电路基本概念与基本定律.ppt

第一章 电路基本概念与 基本定律 主要内容 电路基本概念 电路作用与组成、电路中的物理量、电路中的参 考方向、电路状态、理想电源 基本定律 欧姆定律、基尔霍夫定律 电位计算 电路 为了某种需要由某些电气设备或器件按 一定方式连接组合起来，构成电流的通路。 电流流通的路径。 E R + _ 电池 灯泡 电路的作用 1.实现电能的传输和转换（强电） 2.进行电信号的传递和处理（弱电） 发电机 升压变 压器 降压变 压器 电灯 电动机 电路组成 E R + _ 电源 负载 中间环节 电路中的物理量 E I RU + _ 电流 ： A（安培 ） 电荷的定向移动形成电流。数值 上等于单位时间内通过电路某一 横截面的电荷量。 电压 ： 电场中某两点A、B间的电压(降)UAB等于电场力将单位 正电荷q从A点移至B点所做的功即 V（伏特 ） 电动势： 电源力把单位正电荷从电源的低电位端经电源内部 移到高电位端所做的功。V（伏特 ） 电路中物理量的正方向 物理量的正方向： 实际正方向 假设正方向 实际正方向： 物理中对电量规定的方向。 假设正方向（参考正方向）： 在分析计算时，对电量人为规定的方向。 物理量实际正方向 物理量正方向的表示方法 电池 灯泡 Uab _ + 正负号 a b Uab（高电位在前， 低电位在后） 双下标 箭 头 Uab ab 电压 + - I R 电流：从高电位 指向低电位。 I RUab E + _ a b U + _ 物理量正方向的表示方法 I RUab + _ a b U + _ 电压的正方向箭头和正负号是等价的, 只用其中之一. I RUab a b U 电路分析中的假设正方向（参考方向） 问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？ 电流方向 AB？ 电流方向 BA？ U1 AB R U2 IR (1) 在解题前先设定一个正方向，作为参考方向； 解决方法 (3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。 (2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式； 规定正方向的情况下欧姆定律的写法 I与U的方向一致 U = IR a I R U b I与U的方向相反 U = IR a I R U b 规定正方向的情况下电功率的写法 功率的概念：设电路任意两点间的电压为 U ,流入此 部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为: IU P = 如果U I方向不一 致写法如何？ 电压电流正方向一致 a I R U b 规定正方向的情况下电功率的写法 a I R U b 电压电流正方向相反 P = UI 功率有正负？ 吸收功率或消耗功率（起负载作用） 若 P 0 输出功率（起电源作用）若 P 0 电阻消耗功率肯定为正 电源的功率可能为正（吸收功率） ，也可能为负（输出功率） 功率有正负 当 计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际 方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。 所以，从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质， 或是电源，或是负载。 结 论 在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。 当计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方 向相反，此部分电路发出电功率，为电源。 电路的工作状态 通路(有载状态)： 电源与负载接通，电路中有了电流及能量的输送和转换 。 开路： 当开关断开，电路中没有电流，没有能量的输送和转换 。 短路： 当由于某种原因而使电源两端直接搭接时。 基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电压定律 名词注释 节点：三个或三个以上支路的联结点 支路：电路中每一个分支 回路：电路中任一闭合路径 网孔：内部不含有支路的回路 支路：共3条 回路：共3个 节点：a、 b (共2个） 例 #1#2 #3 a I1 I2 U2 + - R1 R3 R2 + _ I3 b U1 网孔：#1、#2 （共2个） I3 E4 E3_ + R3 R6 + R4 R5 R1 R2 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 - 例 支路：共 ？条 回路：共 ？个 节点：共 ？个 6条 4个 独立回路：？个3个 有几个网眼就有几个独立回路 7个 基尔霍夫电流定律 对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流之和 等于由节点流出的电流之和。或者说，在任一瞬间 ，一个节点上电流的代数和为 0。 I1 I2 I3 I4 依据：电流的连续性 I =0即： 例 或： 流入为正 流出为负 电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。 例 I1+I2=I3 例 I=0 基尔霍夫电流定律的扩展 I=? I1 I2 I3 U2U3U1 + _ R R1 R + _ + _ R 广义节点 基尔霍夫电压定律 任一时刻，在电路的任一回路中，沿任意循行方向 转一周，回路中各段电压的代数和为 0。 例如： 回路#1 1 3311 URIRI=+ 电位降 电位升 即： #1 a I1 I2 U2 + - R1 R3 R2 + _ I3 b U1 对回路#2： #2 23322URI RI= + 电位升电位降 对回路#3： 12211U RIRI =+U2 电位降电位升 #3 第3个方程不独立 电位降为正 电位升为负 关于独立方程式的讨论 问题的提出：在用基尔霍夫电流定律或电压定 律列方程时，究竟可以列出多少个独立的方程？ 例 a I1 I2 U2 + - R1 R3 R2 + _ I3 #1 #2 #3 b U1 分析以下电路中应列几个电流方程？几个 电压方程？ 电流方程： 节点a： 节点b： 独立方程只有 1 个 电压方程： #1 #2 #3 221121 33222 33111 RIRIUU RIRIU RIRIU -=- += += 独立方程只有 2 个 a I1 I2 U2 + - R1 R3 R2 + _ I3 #1 #2 #3 b U1 设：电路中有N个节点，B个支路 N=2、B=3 b R1R2 U2U1 + - R3 + _ a 小 结 独立的节点电流方程有 (N -1) 个 独立的回路电压方程有 (B -N+1)个 则： （一般为网孔个数） 独立电流方程：个 独立电压方程：个 理想电源 理想电压源 理想电流源 电压源与电流源的等效变换 理想电压源 I US + _ a b Uab 伏安特性 I Uab US 特点：(1）无论负载电阻如何变化，输出电 压不变 （2）电源中的电流由外电路决定，输出功率 可以无穷大 恒压源中的电流由外电路决定 设: U=10V I U + _ a b Uab 2 R1 当R1 、R2 同时接入时： I=10A R2 2 例 当R1接入时 ： I=5A则： RS越大 斜率越大 电压源模型 伏安特性 I U US U I RS + - US RL U = US IRS 当RS = 0 时，电压源模型就变成恒压源模型 由理想电压源串联一个电阻组成 RS称为电源的内阻或输出电阻 理想电流源 特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS； a b I Uab Is I Uab IS 伏 安 特 性 （2）输出电压由外电路决定。 恒流源两端电压由外电路决定 I UIsR 设: IS=1 A R=10 时， U =10 V R=1 时， U =1 V则: 例 电流源模型 IS RS a b Uab I Is Uab I 外特性 RS RS越大 特性越陡 I = IS Uab / RS 由理想电流源并联一个电阻组成 当 内阻RS = 时，电流源模型就变成恒流源模型 恒压源与恒流源特性比较 恒压源恒流源 不 变 量变 化 量 U + _ a b I Uab Uab = U （常数） Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 Uab 无影响。 I a b UabIs I = Is （常数） I 的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 I 无影响。 输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均 由外电路决定 端电压Uab 可变 - Uab 的大小、方向 均由外电路决定 两种电源的等效变换 等效互换的条件：当接有同样的负载时， 对外的电压电流相等。 I = I Uab = Uab 即： I RS + - U b a Uab IS a b Uab I RS 等效互换公式 I RS + - U b a Uab () RIRI RIIU SSs Ssab -= -= I = I Uab = Uab 若 Uab = U IRS 则 U IRS = RIRI SSs - U = ISRSRS = RS Uab IS a b I RS 例：电压源与电流源的等效互换举例 I 2 + - 10V b a Uab 5A a b I 10V / 2 = 5A 2 5A 2 = 10V U = ISRSRS = RS IS = U / RS 等效变换的注意事项 “等效”是指“对外”等效（等效互换前后对外伏-安 特性一致），对内不等效。 (1) Is a RS b Uab I RL a US + - b I Uab RS RL IS = US / RS RS = RS 注意转换前后 US 与 Is 的方向(2) a US + - b I RS US + - b I RS a Is a RS b I a Is RS b I (3) 恒压源和恒流源不能等效互换 a b I Uab Is a US + - b I (4) 进行电路计算时，恒压源串电阻和 恒电流源并电阻两者之间均可等效变 换。RS和 RS不一定是电源内阻。 1 1 1 R U I = 3 3 3 R U I = R1 R3 Is R2 R5 R4 I3I1 I 应 用 举 例 - + Is R1 U1 + - R3 R2 R5 R4 I=？ U3 (接上页) Is R5 R4 I R1/R2/R3 I1+I3 R1 R3 Is R2 R5 R4 I3I1 I 45 4 RRR UU I d d + - = + Rd Ud + R4 U4 R5 I - (接上页) IS R5 R4 I R1/R2/R3 I1+I3 ()() 44 321 32131 / / RIU RRRR RRRIIU S d d = = += - + Is R1 U1 + - R3 R2 R5 R4 I=？ U3 代入数值计算 已知：U1=12V， U3=16V， R1=2， R2=4， R3=4， R4=4， R5=5， IS=3A 解得：I= 0.2A (负号表示实际方向与假设方向相反) - + Is R1 U1 + - R3 R2 R5 R4 I=？ U3 I4 UR4 + 计算 功率 I4 =IS+I=3 +(-0.2)=2.8A UR4 = I4 R4 =2.84=11.2V P = I UR4 =(-0.2) 11.2= - 2.24W 负号表示输出功率 R4=4 IS=3A I= 0.2A 恒流源 IS 的功率 如何计算 ? PIS= - 33.6W 10V + - 2A 2 I 讨论题 哪 个 答 案 对 ? ? ? 电位计算 节点电位的概念： Va = +5V a 点电位： a b 1 5A a b 1 5A Vb = -5V b 点电位： 在电路中任选一节点，设其电位为零（用 此点称为参考点。其它各节点对参考点的电压，便是 该节点的电位。记为：“VX”（注意：电位为单下标）。 标记）， 电位值是相对的,参考点选得不同，电路 中其它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的电压值是固定的，不会 因参考点的不同而改变。