第1章 电路模型和基尔霍夫定律新.ppt

电池
导线
灯泡
组成
电源、负载和中间环节
电源是向电路提供电能的装置 负载是取用电能的装置，其作用是把电能转换为其他形式的能 中间环节在电路中起着传递电能、分配电能和控制整个电路的作用
2. 电路的种类及功能
a 能量的传输、分配与转换
图1-1 电力系统结构示意图
发电机: 电源，热能、原子能(非电能形式量)
解 (2) 以c点为电位参考点 c 0
a
b
a

Wac q

8 12 4

5V
b
Wbc q

12 4

3V
Uab a b 5 3 2V
结论
c
Ubc b c 3 0 3V
电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路中 各点的电位值就是唯一的；当选择不同的电位参考点时， 电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。
电路在一段时间内消耗或提供的能量
t
在t0 到t时间内，电路 W pdt
所吸收的电能为：
t0
直流时:
W P(t t0 )
(1-4a) (1-4b)
电能的单位： J (Joule，焦耳) 、kWh（千瓦小时，度）
1J等于1W的用电设备在1s内消耗的电能
1度等于功率为1kW的用电设备在1小时内消耗的电能
+ P=ui 表示元件吸收的功率
u
P>0 吸收正功率 (实际吸收)
该元件是负载
i
-
P<0 吸收负功率 (实际发出)
该元件是电源
- u, i 取非关联参考方向
p = -ui 表示元件吸收的功率 u
i
P>0 吸收正功率 (实际吸收)
+
P<0 吸收负功率 (实际发出)
【例1-3】 计算图1-11中各元件的功率，指出是 吸收还是发出功率，并求整个电路的功率。已知电路为
【例1-1】 求图1-8中a点的电位。
+12V
50Ω a 30Ω -4V +12V 40Ω
20Ω
a
a
b
解 对于图1-8a有
对于图1-8b，因20Ω电阻中电流为零，故
Ua 0
【例1-2】电路如图1-9所示，求开关S断开和闭合
时A、B两点的电位UA、UB
I
解 设电路中电流为I，如图所示
开关S断开时：
+
U
参考方向
–+
U
–
+ 实际方向
U >0
– – 实际方向 +
U <0
电压参考方向的三种表示方式：
(1) 用箭头表示
U
(2) 用正负极性表示
+
U
(3) 用双下标表示
A
UAB
B
例
例 如图1-7所示的电路中，已
知U 1=10V，U2 =－16V，U3 =－ 4V，试求Uab 。
图1-7 例1-1电路图
第1章 电路基本概念和基本定律
重点：
1、了解电路和电路模型的概念； 2、理解电流、电压和电功率； 3、理解和掌握电路基本元件的特性； 4、掌握电位和电功率的计算； 5、会应用基尓霍夫定律分析电路。
1.1 电路和电路模型
1.1.1 电路的概念
1. 电路
电路是电流通过的路径
开关
10BASE-T wall plate
1.4 电阻、电感、电容元件
1.4.1电阻元件
1.定义
电阻元件
一种最常见的、用来反映电流热效应的 一种二端元件，在任意时刻元件的电压 与电流的关系可以用一条确定的伏安特 性曲线描述。
线性电阻元件与 非线性电阻元件
电阻元件的伏安特性曲线是通过原点 的直线，称为线性电阻元件;否则， 称为非线性电阻元件。如白炽灯相当 于一个线性电阻元件，二极管是一个 非线性电阻元件
开关S闭合时
1.3电功率及电能的概念和计算
1.3.1 电功率 电功率
单位时间内电场力所做的功。
p dw dt
u dw dq
i dq dt
p dw dw dq ui (1-3a) dt dq dt
功率的单位：W (瓦) KW 元件吸收或发出的功率等于元件上的电压乘以元件上的电流
R0
零，用符号“⊥”表示
a+ R Uab
b-
电位: 电路中其它各点相对于参考点的电压
任意两点间的电压等于这两点的电位之差， 我们可以用电位的高低来衡量电路中某点电场 能量的大小。
电路中各点电位的高低是相对的，参考点不同， 各点电位的高低也不同，但是电路中任意两点之间 的电压与参考点的选择无关
例
已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点 a
1.2电流、电压及其参考方向
电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能 量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量 是电流、电压和功率。
1.2.1 电流及其参考方向
1。电流 电流
图1-3 导体中的电流
带电粒子有规则的定向运动形成电流
电流强度
单位时间内通过导体横截面的电荷量
i dq dt
b
电场力做功8J，由b点移动到c点电场
力做功为12J，
(1) 若以b点为参考点，求a、b、c点
的电位和电压Uab、U bc;
c
(2) 若以c点为参考点，再求以上各值
解
(1)
b
以b点为电位参考点
0
c

Wcb q

Wbc q

12 4

3V
a

Wab q

8 4

2V
Uab a b 2 0 2V Ubc b c 0 (3) 3V
直流电路，U1=4V，U2=-8V，U3=6V，I=2A。
a
+ U1 -
- U2 +
1I2
- U3 +
b
3
解 元件1电压与电流为关联参考方向
P1 = U1I= 4×2 = 8W
元件1吸收功率
元件2和元件3电压与电流为非关联参考方向
P2 = -U2I = -（-8）×2 =16W P3 = - U3I = -6×2 = -12W
定正方向，就称之为该电流的参考方向。
图1-5 电流的参考方向
注 规定了电流的参考方向以后，电流就变成了代数量而
且有正有负。 电流的参考方向与实际方向的关系：
i>0时，电路中电流实际方向与电流参考方向一致，如图1-5（b）所示; i<0时，则电路中电流实际方向与电流参考方向相反，如图1-5（c）所示。
解 标定a、b两点间电压的参考方向如图1-7所示，
则：
Uab =－U 1+U2 －U3 =－10V+（－16）V－（－4）V=－22V
Uab为负值，表明电压的实际方向由b点指向a点，即b
点是高电位点。
1.2.3电位的概念及其分析计算
为了分析问题方便，常在电路中指
E
定一点作为参考点，假定该点的电位是
2。电流的参考方向
方向
规定正电荷的运动方向为电流的实际方向
元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:
实际方向
A

B

实际方向
A
B
问题 复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实
际方向往往很难事先判断。------引入参考方向问题
参考方向 参考方向可以任意设定，如用一个箭头表示某电流的假
u～i 关系
满足欧姆定律
u
u Ri R u i
0
i
u、i 取关联
参考方向
R
i
伏安特性为一条 过原点的直线
单位
+
u
－
R 称为电阻，单位： (欧) (Ohm，欧姆)
G 称为电导， 单位： S(西门子) (Siemens，西门子)
理想电路元件
实际电路器件理想化而得到的只具 有某种单一电磁性质的元件，简称 为电路元件
几种基本的电路元件：
电阻元件：表示消耗电能的元件
电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件 电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件
电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件
us
is
+
-
电路模型:由理想电路元件相互连接组成的电路
元件2吸收功率，元件3发出功率
结论
•当电压与电流的实际方向一致时，电路一定是 吸收功率的;反之则是发出功率的。
电阻：电压与电流的实际方向总是一致的，其功 率总是正值;
电源：它的功率可能是负值，也可能是正值，这说明 它可能作为电源提供电能，发出功率;也可能被充电， 吸收功率。
1.3.2. 电能
电能W
（3）指出各元件的电压与电流的参考方向是关联方向还是非
关联方向。
解 （1）根据图中所标电流、电压方向，流过元件1、2的
电流实际方向与参考方向相反，由右流向左;流过元件3的
电流实际方向与参考方向相同，由左流向右，流过元件4
、5的电流实际方向与参考方向相同，由右流向左;
电压U1 、U2 、U3 的实际方向与参考方向相同，U4 、U5 的实际方向与参考方向相反，即a点为高电位点，b点为低 电位点。
为了便于识别与计算，引入关联参考方向
元件或支路的u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考 方向。反之，称为非关联参考方向。
相同
指定流过元件的电流参考方向是从标以电压正极 性的一端指向负极性的一端。
i
i
+
U
-
关联参考方向
-
U
+
非关联参考方向
补
电压电流参考方向如图中所标，问：对A、 B两部分电路电压电流参考方向关联否？
电流参考方向的两种表示：
用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。
i
A
B
用双下标表示：如 iAB , 电流的参考方向由A指向B。
A
iAB
B
1.2.2. 电压及其参考方向
1.电压
如图所示，在电场力的作用下，正
电荷要从电源正极a经过连接导线和负
E
载流向电源负极b（实际上是带负电的 电子由负极b经负载流向正极a），形成 R0
电路课程的重要性
电路分析课程是电气类专业的一门重要的专业基础课程 第一门专业基础课程
掌握电路的基本理论、基本分析方法和进行电路实验、 仿真的初步技能
后续课程准备必要的电路理论知识和分析方法。
为进一步学习专业知识打下坚实的基础
培养学生严肃认真的科学作风和抽象思维能力、分析计算 能力、实验研究能力和总结归纳能力
单位
A（安培）、kA、 mA、A
1kA=103A 1mA=10-3A
1 A=10-6A
类型
直流电流：电流的大小和方向不随时间而变化
交流电流：电流的大小和方向随时间而变化
交流电流，用小写字母i表示，如图1-4（a）、1-4（b）所示：
直流电流，用大写字母I表示，如图1-4（c）所示：
图1-4 电流波形示意图
了电流，而电场力就对电荷做了功
a+ R Uab
b-
电压U
电场力把单位正电荷从a点经外电路移送到b点时 电场力所作的功叫做a、b两点之间的电压。
实际电压方向
电位真正降低的方向
U
def

dW
dq
单位：V (伏)、kV、mV、V
2.电压参考方向
电压(降)的参考方向
假设的电压降低之方向
参考方向
1kWh=103 ×3600=3.6×106 J=3.6MJ
额定电流：电气设备或元件长期正常运行的电流容许值
额定电压：电气设备或元件长期正常运行的电压容许值
额定功率：额定电压和额定电流的乘积
通常电气设备或元件的额定值标在产品的铭牌上。 如一白炽灯标有“220V、40W”，表示它的额定电压为220 V，额定功率为40W
电路特点是小功率、小电流。
1.1.2 电路模型
工程实际允许的条件下对实际电路进行模型化处理，即忽略次要因素，抓 抓住足以反映其功能的主要电磁特性，抽象出实际电路器件的“电路模型”
10BASE-T wall plate
开关 灯泡
电 池
导线
电路图
Rs
RL
Us
电路模型
反映实际电路部件的主要电磁性质 的理想电路元件及其组合。
（2）对于元件1和元件5，电流由低电位点流向高电 位点，因此它们是电源;对于元件2、3、4，电流由高 电位点流向低电位点，因此它们是负载。
（3）按照关联参考方向的规定，元件1、3、5的电 压与电流是关联参考方向;元件2、4的电压与电流是 非关联参考方向。
电路吸收或发出功率的判断
u, i 取关联参考方向
A
答： A 电压、电流参考方向非关联； B 电压、电流参考方向关联。
i
＋
UB
－
注 (1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。
(2) 参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注 (包 括方向和符号），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。
例
如图1-8所示的电路中有五个电
路元件，电流和电压的参考方向均
已标在电路图上。
实验测得:I1 =I2 =－8A，I3 =12A， I4 =I5 =4A;U1 =200V，U2 =120V，U3 =80V，U4 =－70V，U5 =－150V。
图1-8 例1-2电路图
（1）试指出各电流的实际方向和各电压的实际极性。
（2）判断哪些元件是电源?哪些是负载?
电能;
白炽灯、电动机、电热设备: 负载，电能 形式的能量，
光能、机械能、热能等其他
变压器、输电线以及开关：中间环节，连接电源和负载，起传输和分配电 能.
电路的特点是大功率、大电流
b实现对电信号的传递，变换、储存和处理的电路
图1-2扩音器结构示意图 话筒：是信号源，声音信号 微弱的电信号; 喇叭：扩音器的负载，电信号 声音 放大器：放大电信号