电路教案1-11-21-31-4-课堂ppt

1-1电路和电路模型定义:电流的流通路径。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源：提供能量或信号.负载：将电能转化为其它形式的能量，或对信号进行处理.导线、开关等：将电源与负载接成通路.功能:传输电能、处理信号、测量、控制、计算等.一、电路二、电路模型1.理想电路元件：根据实际电路元件所具备的电磁性质所假想的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用公式表示。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：表示各种电感线圈产生磁场，储存能量的作用电容元件：表示各种电容器产生电场，储存能量的作用电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件2.电路模型：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相同的电磁性质，称其为电路模型。1-2电压和电流的参考方向一、电路中的主要物理量电压（U）、电流（I）、电荷（q）、磁链（）、功率（P）、能量（W）。1.电流：电荷的定向运动形成电流。电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。tqtqitddlim)t(0ΔdefΔΔ单位：A(安)电流的方向：通常把正电荷的移动方向称为电流的正方向。电流参考方向的两种表示：用箭头表示用双下标表示2.电压：电场中某两点A、B间的电压UAB等于将正电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB与该点电荷q的比值，即qWUABdefAB单位：V(伏)当把正电荷q由B移至A时，需外力克服电场力做同样的功WAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功–WAB，则B到A的电压为ABABBAUqWU3.电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。参考点的电位则为零，所以，参考点也称为零电位点。电位用表示，单位与电压相同，也是V(伏)。abcd设c点为电位参考点，则c=0a=Uac，b=Ubc，d=Udc4.电压与电位的关系：abcd设c点为电位参考点，c=0Uac=a，Udc=dUad=Uac+Ucd=Uac–Udc=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。例已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功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、Ubc;(2)若以c点为参考点，再求以上各值ac解bVqWaba2480bVqWqWbccbc3412VUbaab202VUcbbc)(330以b点为电位参考点abc解VqWaca541280cVqWbcb3412VUbaab235VUcbbc303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。结论以c点为电位参考点二、电压、电流的参考方向1.电流的参考方向元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:实际方向实际方向参考方向：任意选定一个方向即为电流的参考方向。i参考方向大小方向电流(代数量)AB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。用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。i参考方向i参考方向i0i0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：2.电压的参考方向++U0实际方向实际方向0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–U电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示：箭头指向为电压（降）的参考方向(2)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压(降低)的参考方向(3)用双下标表示：如UAB,由A指向B的方向为电压(降)的参考方向UU+ABUAB元件或支路的u，i通常采用相同的参考方向,称为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。+–iu+–iu关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向1-3电路元件的功率一、电功率：单位时间内电场力所做的功。tqiqwu,twpdd,dddduitqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)能量的单位：J(焦)二、功率的计算1.u,i关联参考方向p=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(实际吸收)P0吸收负功率(实际发出)+–iup=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(实际发出)P0发出负功率(实际吸收)+–iu2.u,i非关联参考方向吸发电阻元件在电路中总是消耗(吸收)功率，而电源在电路中可能吸收，也可能发出功率。+–5IURU1U2例U1=10V，U2=5V。分别求电源、电阻的功率。I=UR/5=(U1–U2)/5=(10–5)/5=1APR吸=URI=51=5WPU1发=U1I=101=10WPU2吸=U2I=51=5WP发=10W，P吸=5+5=10WP发=P吸(功率守恒)1.4电路元件是电路中最基本的组成单元。基本的理想电路元件：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压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成电能的元件。电路元件由集总元件构成的电路集总元件假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。集总条件d集总参数电路中u、i可以是时间的函数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为单值量。集总电路1.4.1电压源和电流源一、理想电压源：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流i无关。1.特点：(a)电源两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。直流：uS为常数交流：uS是确定的时间函数，如uS=UmcostuS电路符号+_i2.伏安特性US(1)若uS=US，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与电源中的电流无关。(2)若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样。电压为零的电压源，伏安曲线与i轴重合,相当于短路元件。uS+_iu+_uiO3.理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R(1)开路：R，i=0，u=uS。(2)短路：R=0，i，理想电压源不允许短路。*实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。US+_iu+_rUsuiOu=US–ri实际电压源4.功率：或p吸=uSip发=–uSi(i,uS关联)电场力做功，吸收功率。p发＝uSi(i,us非关联）物理意义：uS+_iu+_uS+_iu+_二、理想电流源：电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压u无关。1.特点：(a)电源电流由电源本身决定，与外电路无关；(b)电源两端电压是任意的，由外电路决定。直流：iS为常数交流：iS是确定的时间函数，如iS=Imcost电路符号iS+_u2.伏安特性IS(1)若iS=IS，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。(2)若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样电流为零的电流源，伏安曲线与u轴重合,相当于开路元件uiOiSiu+_3.理想电流源的短路与开路R(2)开路：R，i=iS，u。理想电流源不允许开路。(1)短路：R=0，i=iS，u=0，电流源被短路。iSiu+_5.功率iSiu+_iSiu+_p发=uisp吸=–uisp吸=uisp发=–uis例5R+_i+_Ru+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解VuR5510)(ARuiR155WRiPR5152WiuPSV1011010WiuPSV5155)(发出发出吸收满足：P（发）＝P（吸）1.4.2受控电源1.定义：电压源电压或电流源电流不是给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。电路符号+–受控电压源受控电流源例:ic=bib一个三极管可以用CCCS模型来表示CCCS可以用一个三极管来实现.ibbib控制部分受控部分RcibRbic受控源是一个四端元件:输入端口是控制支路，输出端口是受控支路.(a)电流控制的电流源b:电流放大倍数r:转移电阻{u1=0i2=bi1{u1=0u2=ri12.分类：根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分为四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。(b)电流控制的电压源CCCSººbi1+_u2i2ºº+_u1i1ºººº+_u1i1+_u2i2CCVS+_ºººº+_u1i1ri1+_u2i2CCVS+_g:转移电导:电压放大倍数{i1=0i2=gu1{i1=0u2=u1(c)电压控制的电流源(d)电压控制的电压源VCCSººgu1+_u2i2ºº+_u1i1ºººº+_u1i1u1+_u2i2VCVS+_3.受控源与独立源的比较(1)独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)直接由控制量决定。(2)独立源作为电路中“激励”，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的关系，在电路中不能作为“激励”。例求：电压u2。解5i1+_u2_u1=6Vi1++-3Ai2361Viu461065121.4.3电阻元件线性电阻元件：任何时刻端电压与其电流成正比的元件。1.符号R(1)电压与电流的参考方向设定为一致的方向Riu+2.欧姆定律uRiR称为电阻，电阻的单位：(欧)(Ohm，欧姆)伏安特性曲线:Rtg线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。令G1/RG称为电导欧姆定律表示为iGu.电导的单位：S(西)uiO电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线(2)电阻的电压和电流的参考方向相反Riu+则欧姆定律写为u–Ri或i–Gu3、特殊开路（断路）：当一个线性电阻元件的端电压不论为何值时，流过它的电流恒为零值。短路：当流过一个线性电阻元件的电流不论为何值时，它的端电压恒为零值。R=∞或G=0R=0或G=∞iuO开路iuO短路3.功率和能量Riu+Ri结论:电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p吸–ui–(–Ri)ii2R–u(–u/R)u2/Rp吸uii2Ru2/R功率：u+能量：可用功表示。从t0到t电阻消耗的能量：ttttRuipW00ddξξ4.非线性电阻u=f(i)或i=h(u)R≠C伏安特性曲线不是过原点的直线。Riu+–1.4.4电感元件ABii＋－uL,LiL＋－uLLNLLiL1.定义:电感元件的自感系数,简称电感。iOHHHmH63101,101电感SI单位为亨［利］,符号为H;1H=1Wb／A。通常还用毫亨（mH）和微亨（μH）作为其单位tiLdtduLidd/4.电感元件的储能)(212tLiLdtdiiLuip)(21)(21022)()(00tLitLidiiLpdtitittL电感元件吸收的功率为u、i取关联参考方向若选取t0为电流等于零的时刻,即i(t0)=０例电路如图（a）所示,L=200mH,电流i的变化如图（b）所示。（1）求电压uL,并画出其曲线。（2）求电感中储存能量的最大值。例iuL＋－L(a)15012345678910(b)i/mAt/ms30(c)u/Vt/ms－31）求电压uL,并画出其曲线。VdtdiLusAdtdiL31510200/1510)01(10)015(333解（1）在电流变化每一个周期的第1个1/3周期,电流从0上升到15mA。其变化率为u、i取关联参考方向sAdtdi/1510)01(10)150(33在第２个1/3周期中,电流没有变化。电感电压为uL=0。在第３个1/3周期中,电流从15mA下降到0。其变化率为VdtdiLuL3)15(1020031.电容元件是一个理