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1、第1章电路的基本概念与基本定律本讲稿第一页，共四十六页21.李承李承 主编，电路原理与电机控制，清华大学出版社，主编，电路原理与电机控制，清华大学出版社，20081.电路理论电路理论，颜秋容主编，电子工业出版社，颜秋容主编，电子工业出版社，20102.电路电路第九版，第九版，James W.Nilsson主编，电子工业出版社，主编，电子工业出版社，20123.工工程程电电路路分分析析第第七七版版，William H.Hayt,Jr.主主编编，电电子子工工业业出出版社，版社，2011n 教材教材n 参考书参考书朝泽云，电气学院应电系，朝泽云，电气学院应电系，electric-，西三楼西三楼104
2、，87543658（823）n 任课老师任课老师本讲稿第二页，共四十六页3 考试相关n考试形式：闭卷考试考试形式：闭卷考试n答答疑疑时时间间：上上课课期期间间课课间间或或课课前前10分分钟钟，期期末不安排答疑。末不安排答疑。n成成绩绩评评定定方方式式：考考试试占占70，平平时时作作业业和和实实验验报告占报告占30。本讲稿第三页，共四十六页4 引 言n本课程的性质与任务本课程的性质与任务 学科基础课程学科基础课程 先修课程先修课程 电路理论的体系电路理论的体系 电电 路路 已已 知知激励给定激励给定响应待求响应待求re 电电 路路 未未 知知激励已知激励已知目标给定目标给定ren电路理论的内容电
3、路理论的内容 电路分析电路分析 电路综合与设计电路综合与设计 电路故障诊断电路故障诊断本讲稿第四页，共四十六页n电路分析的方法电路分析的方法 引 言n通过各种等效变换方法分析电路通过各种等效变换方法分析电路n通过列写各种电路分析方程分析电路通过列写各种电路分析方程分析电路n通过应用电路定理分析电路通过应用电路定理分析电路n电路分析解决的基本问题电路分析解决的基本问题n直流电源作用下的稳态电路直流电源作用下的稳态电路n正弦电源作用下的稳态电路正弦电源作用下的稳态电路n动态电路的暂态过程动态电路的暂态过程5本讲稿第五页，共四十六页n电路的分类：电路的分类：n线性电路与非线性电路线性电路与非线性电路
4、n时变与时不变时变与时不变(定常定常)电路电路n集总参数和分布参数集总参数和分布参数本课程研究的主要对象：本课程研究的主要对象：线性、时不变、集总参数电路线性、时不变、集总参数电路 引 言6本讲稿第六页，共四十六页n学习方法学习方法n学习本课程，要注意建立电路的基本概念。注意学习本课程，要注意建立电路的基本概念。注意相关概念的内涵和外延。相关概念的内涵和外延。n在学习电路理论在学习电路理论基本概念、原理和分析方法基本概念、原理和分析方法时，从电时，从电路模型和数学模型两方面进行分析和探讨。掌握各种分析路模型和数学模型两方面进行分析和探讨。掌握各种分析求解电路的方法。求解电路的方法。n善于归纳和
5、总结。善于归纳和总结。引 言n认真认真独立独立完成一定量的习题是学好电路理论不可或缺的环完成一定量的习题是学好电路理论不可或缺的环节。节。7本讲稿第七页，共四十六页8Chap1：电路的基本概念与基本定律：电路的基本概念与基本定律Chap2：电路中等效的问题：电路中等效的问题Chap3：电路的一般分析方法：电路的一般分析方法Chap4：线性电路的基本定理：线性电路的基本定理Chap5：电路暂态过程分析：电路暂态过程分析Chap6：正弦稳态电路分析：正弦稳态电路分析Chap7：三相电路：三相电路Chap8：周期性非正弦电路分析：周期性非正弦电路分析n 课程主要内容1、电阻性电路、电阻性电路2、动态
6、电路、动态电路3、正弦稳态电路、正弦稳态电路本讲稿第八页，共四十六页9 实验安排实验指导书实验指导书 西三楼西三楼 320 4元元周丽华周丽华 87542726转转0，13657255230实验地点：西二楼实验地点：西二楼 310实验名称热能1201、1203班 热能1202、光材1201班 实验一直流电路实验第六周周一1-2节第六周周一9-10节实验二暂态过程实验第七周周一1-2节第十周周一9-10节实验三交流电路三元件特性第八周周一1-2节第十一周周一9-10节本讲稿第九页，共四十六页10第第1章章 电路的基本概念和定律电路的基本概念和定律（3学时）学时）n电压、电流的参考方向电压、电流的
7、参考方向n电路元件特性电路元件特性n基尔霍夫定律基尔霍夫定律本讲稿第十页，共四十六页111.1 电路组成和电路模型电路组成和电路模型1.电路的组成电路的组成(1)电路电路n由由各各种种电电气气设设备备和和器器件件按按实实际际需需要要组组合合而而成成，为为电电流流的的流流通通提提供路径。供路径。n一一般般组组成成：电电源源、负负载载和和中中间间环环节节（导导线线、开开关关、继继电电器器等）。等）。电路示意图电路示意图信号源信号源负载负载中间环节中间环节导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡扬声器扬声器放放大大器器话筒话筒本讲稿第十一页，共四十六页n实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换n
8、实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理1.1 电路组成和电路模型电路组成和电路模型(2)电路的功能电路的功能1.电路的组成电路的组成(3)电路分析：在已知电路的结构和元件参数的条件下，讨论电电路分析：在已知电路的结构和元件参数的条件下，讨论电路的路的激励与响应激励与响应之间的关系。之间的关系。激励激励：将电源或信号源的电压或电流称为激励；：将电源或信号源的电压或电流称为激励；响应响应：激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应。：激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应。本讲稿第十二页，共四十六页13由实际元件抽象出来具有某种单一电磁性质的假想元件。由实际元件抽象出来具有某种单一电磁性质的假想
9、元件。电阻：电阻：表示消耗电能的元件。表示消耗电能的元件。电感：电感：表示各种电感线圈产生磁场、储存能量的元件。表示各种电感线圈产生磁场、储存能量的元件。电容：电容：表示各种电容器产生电场、储存能量的元件。表示各种电容器产生电场、储存能量的元件。（1）无源元件）无源元件1.1 电路组成和电路模型电路组成和电路模型2.理想理想电路元件电路元件（2）有源元件）有源元件电源：电源：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。uSiS理想电流源理想电流源理想电压源理想电压源本讲稿第十三页，共四十六页14n反反映映实实际际电电路路部部件件的的主主要要电电磁磁性性能
10、能的的理理想想电电路路元元件件及及其其组合。组合。1.1 电路组成和电路模型电路组成和电路模型3.电路模型路模型（简称称电路）路）本讲稿第十四页，共四十六页15注意：注意：n具具有有相相同同的的主主要要电电磁磁性性能能的的实实际际电电路路部部件件，在在一一定定条条件件下下可可用用同一模型表示；同一模型表示；n同同一一实实际际电电路路部部件件在在不不同同的的应应用用条条件件下下，其其模模型型可可以以有有不不同同的的形式。形式。例直流状态，仅消耗能量直流状态，仅消耗能量交流低频，储存磁场能量、交流低频，储存磁场能量、消耗能量消耗能量交流高频，消耗能量、储存磁交流高频，消耗能量、储存磁场能量和电场能
11、量场能量和电场能量本讲稿第十五页，共四十六页1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 1.电流（流（电流流强度）度）n单位：单位：kA（千安）、（千安）、A（安）、（安）、mA（毫安）、（毫安）、A（微（微安）安）。1kA=103A、1mA=10-3A、1A=10-6A直流直流DC 恒定电流恒定电流 I交流交流AC i周期：正弦、非正弦周期：正弦、非正弦非周期非周期n电流强度：电流强度：单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量。n表达式：表达式：本讲稿第十六页，共四十六页大小大小方向方向(正负）正负）电流电流i 0i 0电流的参考方向与实际方向的关系：电流的参考方向与实
12、际方向的关系：i 参考方向参考方向i 参考方向参考方向实际方向实际方向AABB实际方向实际方向n参考方向：任意假定的电流方向称为电流的参考方向。参考方向：任意假定的电流方向称为电流的参考方向。n方向：方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 1.电流流本讲稿第十七页，共四十六页1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 2.电压电压电压电场力移动单位正电荷由电场中的电场力移动单位正电荷由电场中的a a点到点到b点所点所做的功，称为做的功，称为a、b两点间的电压。两点间的电压。表达式：表达式：据定义据定义n单位：单位
13、：kV（千伏）、（千伏）、V（伏）、（伏）、mV（毫伏）、（毫伏）、V（微伏）。（微伏）。1kV=103V、1mV=10-3V、1V=10-6V直流直流DC 恒定直流恒定直流 Uab交流交流AC uab周期：正弦、非正弦周期：正弦、非正弦非周期非周期ab+uab -本讲稿第十八页，共四十六页191.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 2.电压n方向：规定为从高电位指向低电位的方向为实际方向。方向：规定为从高电位指向低电位的方向为实际方向。+实际方向实际方向 +参考方向参考方向 uabuab 0abab+实际方向实际方向 参考方向参考方向 +uabn参考方向：参考方向：任意假设电位降低的方向，
14、或称任意假设电位降低的方向，或称正方向正方向。本讲稿第十九页，共四十六页1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 3.两点两点间电压与与电位的关系位的关系abcd设设c点为电位参考点，则点为电位参考点，则 c=0 a=Uac b=Ubc d=UdcUac=a Udc=d Uad=a d结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。n 例：当例：当 ua=3V ud=2V时时 uad=1Vuda=1V本讲稿第二十页，共四十六页21n关关联联参参考考方方向向：元元件件或或支支路路的的u，i 采采用用相相同同的的参参考考方方向向称称之之为为关
15、关联联参参考考方向方向。反之，称为。反之，称为非关联参考方向非关联参考方向。关联参考方向关联参考方向非关联参考方向非关联参考方向i+-u1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 4.关关联参考方向与功率参考方向与功率注意：注意：(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参参考考方方向向一一经经选选定定，必必须须在在图图中中相相应应位位置置标标注注(包包括括方方向向和和符符号号），在计算过程中不得任意改变。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。参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。+-i
16、u本讲稿第二十一页，共四十六页22n电功率功率：单位时间内电场力所做的功。：单位时间内电场力所做的功。单位：单位：W(瓦瓦)、MW（兆瓦）、（兆瓦）、kW（千瓦）、（千瓦）、mW（毫瓦）（毫瓦）1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 nu，i 取关联参考方向，取关联参考方向，p=ui P0 吸收正功率吸收正功率 （实际吸收）（实际吸收）P0 吸收负功率吸收负功率 （实际发出）（实际发出）+iunu，i 取非关联参考方向取非关联参考方向,p=-ui _+iuU1=10V，U2=5V。分分别别求求电电源源、电电阻阻的的功功率。率。例4.关关联参考方向与功率参考方向与功率n功率的功率的计算与判断算
17、与判断+5 IURU1U2+p=ui p=-ui 本讲稿第二十二页，共四十六页23 一一个个二二端端元元件件，若若在在任任一一时时刻刻 t，其其两两端端电电压压和和通通过过它它的的电电流流之之间的关系可用间的关系可用u-i平面上的一条曲线来描述，则该二端元件称为电阻元件平面上的一条曲线来描述，则该二端元件称为电阻元件。任任何何时时刻刻端端电电压压与与其其电电流流成成正正比比的的电电阻阻元元件件。伏伏安安特特性为一条过原点的直线。性为一条过原点的直线。1.3 电阻元件电阻元件1.定定义2.线性性电阻阻uiRui+-满足欧姆定律：满足欧姆定律：R 称为电阻，单位：称为电阻，单位：(欧欧)(Ohm，
18、欧姆，欧姆)G 称为电导，单位：称为电导，单位：S(Siemens，西门子，西门子)G 1/R本讲稿第二十三页，共四十六页(1)电压与电流为关联参考方向电压与电流为关联参考方向i+uRu(t)=Ri(t)或或 i(t)=Gu(t)(2)电压与电流为非关联参考方向电压与电流为非关联参考方向i+uRu(t)=Ri(t)或或 i(t)=Gu(t)U=RI 或或 I=GUU=RI 或或 I=GU P吸吸 UI (RI)I I2 R U(U/R)U2/RP吸吸 UI I2R U2/R1.3 电阻元件电阻元件2.线性性电阻阻本讲稿第二十四页，共四十六页251.3 电阻元件电阻元件3.非非线性性电阻阻n普通
19、二极管普通二极管(b)二极管的特性曲线二极管的特性曲线(a)ba+u-i(b)非线性非线性 电阻电阻静态电阻静态电阻(直流电阻直流电阻)动态电阻动态电阻(交流电阻交流电阻)静态电阻与静态电阻与动态动态电阻电阻本讲稿第二十五页，共四十六页261.4 独立电源独立电源1.理想理想电压源源 n定义：定义：如果一个二端元件如果一个二端元件(一端口一端口)接到任意电路后，该元接到任意电路后，该元件的端电压件的端电压U始终保持不变，则该二端元件称为理想电压始终保持不变，则该二端元件称为理想电压源，简称源，简称“恒压源恒压源”。n电路模型及伏安特性电路模型及伏安特性US UIO(b)伏安伏安特性曲线特性曲线
20、 U US US+_IU+_任任意意外外电电路路(a)电路模型电路模型 本讲稿第二十六页，共四十六页27n理想电压源的开路与短路理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R1.4 独立电源独立电源1.理想理想电压源源（a）正常：）正常：i=uS/R（b）开路：）开路：R，i=0，u=uS（c）短路：）短路：R0，i=(1)若若R，I=0，则称电路为，则称电路为开路开路状态状态(2)若若R=0，I，则则称称电电路路为为短短路路状状态态；理理想想电电压压源源出出现故障，因此理想电压源不允许短路。现故障，因此理想电压源不允许短路。本讲稿第二十七页，共四十六页281.4 独立电源独立电源2.实际电压源源n
21、定义：定义：如果一个二端元件如果一个二端元件(一端口）接到任意电路后，该元一端口）接到任意电路后，该元件的端电压件的端电压U 随外电路负载电流的变化而变，则该二端元件称随外电路负载电流的变化而变，则该二端元件称为实际电压源，简称为实际电压源，简称“电压源电压源”。n电路模型及伏安特性电路模型及伏安特性U=US RSIUSUIO(b)伏安特性曲线伏安特性曲线US+_IU+_RS(a)电路模型电路模型 任任意意外外电电路路本讲稿第二十八页，共四十六页1.4 独立电源独立电源2.实际电压源源n理想电压源与实际电压源的关系理想电压源与实际电压源的关系(1)对实际电压源，当对实际电压源，当RS 0，有有
22、U=US，实际实际理想。理想。IUS+_U+_RL理想电压源模型理想电压源模型(2)当实际当实际电压源电压源的内阻的内阻RS RL，则，则UUS，实际电压源可实际电压源可近似视为理想电压源近似视为理想电压源.US+_IU+_RS实际电压源模型实际电压源模型 RL本讲稿第二十九页，共四十六页301.4 独立电源独立电源3.理想理想电流源流源ISUIO(b)伏安伏安特性曲线特性曲线 n定义：定义：如果一个二端元件（一端口）接到任意电路后，在任如果一个二端元件（一端口）接到任意电路后，在任意所给定的时间内，流过它的电流与它两端的电压大小无关，意所给定的时间内，流过它的电流与它两端的电压大小无关，则该
23、二端元件称为理想电流源，简称则该二端元件称为理想电流源，简称“恒流源恒流源”。n电路模型及伏安特性电路模型及伏安特性ISIU+_任任意意外外电电路路(a)电路模型电路模型 I IS 本讲稿第三十页，共四十六页311.4 独立电源独立电源3.理想理想电流源流源n理想电流源的短路与开路理想电流源的短路与开路(2)若若R，u，理理想想电电流流源源出出现现故故障障，电电路路为为开开路路状状态态。理理想想电电流流源源不不允允许许开路。开路。(1)若若R=0，I=IS，则则U=0，电流源为短路状态。，电流源为短路状态。IIsU+_R本讲稿第三十一页，共四十六页321.4 独立电源独立电源I=ISGSUIS
24、IU+_任任意意外外电电路路(a)电路模型电路模型 GSIsUIO(b)伏安特性曲线伏安特性曲线n定义：定义：如果一个二端元件如果一个二端元件(一端口）接到任意电路后，该元一端口）接到任意电路后，该元件输出电流件输出电流 I 随外电路负载电压的变化而变，则该二端元件称随外电路负载电压的变化而变，则该二端元件称为实际电流源，简称为实际电流源，简称“电流源电流源”。n电路模型及伏安特性电路模型及伏安特性4.实际电流源流源本讲稿第三十二页，共四十六页33U=US RSI等效等效 IUS+_U+_RS(a)电压源电路模型电压源电路模型任任意意外外电电路路ISIU+_任任意意外外电电路路(b)电流源电路
25、模型电流源电路模型 GS1.4 独立电源独立电源本讲稿第三十三页，共四十六页341.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(Kirchhoffs Laws)34网孔是回路，但回路不一定是网孔！网孔是回路，但回路不一定是网孔！1.1.常用术语常用术语+_R1uS1+_uS2R2R3123ab1.支路支路(branch)：电路中的每一分支。：电路中的每一分支。(b)2.节点节点(node):三条或三条以上支路的联接点。三条或三条以上支路的联接点。(n)3.回路回路(loop)：由若干支路组成的任意闭合路径。：由若干支路组成的任意闭合路径。(l)4.网孔网孔(mesh)：电路内部不含任何支路的回路。：电路内部
26、不含任何支路的回路。(m)b=3l=3n=2m=2本讲稿第三十四页，共四十六页352.基基尔霍夫霍夫电流定律（流定律（KCL）1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律n表表述述：在在电电路路中中，任任一一瞬瞬时时，流流入入任任一一节节点点的的电电流流之之和和等等于于流流出出该该节节点点的的电电流流之之和和。或或该该节节点点的的所所有有支支路路电电流流的代数之和等于零。的代数之和等于零。n表达式：表达式：本讲稿第三十五页，共四十六页36解：据解：据KCL有有10 12=-3+I5 I5=1A 7+I3=4 I3=3A 例：电路如图所示，例：电路如图所示，求出图中未知支路的电流。求出图中未知支路的电流。节
27、点节点a：I1+I3=I27A4AI110A-12AI2abI3I4I5I6节点节点b：I4+I6=I3+I5 2.基基尔霍夫霍夫电流定律（流定律（KCL）1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律本讲稿第三十六页，共四十六页372.基基尔霍夫霍夫电流定律（流定律（KCL）1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律n对任何一个闭合曲面，在任意时刻对任何一个闭合曲面，在任意时刻 KCL 仍成立。仍成立。电路如图所示，闭合曲面内有三个节点。据电路如图所示，闭合曲面内有三个节点。据 KCL 可列出三可列出三个节点电流方程个节点电流方程:KCL的的推广应用推广应用n结论：在任一时刻，通过任一闭合曲面的电结论：在任一时刻，
28、通过任一闭合曲面的电流的代流的代数和恒等于零。数和恒等于零。节点节点A：IA+ICA=IAB节点节点B：IB+IAB=IBC节点节点A：IC+IBC=ICA有：有：IA+IB+IC=0nKCL的推广应用的推广应用本讲稿第三十七页，共四十六页KCL的推广应用的推广应用I=0I1ABI3I2BAI2I1BAII1+I2+I3=0I1=I2本讲稿第三十八页，共四十六页393.基基尔霍夫霍夫电压定律（定律（KVL）1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律表述：表述：任一瞬时电路中任一回路中电压的代数和等于零。任一瞬时电路中任一回路中电压的代数和等于零。表达式：表达式：列写方程式之前，先要规定回路的绕行方向和电
29、压的参考方向。列写方程式之前，先要规定回路的绕行方向和电压的参考方向。规定：规定：支路电压参考方向与回路绕行方向支路电压参考方向与回路绕行方向一致一致的取正，的取正，支路电压参考方向与回路绕行方向支路电压参考方向与回路绕行方向相反相反的取负。的取负。本讲稿第三十九页，共四十六页403.基基尔霍夫霍夫电压定律（定律（KVL）1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律首首先先考考虑虑（选选定定一一个个)绕绕行行方方向向：顺时针或逆时针顺时针或逆时针.R1I1 US1+R2I2 R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2 R3I3+R4I4=US1US4 例例:顺时针方向绕行顺时针方向绕行:I1+US1
30、R1I4_+US4R4I3R3R2I2_电阻压降电阻压降电源压升电源压升本讲稿第四十页，共四十六页3.基基尔霍夫霍夫电压定律（定律（KVL）1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律UAB(沿沿l1)=UAB (沿沿l2）电位的单值性电位的单值性n推推论论：电电路路中中任任意意两两点点间间的的电电压压等等于于两两点点间间任任一一条条路路径径经经过过的各元件电压的代数和。的各元件电压的代数和。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4ABABl1l2本讲稿第四十一页，共四十六页42nKCL是是对对支支路路电电流流的的线线性性约约束束，KVL是是对对回回路路电电压压的线性约束。的线
31、性约束。nKCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。与组成支路的元件性质及参数无关。nKCL表表明明在在每每一一节节点点上上电电荷荷是是守守恒恒的的；KVL是是能能量量守守恒恒的具体体现的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。4.KCL、KVL小小结1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律本讲稿第四十二页，共四十六页43已知已知U2 10V，U35V，U64V，求其余电压。，求其余电压。+U34U212653+U6+U4+U5解解+U1U1 U2+U315VU4 U2U614VU5 U4U319V例本讲稿第四十三页，共四十六页44 I612+U34U2123+U6+U4+U5+U1已已知知U2
32、 10V，U35V，U64V，I31A，求求其其余电压和支路电流。余电压和支路电流。I5I1I3 I2 I4解解I5 U5/119AI6 U6/2-2AI4 I5-I6 21AI2 I3+I4 22AI1-I2-I6-20AU1 U2+U3 15VU4-U2+U6-14VU5 U3-U4 19V例本讲稿第四十四页，共四十六页45n理解电路模型；理解电路模型；n掌握电路中的物理量与参考方向（电流、电压、功率）；掌握电路中的物理量与参考方向（电流、电压、功率）；n掌握电路元件特性（电阻、理想电压源和电流源）；掌握电路元件特性（电阻、理想电压源和电流源）；n深深刻刻理理解解基基尔尔霍霍夫夫定定律律：电电流流定定律律（KCL），电电压压定定律律（KVL）。）。本章小结本章小结本讲稿第四十五页，共四十六页461.11.51.61.9作业作业本讲稿第四十六页，共四十六页