電路第1章PPT

1、電電 路路n5學(xué)分學(xué)分n80學(xué)時學(xué)時n所有電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程所有電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程n理論性；工程性理論性；工程性1第一章第一章電路模型和電路定律電路模型和電路定律2 重點：重點：n1、參考方向、參考方向Reference directionn2、幾種元件的基本概念幾種元件的基本概念n3、基爾霍夫定律、基爾霍夫定律Kirchhoff s Law3難點：難點：n1、 深入理解基爾霍夫定律的重要性深入理解基爾霍夫定律的重要性n2、 靈活應(yīng)用靈活應(yīng)用L、C伏安特性分析相關(guān)的問題伏安特性分析相關(guān)的問題n3、 熟練地解決含有受控源的簡單電路計算熟練地解決含有受控源的簡單電路計算n在本章中要著重解決

2、電路問題的兩個基本約束：網(wǎng)絡(luò)拓撲約束及元件約束。n電路的狀態(tài)取決于網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)中元件或電路部分本身的特性。41-1 電路及電路模型電路及電路模型n本書研究的內(nèi)容為電路模型而不是具體的電路.n電路模型是基于設(shè)備的電磁特性用理想電路元件組建起來的n研究電路模型的電磁特性在一定精度下可以逼近原電路的電磁特性.51.1.1 電路電路1.定義：由若干電氣設(shè)備組成，能維持電流流通的路徑。2.組成：電源、用電設(shè)備（負載）、連接導(dǎo)線63.作用：n1)實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換-供電電路n2)進行電信號的加工和處理-音響的放大電路71.1.2 集總元件與集總假設(shè)集總元件與集總假設(shè) (Lumped elemen

3、t /Lumped assumption)1電路研究的理想化假設(shè)n在一定的條件下，電路中的電磁現(xiàn)象可以分別研究，電磁現(xiàn)象可以分別研究，即可以用集總元件來構(gòu)成模型集總元件來構(gòu)成模型，每一種集總元件均只表現(xiàn)一種基本現(xiàn)象，且可以用數(shù)學(xué)方法精確定義。1)1)設(shè)備的電磁特性設(shè)備的電磁特性n產(chǎn)生能量；n消耗電能；n存儲電場能量；n存儲磁場能量。82)理想電路元件理想電路元件引入原因:為了表示設(shè)備的電磁特性,定義:假想的只反映一種電磁特性的元件n理想電池元件產(chǎn)生電能；n理想電阻元件-消耗電能；n理想電容元件-存儲電場能量；n理想電感元件-存儲磁場能量。92采用“集總”概念的條件n只有在輻射能量忽略不計的情況

4、下才能采用“集總”的概念，即要求器件的尺寸遠遠小于正常工作頻率所對應(yīng)的波長。n注意:元件能否被看作集總元件取決于兩個方面：即器件的尺寸和工作的頻率。n本來在中低頻情況下可以用R、L、C等理想模型描述的器件，在高頻情況下就不再滿足集總假設(shè)。101.1.3 電路模型電路模型 有了理想電路元件，實際電路元件就可以根據(jù)它的電磁特性用理想電路元件的組合構(gòu)成。1.實際電路元件的表示如：實際的電池元件，工作時電磁特性表現(xiàn)為提供能量的同時也會發(fā)熱。可表示為理想電池元件和理想電阻元件的組合。實際的電感線圈：R E L R 112、電路模型、電路模型n定義：由理想電路元件組成的一種抽象電路，稱為實際電路的電路模型

5、，簡稱為電路。n手電筒電路的電路模型：注意：本書研究的對象是電路模型而不是實際的電路。121-2 電路變量 n描述電現(xiàn)象的基本（原始）變量為電荷和能量，為了便于描述電路狀態(tài)，從電荷和能量引入了電壓、電流、功率等電量，它們易于測量與計算。131.2.1 電流電流current1.定義： 單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。習(xí)慣上稱正電荷運動的方向規(guī)定為電流的方向。 電流定義式為14 2.符號：i (或 I ) 3.單位：安（A） 4.分類： 直流（直流（direct current，），）簡稱簡稱dc或或DC電流的大小和方向不隨時間變化，也稱恒定電流?？梢杂梅朓 表示。 交流（交流（alterna

6、ting current），），簡稱簡稱ac或或AC電流的大小和方向都隨時間變化，也稱交變電流?？梢杂梅杋 表示。151.2.2 電壓電壓voltage1.定義： a、b兩點間的電壓表征單位正電荷由a點轉(zhuǎn)移到b點時所獲得或失去的能量。其定義式為：如果正電荷從a轉(zhuǎn)移到b，獲得能量，則a點為低電位，b點為高電位，即a為負極，b為正極。2符號：u (或 U )3單位：伏特/V4.分類：直流電壓與交流電壓161.2.3 參考方向（reference direction） 1參考方向概念的引入：求解電路過程中，常常出現(xiàn)許多的未知電量（電壓或電流），其方向不能預(yù)先確定，因此需要任意選定電壓電流任意選定電

7、壓電流的方向作為其的方向作為其參考方向參考方向，以利于解題。，以利于解題。規(guī)定規(guī)定:如果電壓或電流的實際方向與參考方向一致則其值為如果電壓或電流的實際方向與參考方向一致則其值為正，若相反，則為負。正，若相反，則為負。這樣我們就可以用計算得出值的正負與原來設(shè)定的參考方向一起來確定電量的實際方向。17n2.定義n為計算電路方便，人為地任意假設(shè)電流或電壓人為地任意假設(shè)電流或電壓方向并標在電路圖中，這個方向稱為方向并標在電路圖中，這個方向稱為參考方向參考方向。n說明：說明：n1）參考方向為任意設(shè)定參考方向為任意設(shè)定，因此可能與實際方向相同也可能相反，相同則計算結(jié)果為正，相反則計算結(jié)果為負；n即有了參考

8、方向后計算結(jié)果為代數(shù)值，結(jié)果為計算結(jié)果為代數(shù)值，結(jié)果為正說明參考方向與實際方向相同，結(jié)果為負說正說明參考方向與實際方向相同，結(jié)果為負說明參考方向與實際方向相反。明參考方向與實際方向相反。182）解題時必須首先設(shè)定參考方向解題時必須首先設(shè)定參考方向，否則計算結(jié)果沒有意義。3）參考方向一旦選定則求解過程中不能任意修改。參考方向一旦選定則求解過程中不能任意修改。說明：說明：19說明：關(guān)聯(lián)參考方向說明：關(guān)聯(lián)參考方向/非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向n關(guān)聯(lián)參考方向：元件上所標的電流和電壓的參考方向相同關(guān)聯(lián)參考方向：元件上所標的電流和電壓的參考方向相同稱為關(guān)聯(lián)參考方向；反之為非關(guān)聯(lián)參考方向。稱為關(guān)聯(lián)參考方向；

9、反之為非關(guān)聯(lián)參考方向。除非已經(jīng)規(guī)定了參考方向，分析問題時一般采用關(guān)聯(lián)參考除非已經(jīng)規(guī)定了參考方向，分析問題時一般采用關(guān)聯(lián)參考方向，更符合習(xí)慣。方向，更符合習(xí)慣。3.參考方向的表示可使用箭頭或雙下標兩種表示方式。例如：1iabv201.2.4 功率功率powern1定義：單位時間內(nèi)能量的變化。n定義式為： 把能量傳輸（流動）的方向稱為功率的方向，消耗功率時功率為正，產(chǎn)生功率時功率為負。 2符號：p（ P ）3單位：瓦W21n4功率計算中應(yīng)注意若選取元件或電路部分的電壓v與電流i方向關(guān)聯(lián)計算得出的功率大于零，表示這一電路部分吸收能量，此時的p(t)稱為吸收功率；若計算的功率小于零，則表示這一電路部分

10、產(chǎn)生能量，此時p(t)稱為發(fā)出功率；若選取元件或電路部分的電壓v與電流i方向非關(guān)聯(lián)計算得出的功率大于零，表示這一電路部分產(chǎn)生能量，此時的p(t)稱為發(fā)出功率；若計算的功率小于零，則表示這一電路部分吸收能量，此時p(t)稱為吸收功率；22統(tǒng)一判斷依據(jù)功率的計算公式為：n當(dāng) 元 件 上 電 壓 電 流 為 關(guān) 聯(lián) 參 考 方 向 時 ， p(t)=ui；當(dāng)元件上電壓電流為非關(guān)聯(lián)參考方向時，p(t)=-uin此時: 若p(t)0時，則電路部分吸收能量，吸收功率；若p(t)0，則P0；說明正電阻在電路中總是吸收功率的，因此把電阻歸為無源元件。284、開路、短路n開路：電阻的端電壓為任意值，流過的電流始

11、終為零；又稱為斷路（OC)n短路：流過電阻的電流為任意值，電阻的端電壓始終為零；稱為短路（SC)291.3.2 線性理想電容元件線性理想電容元件capacitor1.定義n任何一個二端元件，如果在任意時刻的電荷量和電壓之間的關(guān)系總可以由q - u平面上的一條過原點的直線來表示，則此二端元件稱為線性理想電容元件。簡稱電容。單位：法拉F電容C表征元件儲存電荷的能力的參數(shù)，不隨電路情況變化的量。2.模型1）元件符號與圖形30n2）數(shù)學(xué)模型n q=cu 其中：q庫，u伏，稱為庫伏特性 3.VCR關(guān)系 UI關(guān)聯(lián)：ic=dq/dt=cduc/dtUI非關(guān)聯(lián)：ic=-dq/dt=-cduc/dt314. 電

12、容元件的特性分析 n由電容的伏安（電容的伏安（u-i）關(guān)系為微分關(guān)系關(guān)系為微分關(guān)系，即：。可見，電路中流過電容的電流的大小與其兩端電壓的變化率成正比，電壓變化越快，電流越大，反之越小。說明：1）電容元件為動態(tài)元件；2）電容元件隔直通交，通高（頻）阻低（頻）隔直通交，通高（頻）阻低（頻）。（i-u）的關(guān)系為積分關(guān)系的關(guān)系為積分關(guān)系。即 21)(1)()(12ttdttiCtutu由此可見，電容元件某一時刻的電壓不僅與該時刻流過電容的電流有關(guān)，還與初始時刻的電壓大小有關(guān)?？梢婋娙菔且环N “記憶”元件-記憶的變量為電壓。 32n對于任意線性時不變的正值電容，其功率為dtduCutitup)()(那么

13、從到時間內(nèi)，電容元件吸收的電能為0ttW)(21)(21022tCutCu也就是說，當(dāng) 時，電容吸收能量 ，為充電過程；當(dāng) 時，電容放出能量 ，為放電過程。無論吸收還是放出能量，線性理想電容元件沒有能量無論吸收還是放出能量，線性理想電容元件沒有能量的消耗，所以歸為無源元件。的消耗，所以歸為無源元件。 0W0W5.功率分析336.總結(jié)： 電容為儲能元件，并不消耗電能; 電容為電壓記憶元件，其電壓與初始值有關(guān); 電容為動態(tài)元件，其電壓電流為積分關(guān)系; 電容為電壓慣性元件,即電流為有限值時,電壓不能躍變; 電容元件隔直通交，通高阻低;341.3.3 電感元件inductor 1.定義任何一個二端元件

14、，如果在任意時刻的磁通鏈和電流之間的關(guān)系，可以用由自感磁通鏈-電流（-i）平面上的一條過原點的直線來表示，則此二端元件稱為線性理想電感元件。單位：亨利H2.模型1)元件符號與圖形 L i + u -圖圖 1-11 線 性 電 感 元 件 L 所 有 t i 圖圖 1-12 線線性性非非時時變變電電感感2）數(shù)學(xué)模型 = L i 其中： ：韋伯，i-：安培，關(guān)系曲線稱為韋安特性。353.線性電感的伏安特性 ui關(guān)聯(lián)：線性電感的VCR關(guān)系為：。 ui非關(guān)聯(lián)：線性電感的VCR關(guān)系為：。dtdiLudtdiLu -36（1）由電感元件的VCR可見，電路中電感兩端的電壓的大小與流過它的電流的變化率成正比，

15、電流變化越快，電壓越高反之,-?？梢缘贸鼋Y(jié)論：電感元件也是一種動態(tài)元件，它的特性為通直隔交，通低頻阻高頻通直隔交，通低頻阻高頻。（2）而（i- u ）關(guān)系為積分關(guān)系。即如果取初始時刻t1，可以得出結(jié)論：電感元件某一時刻流過的電流不僅與該時刻電感兩端的電壓有關(guān)，還與初始時刻的電流大小有關(guān)。可見電感也是一種“記憶”元件。-記憶的是電流21)(1)()(12ttdttuLtiti4.電感元件的特性分析37dtdiLu5.功率分析對于任意線性時不變的正值電感，其功率為那么從到時間內(nèi)，電容元件吸收的電能為dtdiLititup)()(0tt)()(000)( )()( )( )( )(titittttd

16、iidddiLidiuW)(21)(21022tLitLi也就是說，當(dāng)時，電感吸收能量，為充電過程；當(dāng)時，電感放出能量 ，為放電過程。0W0W386.總結(jié)：n電感為儲能元件，并不消耗電能；n電感為電流記憶元件，其電流與初始值有關(guān)；n電感為動態(tài)元件，其電流電壓為積分關(guān)系；n電感為電流慣性元件，即電壓為有限值時，電流不能躍變；n電感元件通直隔交，通低阻高。39例題例題 )(Ai 1 t (s) 0 1 2 -2已知已知 ，流過該電容的電流波形如下圖所示，求初始電壓為0V時求：求：1波形23時的儲能)(tu)(tp，sst2140C=1F解：解： 1波形我們知道，因此可以先寫出i(t)的函數(shù)方程：)(tustststtti221100 421)(，當(dāng)時，；而st10ttdtutut01)0()(0Vu1) 1 ( )(Ai 1 t (s) 0 1 2 -241 dttiCutut010當(dāng)時，而 當(dāng)時，st2144)4(1)42() 1 ()(2121ttxxdtxututtVu04242)2(2st20000)2()(2tdtutustststttttu22110044)(2，所以，函數(shù)為：波形為：)