻力的元件。,任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。,1. 定义,其特性可用ui平面上的一条曲线来描述：,f(u,i) = 0,伏安特性,电路(图
11、形与文字)符号,2019/1/25,22,u、i 的关系,在任何时刻，都服从欧姆定律。,R 称为电阻，是一个正实常数。,i,=,u,R,或 u = Ri,若 u、i 取关联参考方向,则,R 的单位,伏安特性为一条过原点的直线。,令 G,=,1,R,则 欧姆定律变成：i = G u,G 称为元件的电导，单位是S(西)。,u用 V，i用A时， R为 W 。,2019/1/25,23, 注意,说明线性电阻是无记忆、双向性的元件；,只适用于线性电阻 (R 为常数)；,欧姆定律写为,u - R i,公式和参考方向必须配套使用！,欧姆定律,如果电阻上的电压与电流参考方向非关联，公式中应冠以负号。,or i
12、 - G u,R和G都是电阻元件的参数。,2019/1/25,24,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。,对图(b)有, U = IR,电流的参考方向 与实际方向相反,电压与电流参 考方向相反,2019/1/25,25,3. 功率与能量,功率：u和 i 取关联参考方向时,所以线性电阻是无源元件，总是耗能的。电阻元件一般是把吸收的电能转换为热能消耗掉。,p = ui,= R i2,=,u2,R,= G u2,=,i2,G,w(t) =,t,pdx,u和 i 取非关联参考方向时,p = ui,= (-Ri) i,= -,u2,R,= -Ri2,表明
13、：电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,能量：在t0到 t 时间内电阻消耗的能量,t,t0,u(x),i(x),dx,=,2019/1/25,26,不管端电压为何值，流过它的电流恒为零，称“开路”。,不管流过它的电流为何值，端电压恒为零，称“短路”。,= 0,= ,or G = 0,R, 0,= 0,= 0,or G = ,4. 电阻的开路与短路(特殊情况),2019/1/25,27,1.4.2. 电感元件,电感线圈,把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感线圈，当电流通过线圈时，将产生磁通，是一种抵抗电流变化、储存磁能的部件。,线圈通以电流 i后将产生磁通L ,若L与N匝线圈交链，则磁通链,L =
14、 N L,L和L都是由线圈本身的电,流产生的，,自感磁通链。,L与 i的参考方向成右手螺旋关系。,叫做自感磁通和,2019/1/25,28, 电感两端电压的大小与磁通的变化率成正比。,则有 u =,dL,dt,电感元件是实际线圈的理想化模型，反映了电流产生磁通和存储磁场能量这一物理现象。,当磁通随时间变化时，线圈两端就会产生感应电压。,若 u与L取关联参考方向，, u与L的参考方向成右手螺旋关系时为关联。,2019/1/25,29,1. 电感元件的定义,产生磁场，储存磁能的两端元件。任何时刻，其特性可用 i 平面上的一条曲线来描述，称韦安特性。,2. 线性电感元件,任何时刻，通过电感元件的电流
15、 i 与其磁链 成正比。 i 特性为过原点的直线。, = f (i), (t) = L i(t),L是一个正实常数，即电感或自感系数。,韦安特性：,韦安特性,2019/1/25,30,单位,线性电感元件的图形符号,Y 的单位用Wb，i的单位用A，L的单位就是H。, (t) = L i(t),常用mH，mH表示：,1H=103mH=106mH。,空心电感,磁心电感,磁心连续可调,带固定抽头,步进移动触点,文字符号或元件参数： L,2019/1/25,31,3. 伏安关系, i与 u为关联参考方向， i与L,把YL = Li 代入,u =,dL,dt,u = L,di,dt,成右手螺旋关系。,电感
16、电压 u 的大小取决于 i 的变化率，与 i 的大,小无关，电感是动态元件；,当 i为常数(直流)时，u=0，电感相当于短路；,实际电路中电感的电压u为有限值，则电感电流,i 不能跃变，必定是时间的连续函数。, 该式表明：,电感元件VCR的微分关系。,2019/1/25,32,电感元件伏安关系的积分形式,i =,L,1,-,t,u dx,=,L,1,-,t0,u dx,+,L,1,t0,t,u dx,i = i(t0) +,某一时刻的电感电流值与-到该时刻的所有电压值有关，即电感元件有记忆电压的作用，电感元件是记忆元件。,研究某一初始时刻 t0 以后的电感电流，不需要了解 t0 以前的电流，只需知道 t0 时刻开始作用的电压 u 和 t0时刻的电流 i(t0)。,积分形式为
