第1章 电路基本概念和基本定律

1、长江大学长江大学 1 第第1 1章章 电路电路基本概念和基本定律基本概念和基本定律 什么是电路？电路分析研究的对象？什么是电路？电路分析研究的对象？ 电路的基本定律及应用？电路的基本定律及应用？ 电路元件及特性？电路元件及特性？ 返回主目录返回主目录 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 2 最简单的电路必须最简单的电路必须 有：有： 电源：供给能量；电源：供给能量； 负载：消耗能量负载：消耗能量 开关：控制能量；开关：控制能量； 导线：传输能量导线：传输能量 电路分类电路分类 手电筒电路手电筒电路 1、1电路和电路模型电路和电路模型 电能传输和转换：电能传输和转换：如手电筒电

2、路如手电筒电路 信号的传递和处理：信号的传递和处理：如扩音机电路如扩音机电路 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 3 电电 路路 模模 型型 l 电路元件模型：实际元件理想化电路元件模型：实际元件理想化 u在一定条件下得出；在一定条件下得出； u表征了实际元件的主要特性和表征了实际元件的主要特性和 物理现象物理现象 u是一种近似关系。如：是一种近似关系。如： l 实际电路元件不是理想的：实际电路元件不是理想的： 电池：端电压不恒定；电池：端电压不恒定； 导线：有电阻、磁场；导线：有电阻、磁场； 灯泡：有磁场；灯泡：有磁场； 开关：有接触电阻。开关：有接触电阻。 一般情况下看成

3、理想电感一般情况下看成理想电感 低频时低频时高频时高频时 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 4 1 1、2 2 电路中的基本物理量电路中的基本物理量 l 电流及其参考方向电流及其参考方向 方向：正电荷流向。方向：正电荷流向。 u为什么要用参考方向？为什么要用参考方向？ 在复杂电路中，特别是交流电路，电流的在复杂电路中，特别是交流电路，电流的 方向是随时变化的，方向是随时变化的， 电流的真实方向事先是很难确定的。需要假定一个参考方向，作为电流的真实方向事先是很难确定的。需要假定一个参考方向，作为 计算的标准。计算的标准。 u解决的方法：解决的方法：电流只有两个方向，可用正负号

4、解决。电流只有两个方向，可用正负号解决。 i 电流方向与参考方向一致；电流方向与参考方向一致； i 电流方向与参考方向相反。电流方向与参考方向相反。 u注意：注意：分析计算电路必须先设参考方向，参考方向一经设定就不可分析计算电路必须先设参考方向，参考方向一经设定就不可 随意改动。在未标出参考方向的情况下，电流的正负是毫无意义的。随意改动。在未标出参考方向的情况下，电流的正负是毫无意义的。 dt dq i 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 5 电压及其参考方向电压及其参考方向 如：如： dq dw u AB AB + _ R u A R i A5i A R i A5i A R

5、U V5U A RU V5U 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 6 关联参考方向关联参考方向 u i E I + U _ R 1 NU 2 N I E+ U _ R+ _ 1 I 2 I 3 I 非关联方向非关联方向 非关联方向非关联方向 关联方向关联方向 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 7 电位、电位差电位、电位差 l 电位：单位正电荷在电场中某一点具有的电位能。用电位：单位正电荷在电场中某一点具有的电位能。用 “V” 表示，与参考点有关。（参考点电位为零）单位：表示，与参考点有关。（参考点电位为零）单位： 伏伏 AB O A A点电位：点电位：VA

6、= VAO B B点电位：点电位： VB= VBO l 电位差：两点电位之差。电位差：两点电位之差。UAB=VA-VB （实际上是两点间电压）（实际上是两点间电压） 参考点不同，电位不同，但电位差相同参考点不同，电位不同，但电位差相同 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 8 电路的习惯画法电路的习惯画法 2 E 1 R 2 R 1 E A 2 R A 1 R 2 E 1 E 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 9 电功率和电能电能电功率和电能电能 在关联参考方向下：在关联参考方向下： 消耗功率消耗功率 发出功率发出功率 对整个网络而言，功率总是平衡的，即对整

7、个网络而言，功率总是平衡的，即 消耗功率发出功率消耗功率发出功率 在非关联参考方向下：在非关联参考方向下： 判断某元件是消耗功率还是发出功率，方法同上。判断某元件是消耗功率还是发出功率，方法同上。 0 iup 0 iup iup u i 网 络 电能：时间电能：时间T T内内吸收的能量。吸收的能量。 单位：焦耳（单位：焦耳（J J）。实际生活中采用千瓦时（）。实际生活中采用千瓦时（kWhkWh） 6 13.6 10kW hJ 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 10 图示各元件功率均为图示各元件功率均为10W(10W(吸收吸收),), 则则U=_V=_V，I=_AI=_A。

8、举举 例例 (1) (2) UV2 A2I -5-5 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 11 例例 1.2.1 已知已知I=2A,U1=4V,P2=16W,U3=6V, ,求求P1,P3,U2及整个电路及整个电路 总功率总功率. . - 1 3 2 +- + - + 1 U 2 U 3 U 1 P 2 P 3 P I 元件元件1 1电流与电压方向电流与电压方向关联关联 元件元件2 2电流与电压方向电流与电压方向非关联非关联 22 PU I 2 2 16 8 2 P UV I 11 428PUIW ( (吸收功率吸收功率) ) 元件元件3 3电流与电压方向电流与电压方向非关联

9、非关联 33 2 612PU IW ( (放出功率放出功率) ) 总功率功率P=P1+P2+P3=8+16-12=12W( (吸收功率吸收功率) ) 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 12 u 1、3电阻、电感、电容元件电阻、电感、电容元件 l 伏安关系：伏安关系： u关联参考方向下：关联参考方向下： u非关联参考方向下：非关联参考方向下： l 分类：分类： 或iRu uGi iRu R + _ u i 线性电阻线性电阻 非线性电阻非线性电阻 负电阻负电阻 i 电阻元件电阻元件 电阻吸收的功率：电阻吸收的功率： R u Rip 2 2 0 ： 耗能元件耗能元件 电电 路路

10、与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 13 电感元件电感元件 l 电感的伏安关系式电感的伏安关系式 dt id Lu L L L u L L i i l 具有存储磁场能量的元件称为电感元件具有存储磁场能量的元件称为电感元件 L i 定义：定义： 关联方向下：关联方向下： dt id Lu L L 非关联方向下：非关联方向下： 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 14 电感的贮能电感的贮能 LL iup )()( 2 1 22 L t LLL t L L t LL t L itiLidiL td dt id Litdiutpdw 电感元件也称贮能元件电感元件也称贮能元件 d

11、t id Lu L L 电感的功率：电感的功率： 电感的贮能：电感的贮能： 0)( L i令：令： 2 2 1 LL iLw 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 15 电容元件电容元件 l 电容的伏安关系式电容的伏安关系式 C u C i C dt du Ci C C l 电容器储存电荷的能力叫电容 q/u ： 电容单位：电容单位：(法拉法拉) 106F1012F(pF) 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 16 电容的贮能电容的贮能 CC iup )()( 2 1 22 C t CCC t C C t CC t C utuCudCu td dt du Cu

12、tdiutpdw 电容元件也称贮能元件电容元件也称贮能元件 dt du Ci C C 电容的功率：电容的功率： 电容的贮能：电容的贮能： 0)( C u令：令： 2 2 1 CC uCw 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 17 l作业作业: P18 1-1 下一节 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 18 1、4电压源和电流源电压源和电流源 l电压源电压源 l 理想电压源理想电压源 + - US + - u i u i 基本性质：基本性质： s s (t) (t)或或s s为定值，与为定值，与无关无关 （大小和方向）由与之相联结的外电路确定（大小和方向）由

13、与之相联结的外电路确定 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 19 I=1A 5 3A 10V10 I=3AI=6A 电压源电流大小方向由外电路决定电压源电流大小方向由外电路决定 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 20 实际电压源实际电压源( (非理想电压源非理想电压源) ) s U s R I U U I 0 IRUU ss 伏安关系伏安关系 Rs 越小，直线越平，越接近理想电压源越小，直线越平，越接近理想电压源 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 21 电流源电流源 IS + - u i u i 基本性质：基本性质： s (t)或或s

14、为定值，与无关为定值，与无关 （大小和方向）由与之相联结的外电路确定（大小和方向）由与之相联结的外电路确定 l 理想电流源理想电流源 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 22 U=30V 电流源电压大小方向由外电路决定电流源电压大小方向由外电路决定 10 3A 20 + - - 20V U=90VU=70V 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 23 实际电流源实际电流源( (非理想电流源非理想电流源) ) U I 0 IRIRU UGII s s 00 0 或 伏安关系伏安关系 G0 越小，越小，R0越大，直线越垂直，越接近理想电流源越大，直线越垂直，越接近

15、理想电流源 s I 0 R I U 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 24 电源的功率电源的功率 l 方法方法: 关联参考方向下：关联参考方向下： 非关联参考方向：非关联参考方向：- - P0吸收功率吸收功率 P0放出功率放出功率 对计算的结果对计算的结果： 例例1.4.1:1.4.1:IS=2A,US=4V, ,求求R分别为分别为4.2.1时时,电电 阻和电流源上的电压阻和电流源上的电压,并计算各元件的功率并计算各元件的功率. . UR =IR=2R I IS SUS + - R +-UR U1 + - ab c I 解解: :I=IS=2A U1 = Uac= Uab+

16、 Ubc= UR - -US= UR- -4 P1 =-IU1 =-2U1PR =I2R =4R PU =-IUS =-8W(放出功率放出功率) 当R= 4 4, U UR R =8V, U U1 1 = 4V, P P1 1 =- -8W(放出功率放出功率) P PR R = = 16W 16W 当R= 2 2, U UR R =4V, U U1 1 = 0V, P P1 1 =0W(不不吸收也不放出功率吸收也不放出功率) P PR R = = 8W 8W 当R= 1 1, U UR R =2V, U U1 1 = -2V, P P1 1 =4W(吸收功率吸收功率) P PR R = = 4

17、W 4W 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 25 1.1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 l 几个电路名词：几个电路名词： 1.支路支路; ;2.节点节点; ;3.回路回路; ;4.网孔网孔 3 4 5 6 1 i 2 i 3 i 4 i 5 i 6 i 1 2 l KCL： b k k i 1 0 对节点对节点 对节点对节点 0 321 iii 0 634 iii 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 26 n k k i 1 0 注注 意：意： KCL 是支路电流的线性约束；是支路电流的线性约束； KCL 是是“电荷守恒原理电荷守恒原理”的反映，在任一节的

18、反映，在任一节 点上，电荷不会产生或消灭，也不会积累。点上，电荷不会产生或消灭，也不会积累。 推广到推广到“广义节点广义节点”的的KCL： 1 i 2 i 3 i 4 i 5 i n i 面 闭 封 广义节点广义节点 c i a c b b i a i a i b i c i e i 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 27 例例 1A 5A 2A I=? ? 3 i 5 i 5 i5i 5A 10A 6A 3A I=？ 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 28 KVL : 注意：注意：先设回路方向，沿回路先设回路方向，沿回路 方向电压降为正，电压方向电压降

19、为正，电压 升为负升为负 n k k u 1 0 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 d 2 u 3 u b 1 u a 4 u c 0 4321 uuuu 回路：回路： 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 29 注注 意：意： KVL 是支路电压的线性约束；是支路电压的线性约束； 推广到推广到“假想回路假想回路”的的KVL： 165243 AB U V3 V5 V24 BA 例：如图所示电路中，例：如图所示电路中， 求求A、B间的电压？间的电压？ 电电 路路 与模拟与模拟 电子电子 长江大学电信学院 30 举举 例例 1.5.21.5.2 在图示电路中，已知在图示电路中，已知U1=- -2V，U2=1V，U3=4V，求电，求电 压压U4。 + U4 - + U5 - + U1 - + U3 -+ U2- 解：绕行方向，列出解：绕