电路元件和电路定律.pptx

电路元件和电路定律,引 言,课程的意义,工程意义；,理论电工,路,场,电路,磁路,集中参数电路,分布参数电路,分析,综合,课程的性质和地位,电类专业的技术基础课,学习内容,学习方法,参考书,理论意义,1.电压、电流的参考方向,3.基尔霍夫定律,重点,：,第1章 电路元件和电路定律,(circuit elements,),(circuit laws),2.电路元件特性,1.1 电路和电路模型（model),1.实际电路,功能,a 能量的传输、分配与转换；,b 信息的传递与处理。,共性,建立在同一电路理论基础上,由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。,反映实际电路部件的主要电磁,性质的理想电路元件及其组合。,导线,电池,开关,灯泡,2.电路模型,(circuit model),电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件,电路模型,几种基本的电路元件：,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,电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,注,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，,在一定条件下可用同一模型表示；,同一实际电路部件在不同的应用条件下，其,模型可以有不同的形式,例,3.集总参数电路,由集总元件构成的电路,集总元件,假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行,集总条件,注,集总参数电路中,u、i,可以是时间的函数，但与空间坐标无关,1.2 电流和电压的参考方向,(reference direction),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。,1.电流的参考方向(current reference direction),电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=10,3,A,1mA=,10,-3,A,1,A=10,-6,A,A（安培）、kA、mA、,A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,实际方向,实际方向,A,A,B,B,问题,复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断,参考方向,i,参考方向,大小,方向,电流(代数量),任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,A,B,i,参考方向,i,参考方向,i,0,i,0,实际方向,实际方向,电流的参考方向与实际方向的关系：,A,A,B,B,电流参考方向的两种表示：,用箭头表示：箭头的指向为,电流的参考方向。,用双下标表示：如,i,AB,电流的参考方向由A指向B。,电压,U,单位：V(伏)、kV、mV、,V,2.电压的参考方向(voltage reference direction),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,电位,单位正电荷,q,从电路中一点移至参考点,（,0）,时电场力做功的大小,实际电压方向,电位真正降低的方向,例,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J，,(1)若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压U,ab,、U,bc,;,(2)若以c点为参考点，再求以上各值,a,c,解,b,(1),以b点为电位参考点,a,b,c,解,(2),电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中,各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时，,电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。,结论,以c点为电位参考点,问题,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,U,0,参考方向,U,+,+,实际方向,+,实际方向,参考方向,U,+,U,假设的电压降低方向,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,U,U,+,A,B,U,AB,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,非关联参考方向,。,关联参考方向,非关联参考方向,3.关联参考方向,i,+,-,+,-,i,U,U,注,(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向,。,(2),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。,（3）,参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际,方向不变。,例,A,B,A,B,i,U,电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？,答：A 电压、电流参考方向非关联；,B 电压、电流参考方向关联。,1.3 电路元件的功率(power),1.电功率,功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特),能量的单位：J (焦)(Joule，焦耳),单位时间内电场力所做的功。,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,P,0,吸收正功率 (实际吸收),P,0,发出正功率 (实际发出),P,0,，,d,u,/d,t,0,，则,i,0，,q,，,p0,电容吸收功率。,当电容放电，,u,0，d,u,/d,t,0,，则,i,0，,q,，,p,0,，,d,i,/d,t,0,，则,u,0，,，,p0,电感吸收功率。,当电流减小，,i,0，d,i,/d,t,0,，则,u,0，,，,p,0,电感发出功率。,功率,表明,电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来，在另一段时间内又把能量释放回电路，因此电感元件是无源元件、是储能元件，它本身不消耗能量。,u、i,取关联参考方向,（1）电感的储能只与当时的电流值有关，电感,电流不能跃变，反映了储能不能跃变；,（2）电感储存的能量一定大于或等于零。,从,t,0,到,t,电感储能的变化量：,电感的储能,表明,电容元件与电感元件的比较：,电容,C,电感,L,变量,电流,i,磁链,关系式,电压,u,电荷,q,(1),元件方程的形式是相似的；,(2),若把,u-i,，,q-,，,C,-L,，,i-u,互换,可由电容元件的方程得到电感元件的方程；,(3),C,和,L,称为对偶元件,、,q,等称为对偶元素。,*显然，,R,、,G,也是一对对偶元素:,I=U/R,U=I/G,U=RI,I=GU,结论,1.7 电源元件(independent source),其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其,值与流过它的电流,i,无关的元件叫理想电压源。,电路符号,1.理想电压源,定义,i,+,_,电源两端电压由电源本身决定，,与外电路无关；与流经它的电流方,向、大小无关。,通过电压源的电流由电源及外,电路共同决定。,理想电压源的电压、电流关系,u,i,伏安关系,例,R,i,-,+,外电路,电压源不能短路！,电压源的功率,电场力做功，电源吸收功率。,（1）,电压、电流的参考方向非关联；,物理意义：,+,_,i,u,+,_,+,_,i,u,+,_,电流（正电荷）由低电位向 高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。,发出功率，起电源作用,（2）,电压、电流的参考方向关联；,物理意义：,吸收功率，充当负载,或：,发出负功,例,+,_,i,+,_,+,_,10V,5V,计算图示电路各元件的功率。,解,发出,发出,吸收,满足,：,P,（发）,P,（吸）,实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,u,s,u,i,O,实际电压源,i,+,_,u,+,_,考虑内阻,伏安特性,一个好的电压源要求,其输出电流总能保持定值或一定,的时间函数，其值与它的两端电压,u,无关的元件叫理想电流源。,电路符号,2.理想电流源,定义,u,+,_,(1)电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定,理想电流源的电压、电流关系,u,i,伏安关系,例,外电路,电流源不能开路！,R,u,-,+,实际电流源的产生,可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。,电流源的功率,（1）,电压、电流的参考方向非关联；,发出功率，起电源作用,（2）,电压、电流的参考方向关联；,吸收功率，充当负载,或：,发出负功,u,+,_,u,+,_,例,计算图示电路各元件的功率。,解,发出,发出,满足,：,P,（发）,P,（吸）,+,_,u,+,_,2A,5V,i,实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。,i,s,u,i,O,实际电流源,考虑内阻,伏安特性,一个好的电流源要求,u,+,_,i,1.8 受控电源(非独立源),(controlled source or dependent source),电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是,受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源,电路符号,+,受控电压源,1.定义,受控电流源,(1)电流控制的电流源(,CCCS,),:,电流放大倍数,根据控制量和被控制量是电压,u,或电流,i,，受控源可分,四种类型：,当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被,控制量是电流时，用受控电流源表示。,2.分类,四端元件,b,i,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,输出：受控部分,输入：控制部分,g,:转移电导,(2)电压控制的电流源(,V,CCS,),u,1,g,u,1,+,_,u,2,i,2,_,i,1,+,(3)电压控制的电压源(,V,CVS,),u,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,+,-,:电压放大倍数,ru,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,+,-,(4)电流控制的电压源(,C,CVS,),r,:转移电阻,例,电路模型,3.受控源与独立源的比较,(1)独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。,(2)独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系，在电路中不能作为“激励”。,例,求：电压,u,2。,解,5i,1,+,_,u,2,_,u,1,=6V,i,1,+,+,-,3,1.9 基尔霍夫定律,(Kirchhoffs Laws),基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律 (,KCL,)和基尔霍夫电压定律(,KVL,)。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,1.几个名词,电路中通过同一电流的分支。(,b,),三条或三条以上支路的连接点称为节点。(,n,),b,=3,a,n,=2,b,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,（1）支路,(branch),电路中每一个两端元件就叫一条支路,i,3,i,2,i,1,(2)节点(node),b,=5,由支路组成的闭合路径。(,l,),两节点间的一条通路。由支路构成。,对,平面电路,，其内部不含任何支路的回路称网孔。,l,=3,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,1,2,3,(3)路径(path),(4)回路(loop),(5)网孔(mesh),网孔是回路，但回路不一定是网孔,2.基尔霍夫电流定律,(,KCL,),令流出为“+”，有：,例,在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出或流入该结点电流的代数和等于零。,流进的电流等于流出的电流,1,3,2,例,三式相加得：,表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面,明确,（1）KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任,意结点处的反映；,（2）,KCL是对支路电流加的约束，与支路上接的是,什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,（3）,KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际,方向无关。,（2）选定回路绕行方向，,顺时针或逆时针.,U,1,U,S1,+U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,0,3.基尔霍夫电压定律(,KVL,),在集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕,行，各支路电压的代数和等于零。,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,U,3,U,1,U,2,U,4,（1）标定各元件电压参考方向,U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,U,1,+U,S1,或：,R,1,I,1,+R,2,I,2,R,3,I,3,+R,4,I,4,=U,S1,U,S4,例,KVL也适用于电路中任一假想的回路,a,U,s,b,_,_,-,+,+,+,U,2,U,1,明确,（1）KVL的实质反映了电路遵,从能量守恒定律;,（2）,KVL是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,（3）,KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际,方向无关。,4.,KCL、KVL,小结：,(1),KCL,是对支路电流的线性约束，,KVL,是对回路电压的线性约束。,(2),KCL、KVL,与组成支路的元件性质及参数无关。,(3),KCL,表明在每一节点上电荷是守恒的；,KVL,是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。,(4),KCL、KVL,只适用于集总参数的电路。,思考：,i,1,=i,2,?,3.,A,B,+,_,1,1,1,1,1,1,3,+,_,2,i,2,i,1,U,A,=U,B,?,I,=0,1.,？,A,B,+,_,1,1,1,1,1,1,3,+,_,2,2.,i,1,1。,2。,+,+,-,-,4V,5V,i,=?,3.,+,+,-,-,-,4V,5V,1A,+,-,u,=?,4.,3,3,10V,+,+,-,-,1A,-,10V,I=?,10,5,.,4V,+,-,10A,U=?,2,6,.,+,-,3A,I,1,I,10V,+,+,-,-,3I,2,U=?,I=0,5,7.,5,-,+,2I,2,I,2,5,+,-,