电路的基本概念与基本定律.pps

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1、主讲主讲:杨红权杨红权(13995601650)电路原理电路原理第1章 电路的基本概念与基本定律一、一、课程性质：课程性质：专业基础课。专业基础课。本课程是非电专业一切电类后续课程（模拟电路、数本课程是非电专业一切电类后续课程（模拟电路、数字电子技术、计算机原理、计算机接口硬件等）的基础。字电子技术、计算机原理、计算机接口硬件等）的基础。学时少、内容多，不能轻视。学时少、内容多，不能轻视。概概 论论基本电路分析和电路综合。基本电路分析和电路综合。第1章 电路的基本概念与基本定律二、二、所需的理论基础及学习方法：所需的理论基础及学习方法：电路理论涉及高等数学、应用数学、物理学和拓扑学等电路理论涉

2、及高等数学、应用数学、物理学和拓扑学等基础学科的知识基础学科的知识学习方法：学习方法：(1).搞清基本概念，注意解题方法和技巧；搞清基本概念，注意解题方法和技巧；(2).思维方式的训练；思维方式的训练；(3).独立完成作业，按时交作业；独立完成作业，按时交作业；(4).理论联系实际，与实验相结合；理论联系实际，与实验相结合；(5).采用采用matlab等软件进行仿真相结合。等软件进行仿真相结合。理论基础：理论基础：(1).高等数学（微积分、微分方程）；高等数学（微积分、微分方程）；(2).线性代数（矩阵运算）；线性代数（矩阵运算）；(3).复数运算。复数运算。第1章 电路的基本概念与基本定律参

3、考书目：参考书目：电路电路邱关源主编邱关源主编 高等教育出版社高等教育出版社电路理论学习指导书电路理论学习指导书黄冠斌主编黄冠斌主编 华中科技大学出版社华中科技大学出版社教学内容的安排教学内容的安排(三大部分三大部分)：(1).电阻性电路分析：电阻性电路分析：Chapter1-4(2).动态电路分析：动态电路分析：Chapter5(3).正弦稳态电路分析：正弦稳态电路分析：Chapter6-9第1章 电路的基本概念与基本定律电力系统电力系统 电路的应用非常广泛，从军事领域到民用（如航空航天、电路的应用非常广泛，从军事领域到民用（如航空航天、工业控制、日常生活中用的便携设备）都有广泛的应用。工业

4、控制、日常生活中用的便携设备）都有广泛的应用。三、三、电路的主要应用领域：电路的主要应用领域：电机控制电机控制机床控制机床控制生产过程自动化控制生产过程自动化控制楼宇电梯控制楼宇电梯控制.工业控制工业控制第1章 电路的基本概念与基本定律家用电器家用电器电灯、电话电灯、电话广播、电视广播、电视冰箱、洗衣机冰箱、洗衣机家庭影院家庭影院各种智能控制各种智能控制.信号检测信号检测压力、温度、水位、流量压力、温度、水位、流量等的测量与调节等的测量与调节电子仪器电子仪器医疗仪器医疗仪器各种信号处理各种信号处理.第1章 电路的基本概念与基本定律EV?21世纪世纪 绿色绿色 环保汽车环保汽车无废气排放无废气排

5、放(零排放零排放)高效率高效率优点：易传输性，高效性，无污染。优点：易传输性，高效性，无污染。如：电动汽车（如：电动汽车（Electric Vehicle）-机电一体化产品机电一体化产品第1章 电路的基本概念与基本定律电池管理系统电池管理系统充电系统充电系统照照明明、电电动动转转向向、空空调调、音音响响、雨雨刷刷、安安全全报报警警、电动门窗电动门窗.驱动控制系统驱动控制系统电机驱动系统电机驱动系统机电一体化的产品机电一体化的产品强电与弱电的结合强电与弱电的结合强电：逆变电源、电力电子、电机驱动强电：逆变电源、电力电子、电机驱动弱电：电机与电器控制、信号处理、计算机、单片机弱电：电机与电器控制、

6、信号处理、计算机、单片机第1章 电路的基本概念与基本定律1-1 电路的组成与电路模型电路的组成与电路模型电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源电源(source)：提供能量或信号：提供能量或信号.负载负载(load)：将电能转化为其它形式的能量，或对：将电能转化为其它形式的能量，或对 信号信号进行处理进行处理.导线导线(line)、开关（、开关（switch)等：将电源与负载接成通路等：将电源与负载接成通路.一、一、电路的组成电路的组成第1章

7、 电路的基本概念与基本定律(1).(1).实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换实现电能的传输、分配与转换 1.电路的功能电路的功能:电能的传输和转换及电信号的传递和处理：电能的传输和转换及电信号的传递和处理：升压升压变压器变压器 降压降压变压器变压器 电灯电灯电动机电动机 电炉电炉 发电机发电机传输线传输线 电源：电源：提供电能提供电能中间环节：中间环节：传递、分配和控制电能传递、分配和控制电能 负载：负载：取用电能取用电能第1章 电路的基本概念与基本定律 电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工

8、作；由激励所产生的电压和电流称为响应。由激励所产生的电压和电流称为响应。(2).(2).实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理实现信号的传递与处理信号源信号源放大器放大器扬声器扬声器话筒话筒信号处理：信号处理：放大、调谐、检波等放大、调谐、检波等提供能量提供能量直流电源直流电源负载负载第1章 电路的基本概念与基本定律1.集总参数元件与集总参数电路集总参数元件与集总参数电路 集集总总参参数数元元件件：每每一一个个具具有有两两个个端端钮钮的的元元件件中中有有确确定定的的电流，端钮间有确定的电压。电流，端钮间有确定的电压。集总参数电路：集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。由

9、集总参数元件构成的电路。一一个个实实际际电电路路要要能能用用集集总总参参数数电电路路近近似似，要要满满足足如如下下条条件件：即即实实际际电电路路的的尺尺寸寸必必须须远远小小于于电电路路工工作作频频率率下下的的电电磁磁波波的波长。的波长。若若实实际际电电路路的的尺尺寸寸远远大大于于电电路路工工作作频频率率下下的的电电磁磁波波的的波波长，则视为长，则视为分布参数电路分布参数电路。二、二、电路模型电路模型第1章 电路的基本概念与基本定律2.理理想想电电路路元元件件：根根据据实实际际电电路路元元件件所所具具备备的的电电磁磁性性质质所所设设想想的的具具有有某某种种单单一一电电磁磁性性质质的的元元件件，其

10、其u，i关关系系可可用用简简单单的数学式子表示的数学式子表示。几种基本的电路元件：几种基本的电路元件：电阻元件：电阻元件：表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件：电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用电容元件：电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电能的作用表示各种电容器产生电场，储存电能的作用电源元件：电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件第1章 电路的基本概念与基本定律电路模型：电路模型：由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具有基本

11、相同的电磁性质，称其为电路模型。际电路具有基本相同的电磁性质，称其为电路模型。电路模型由理想电路元件构成。电路模型由理想电路元件构成。导线导线电电池池开关开关灯泡灯泡例例：3.电路模型电路模型 (circuit model)的建立的建立第1章 电路的基本概念与基本定律 建建立立电电路路模模型型时时，工工作作条条件件不不一一样样，其其模模型型也也不不一一样样。如一个电感线圈：如一个电感线圈：实际线圈实际线圈直流状态直流状态,仅消耗能量仅消耗能量R交流低频交流低频,消能消能,储能储能RL交流高频状态交流高频状态,消耗能量消耗能量,储磁场能量储磁场能量和电场能量和电场能量RLC第1章 电路的基本概念

12、与基本定律1.电流电流(current)：带电质点的运动形成电流。带电质点的运动形成电流。单位：单位：A(安安)(Ampere，安培，安培)1-2 电路的基本物理量电路的基本物理量一、电流及其参考方向一、电流及其参考方向 电电流流大大小小用用电电流流强强度度表表示示：单单位位时时间间内内通通过过导导体体截截面的电量。面的电量。第1章 电路的基本概念与基本定律电流方向电流方向AB？电流方向电流方向BA？E1ABRE2IR问题的提出：问题的提出：第1章 电路的基本概念与基本定律大小大小方向方向电流电流(代数量代数量)元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向有两种可能中电流流动的实际方向有两种可能:

13、参考方向：参考方向：任意选定一个方向任意选定一个方向即为电流的参考方向。即为电流的参考方向。2.电流的电流的参考方向参考方向(reference direction)ABi参考方向参考方向第1章 电路的基本概念与基本定律(2).实实际际电电路路中中有有些些电电压压、电电流流是是交交变变的的，无无法法标标出出实实际际方方向向。标标出出参参考考方方向向，再再加加上上与与之之配配合合的的表表达达式式，才才能表示出电流的大小和实际方向。能表示出电流的大小和实际方向。(1).有有些些复复杂杂电电路路的的某某些些支支路路事事先先无无法法确确定定实实际际方方向向。为为分分析析方方便便，只只能能先先任任意意标

14、标一一方方向向（参参考考方方向向），根根据据计算结果，才能确定电流的实际方向。计算结果，才能确定电流的实际方向。为什么要引入参考方向为什么要引入参考方向？第1章 电路的基本概念与基本定律电流参考方向的两种表示：电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。电流的参考方向。用双下标表示：如用双下标表示：如 iAB,电流的参考方向由电流的参考方向由A指向指向B。电流的参考方向与实际方向的关系：电流的参考方向与实际方向的关系：i参考方向参考方向i 0实际方向实际方向i参考方向参考方向i 0 0 吸收正功率吸收正功率 (吸收吸收)P0 发出正功率发出正功率 (

15、发出发出)P0 发出负功率发出负功率 (吸收吸收)p=ui 表示元件表示元件发出发出的功率的功率(2)u,i 非非关联参考方向关联参考方向iu+iu+第1章 电路的基本概念与基本定律例例：U1=10V，U2=5V，I=1A，R=5。分分别别求求电电源源、电电阻阻的的功率。功率。PR吸吸=URI=5 1=5 WPU1发发=U1I=10 1=10 WPU2吸吸=U2I=5 1=5 WP发发=10 W，P吸吸=5+5=10 WP发发=P吸吸 (功率守恒功率守恒)(1)上述功率计算不仅适用于元件，也使用于上述功率计算不仅适用于元件，也使用于任意二端网络任意二端网络。(2)电电阻阻元元件件在在电电路路中

16、中总总是是消消耗耗(吸吸收收)功功率率，而而电电源源在在电电路路中中可能吸收，也可能发出功率可能吸收，也可能发出功率。+IURU1U2R解：解：第1章 电路的基本概念与基本定律1-3 电阻元件与欧姆定律电阻元件与欧姆定律一、一、线性电阻线性电阻 伏安特性曲线为过原点的一条直线。伏安特性曲线为过原点的一条直线。R 称为电阻，电阻的单位：称为电阻，电阻的单位：(欧欧)(Ohm，欧姆，欧姆)电压与电流为关联参考方向时，欧姆定律电压与电流为关联参考方向时，欧姆定律(Ohms Law)（OL）：）：u=Ri+RiuiuG=1/R称为电导，电导的单位：称为电导，电导的单位：S(西西)(Siemens，西门

17、子，西门子)第1章 电路的基本概念与基本定律二、非二、非线性电阻线性电阻ui+Riu 伏安特性曲线为过原点的一条曲线。伏安特性曲线为过原点的一条曲线。如如热热敏敏电电阻阻器器、光光敏敏电电阻阻器器、压压敏敏电电阻阻器器以以及及半半导导体体二二极极管等。管等。第1章 电路的基本概念与基本定律(a)端电压由电源本身决定，与外电路无关；端电压由电源本身决定，与外电路无关；(b)通过它的电流是任意的，由外电路决定。通过它的电流是任意的，由外电路决定。US+_iu+_USui01-4 独立电源独立电源一、理想电压源一、理想电压源US+_ _1.电路符号电路符号2.伏安特性：伏安特性：第1章 电路的基本概

18、念与基本定律3.理想电压源的开路与短路理想电压源的开路与短路(1)开路开路：i=0(2)短短路路：理理想想电电压压源源出出现现病病态态(这这种模型在电路中不存在种模型在电路中不存在)。US+_iu+_*实实际际电电压压源源不不允允许许短短路路。因因其其内内阻阻小小，若若短短路路，电电流流很很大大，可能烧毁电源。可能烧毁电源。第1章 电路的基本概念与基本定律(a)电源电流由电源本身决定，与外电路无关；电源电流由电源本身决定，与外电路无关；(b)电源两端电压电源两端电压是由外电路决定。是由外电路决定。2.伏安特性：伏安特性：ISui0二、理想电流源二、理想电流源1.电路符号电路符号ISISiu+_

19、第1章 电路的基本概念与基本定律3.理想电流源的短路与开路理想电流源的短路与开路(2)开开路路：理理想想电电流流源源出出现现病病态态(这这种种模型在电路中不存在模型在电路中不存在)。(1)短路：短路：i=iS，u=0 4.实际电流源的产生：实际电流源的产生：稳流电子设备，光电池，晶体三极管稳流电子设备，光电池，晶体三极管ISiu+_第1章 电路的基本概念与基本定律一一个个实实际际电电压压源源，可可用用一一个个理理想想电电压压源源US与与一一个个电电阻阻RS 串串联联的的支支路路模模型型来来表表征征其其特特性性。当当它它向向外外电电路路提提供供电电流流时时，它的端电压它的端电压U总是小于总是小于

20、US，电流越大端电压，电流越大端电压U越小。越小。U=US RS I工作点工作点uiUSUI其其外特性曲线如下：外特性曲线如下：+_+_UIUSRS实际电压源模型实际电压源模型三、实际电压源三、实际电压源第1章 电路的基本概念与基本定律一一个个实实际际电电流流源源，可可用用一一个个电电流流为为 IS 的的理理想想电电流流源源和和一一个个电电阻阻RP 并并联联的的模模型型来来表表征征其其特特性性。当当它它向向外外电电路路供供给给电电流流时时，并并不不是是全全部部流流出出，其其中中一一部部分分将将在在内内部部流流动动，随随着端电压的增加，输出电流减小。着端电压的增加，输出电流减小。工作点工作点GU

21、uiISUI其其外特性曲线如下：外特性曲线如下：I=IS U/RPIRp+U_IS实际电流源模型实际电流源模型四、实际电流源四、实际电流源第1章 电路的基本概念与基本定律从从数数学学角角度度来来看看，这这两两条条直直线线完完全全有有可可能能重重合合，因因此此实实际际电电压压源源、实实际际电电流流源源有有可可能能等等效效。这这是是我我们们下下一一章章的的内内容。容。实实际际电电压压源源、实实际际电电流流源源都都可可以以看看着着是是实实际际电电源源的的一一种等效模型，种等效模型，伏安关系都是伏安关系都是UI平面的一条直线平面的一条直线。第1章 电路的基本概念与基本定律基基尔尔霍霍夫夫定定律律包包括

22、括基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律(Kirchhoffs Current LawKCL)和和 基基 尔尔 霍霍 夫夫 电电 压压 定定 律律(Kirchhoffs Voltage LawKVL)。它它反反映映了了电电路路中中所所有有支支路路电电压压和和电电流流的的约约束束关关系系，是是分分析析集集总总参参数数电电路路的的基本定律。基本定律。1-5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 (Kirchhoffs Laws)基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。第1章 电路的基本概念与基本定律1.支路支路(branch)：电路中通过同一电流的每个分支。：电路中通过

23、同一电流的每个分支。(b)2.节点节点(node):三条或三条以上支路的连接点称为节点。三条或三条以上支路的连接点称为节点。(n)3.回路回路(loop)：由支路组成的闭合路径。：由支路组成的闭合路径。(l)b=34.网孔网孔(mesh)：对：对平面电路平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是回，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。路，但回路不一定是网孔。l=3n=2一、一、几个名词：几个名词：(定义定义)+_R1uS1+_uS2R2R3123ab第1章 电路的基本概念与基本定律物理基础物理基础:电荷恒定，电流连续性。电荷恒定，电流连续性。令流出为令流出为“+”(支路电流背离节点支路电

24、流背离节点)i1+i2i3+i4=0二、基尔霍夫电流定律二、基尔霍夫电流定律)(KCL)(Kirchhoffs Current Law)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，流出在任何集总参数电路中，在任一时刻，流出(流入流入)任一任一节点的各支路电流的代数和为零。节点的各支路电流的代数和为零。即：即：i1+i3=i2+i4第1章 电路的基本概念与基本定律KCL的推广：的推广：ABi3i2i1ABii两条支路电流大小相等，两条支路电流大小相等，一个流入，一个流出。一个流入，一个流出。ABi只有一条支路相连，则只有一条支路相连，则 i=0。第1章 电路的基本概念与基本定律？A=B?i1=i2?i1

25、=i2 A=Bi3=i4?A=B?A=Bi3=i4AB+_3V+_1.i2i11 1 1 1 1 1 2VAB+_3V+_2.i4i31 1 1 1 1 1 2V第1章 电路的基本概念与基本定律12345+_+_+_+_+_u1(t)u5(t)u4(t)u3(t)u2(t)abcdeA任意选定一个绕行方向：任意选定一个绕行方向：顺时针或逆时针。顺时针或逆时针。如图所示，对回路如图所示，对回路A列列写写KVL方程得：方程得：三、基尔霍夫电压定律三、基尔霍夫电压定律(KVL)(Kirchhoffs Voltage Law)：在任何集总参数电路中，在任一时刻，沿任一闭合路径在任何集总参数电路中，在任

26、一时刻，沿任一闭合路径(按固定绕向按固定绕向)，各支路电压的代数和为零。，各支路电压的代数和为零。即：即：第1章 电路的基本概念与基本定律+_xux(t)12345+_+_+_+_+_u1(t)u5(t)u4(t)u3(t)u2(t)abcdeABKVL的实质：反映了集总参数电路遵从能量守恒定律，或者的实质：反映了集总参数电路遵从能量守恒定律，或者说，它反映了保守场中做功与路径无关的物理本质。说，它反映了保守场中做功与路径无关的物理本质。KVL对于任意虚拟回路也成立。例如对回路对于任意虚拟回路也成立。例如对回路B：式中式中ux(t)为假想元件上的电压，得：为假想元件上的电压，得：-u2(t)-

27、u1(t)+ux(t)=0ux(t)=u2(t)+u1(t)第1章 电路的基本概念与基本定律假定电路元件的参考方向，对回路任意选定一个绕行方向。假定电路元件的参考方向，对回路任意选定一个绕行方向。R1I1US1+R2I2R3I3+R4I4+US4=0顺时针方向绕行顺时针方向绕行:具体具体电路电路KVL方程的列写方程的列写电阻压降电阻压降电源压升电源压升U3U1U2U4-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_-U1+U2+U3+U4=US1-US4 R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4UI关联时：关联时：U=RI当当UI非关联

28、时：非关联时：U=-RI对于电阻元件，需要注意：对于电阻元件，需要注意：第1章 电路的基本概念与基本定律例：如图电路，已知例：如图电路，已知R1=2，R2=4，us1=12V，us2=6V，us3=10V，求，求a点电位点电位ua。i解：由解：由KCL可知可知i=0。R1i+us2+R2i-us1=02i+6+4i-12=0i=1(A)求求电电位位ua，就就是是求求a点点到到参参考考点点的的电电压压，它它是是自自a点点到到地的电压代数和。地的电压代数和。ua=uab+ubc+ucd=2i+6-10=-2(V)+_aR1+_us1us2R2bcR+_us3di设如图回路电流为设如图回路电流为i，

29、由，由KVL方程：方程：第1章 电路的基本概念与基本定律例：如图所示电路，已知例：如图所示电路，已知I=0.3A，求电阻，求电阻R。+_URIa20 12VR15 20 20 IRI2I1I3bcd+_AB-12+15I1+20I=0Uab=Uac+Ucb=15I1+20I2=6+2=8(V)R=UR/IR=4/0.5=8()由由KVL方程：方程：I1=0.4(A)-12+15I1+20I2+UR=0UR=4(V)由由KCL方程：方程：由由KVL方程：方程：I2=I1-I=0.1(A)由由OL得：得：由由KVL方程：方程：I3=Uab/20=0.4(A)由由KCL方程：方程：IR=I2+I3=

30、0.1+0.4=0.5(A)由由OL得：得：解：可通过计算电阻两端的电压解：可通过计算电阻两端的电压和流过的电流来计算电阻大小。和流过的电流来计算电阻大小。第1章 电路的基本概念与基本定律讨论题讨论题求：求：I1、I2、I3 能否很快说出结果能否很快说出结果？1+-3V4V1 1+-5VI1I2I3第1章 电路的基本概念与基本定律例：求如图所示电路中的例：求如图所示电路中的U和和I，若将电流源的电流由，若将电流源的电流由1A变成变成5A，重求，重求U和和I。UU1U24(V)由由KVL方程：方程：+_+_2 4VU4+_6V3 8V1+_I1AU1+_U2+_I1I2解：解：86I0I14(A

31、)求求I求求U由由KVL方程：方程：6U240U22(V)由由KVL方程：方程：685I140I12(A)UU1U20由由KVL方程：方程：或或 KVL方程：方程：6UU140U4(V)第1章 电路的基本概念与基本定律KCL、KVL小结：小结：(1).KCL是是对对支支路路电电流流的的线线性性约约束束，KVL是是对对支支路路电电压压的的线线性约束。性约束。(2).KCL、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。(3).KCL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是是电电位位单单值值性的具体体现性的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。End