电工电子技术课程课件-第1章

第一章电路的基本定律与基本分析方法主讲：周静本章教学基本要求1)理解电路模型及理想电路元件(电阻、电感、电容、电压源和电流源)的电压-电流关系。2)理解电压、电流参考方向的意义。3)理解基尔霍夫定律，了解支路电流法、理解叠加定理和戴维宁定理。4)了解电功率和额定值的意义。本章讲授学时:10学时自学学时:30学时本章主要内容基本概念基本定律及应用基本分析方法本章小结电路的组成及作用(1)电路的概念什么是电路(electriccurcuit)？开关干电池灯泡实际电路手电筒电路电气图电源电源负载负载中间环节中间环节电源负载中间环节电路电路的组成及作用(2)电路的功能1.实现电能的传输与转换——电力系统的电路发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉输电线图1.1电力系统示意图2.实现信号的传递与处理——电子信号电路信息--(载体)--信号--电路--终端--(去载体)---信息(电流或电压)信号(接受)---电路-----信号(已经放大、去噪、合成…)电路元件常用理想元件种类——无源元件电荷q磁通电压u电流i电阻元件电容元件电感元件忆阻元件ddt除此之外，还有有源元件：电压源、电流源和受控源电流(1)电流的概念——电流是电路中电荷流动量的度量，它表示单位时间流过电路中某一截面的净电荷量。电荷流动不仅有数量，也有方向。规定正电荷流动的方向为电流的方向（称为真实方向）。正电荷流向负电荷流向电流的真实方向q+q-()ababIiabtqqdtdqiIabab)(电流(2)电流的符号和单位电流的大小和方向都不随时间变化，称为直流电流(DirectCurrent)，用I表示。电流的大小和方向都随时间变化、称为交流电流(AlternatingCurrent)，用i表示。tQtqIdtdqi直流交流电流(3)电流的符号和单位（续）q的单位：库仑（C）t的单位：秒（s）i的单位：安培（A）1kA（千安）=103A1mA（毫安）=10-3A1µA（微安）=10-6A秒库仑安培111电流(4)电流的参考方向为了用代数量表示电流，事先规定一个方向为电流的正方向，称为电流的参考方向（假设的正方向）。电路中用箭头或者下标标示。ab电路中的一条通路i电流i的参考方向电流(5)电流的参考方向电流的实际方向电流的参考方向abi0电流的实际方向电流的参考方向abi0选定电流的参考方向后，电流就有了正负之分，变成了代数量。参考方向的表示方法：1.带箭头的短线2.加脚标如：iab、iba是一种任意选定的方向iab0iba0电流(6)实验和工程中采用电流表测量电流，电流表必须串接在被测电路中。电流的参考方向由电流表接线方式决定“+”接线柱指向“-”接线柱。电流表+_被测支路断开通路串接电流表电压与电动势(1)有问题单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位。它表示外力将单位正电荷从参考点（O电位）移动到的该点所作的功。单位为伏特(V)=1焦耳(J)/库仑(C)，用v或V表示a点电位qWvaab点电位qWvbb电压与电动势(2)电路（电场）中两点（如a与b）之间的电位差称为电压，用u或U表示，单位也是伏特(V)ab两点间的电压dqdWqWWvvubabaab电压uab表示单位正电荷从a点移动到b点所失去的电位能，因此常也称为电压降。abWaWb失去电位能Wa-Wb电压与电动势(3)电压是一个相对量，与参考点的选取无关。电压表示的是电位下降，也存在方向（又称为极性），规定电位下降的方向为电压的真实方向。在对电路分析之前显然不能确定电压的真实方向；电位实际上是电路中某点到参考点之间的电压。电压与电动势(4)假设电压的方向，称此假设的方向为电压的参考方向。电压的参考方向用箭头（或+/号）在电路中标出。数值的正、负表示真实方向与假设方向之间的关系。电压与电动势(5)电压方向的表示电压的实际方向abuab0电压的实际方向abuba0+-电压的参考方向u电压的参考方向u参考方向的表示方法：1.+:高电位;-:低电位2.带箭头的短线3.加脚标uabu0u0电压与电动势(6)实验和工程中采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路并联。电压的参考方向由电压表接线方式决“+”接线柱指向“”接线柱电压表+_被测支路+_u电压与电动势(7)为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向采用一致的方向，称为关联参考方向。+-I元件U电压与电流的关联正方向电压与电动势(8)电动势是表示电源性质的物理量。表征电源内部的非电场力移动单位正电荷做功的能力（电源将其他形式的能量转变成电能的能力）。电动势在数值上等于非电场力将单位正电荷从电源负极经电源内部移动到电源正极时所做的功。用符号E(e)表示，单位也是伏特。电动势eab表示单位正电荷从a点移动到b点所获得的电位能，因此常也称为电压升。刚好与电压的真实方向相反。电压与电动势(9)E电动势的真实方向VE5VE5电动势的正方向电压与电动势(10)EABUBAEABUBAEABUBAEABUBAE与U的参考方向一致E与U的参考方向不一致ABABUEUEABABUEUEABABUEUEABABUEUE电功率(1)电功率：电路元件消耗电能快慢的度量，表示单位时间内电路元件消耗的电场能量。用P或p表示，p(或P)=dW/dt功率的单位为瓦特(W)=焦耳(J)/秒(s)。1kW=103W1mW=10-3W电功率(2)电功率的计算d()3.()()()dwtpptutitt——称为瞬时功率1.关联参考方向i+-ubpauidtdwp当p0时吸收功率当p0时发出功率i+-ubpauidtdwp2.非关联参考方向必须加上负号！电功率(3)电源和负载的概念若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源IUIU或UIP0消耗功率——负载＋－或IUIUUIP0发出功率——电源P=UI电功率(4)例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。123451234530V,20V,60V,30V,80V3A,1A,2A,3A,1AUUUUUIIIII确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？12U5345U1U2U3U4电功率(5)12U5345U1U2U3U4元件111130V3A90W0PUI是负载元件222220V1A20W0PUI是负载元件333360V(2)A120W0PUI是电源元件444430V3A90W0PUI是负载元件555580V(1)A80W0PUI是电源12345902012090800PPPPP注意：电路中所有元件的功率之和为0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。电气设备的额定值额定值：电气设备的安全使用值–额定电流IN：电气设备在长期连续运行或规定工作制下允许通过的最大电流。–额定电压UN：根据电气设备所用绝缘材料的耐压程度和容许温升等情况规定的正常工作电压。–额定功率PN：电气设备在额定电压、额定电流下工作时的功率。注意：使用中，电气设备的实际电压、电流、功率不一定等于其额定值。无源电路元件特性电阻元件电容元件电感元件电阻元件(1)电阻元件：电阻元件的特性由u-i平面上的一条曲线表示，0i/Au/VR1线性电阻元件非线性电阻电阻元件(2)理想（线性）电阻元件：只具有消耗电能这一种电磁性质（电阻性），如白炽灯、电炉等。SLRR——电阻值ρ——电阻率L——导体长度S——导体横截面积电阻元件(3)电阻元件的参数：R（值），单位欧姆（）631011011MKk电阻在电路中的表示符号为：R电阻元件(4)电阻元件的电压电流关系——欧姆定律Riu+-iuRRuiRiu0i/Au/VR1电阻元件(5)电阻元件上的功率关系Riu+-RuRiuip22RUI所以功率可表示为：直流电路中，电压电流均用大写字母表示。RURIUIP22电阻元件(6)电阻元件上的能量关系Riu+-dtRidtiupdtWRRRR2对直流而言tRUtRIUItW22由于能量是时间的函数，所以，分析时常用功率而不考虑能量的关系。电容元件(1)电容：电容元件的原型是平板电容器，基本特性是存储在极板上的电荷量q与两极板之间的电压u满足代数关系。用q-u平面上的一条曲线fC(q,u)=0描述。++++++++--------+q-quE0uq非线性电容线性电容元件当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电容。本课程中如无特别声明电容元件均指线性电容。电容元件(2)电容元件的参数：C（容量），单位法拉（F），微法F(10-6F)和皮法pF(10-12F)。iuC电容元件的符号1C1F1VpF10μF10F1126电容元件(3)电容元件的电压-电流关系——伏安特性()()()()()dqtdutqtCutitCdtdt000111()()()()1(0)()tttutitdtitdtitdtCCCuitdtC动态元件记忆元件iuC电容元件(4)电容元件的电压-电流关系——伏安特性00idtdu——电容器充电00idtdu——电容器放电00idtdu直流相当于开路+-uiCdtduCti)(电容元件(5)电容元件的功率与储能iuC()()()()()CdutptutitCutdt21()()2CCWptdtCuduCut功率可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身不消耗能量（无损）。与电流无关储能元件以电场方式储存电感：电感原型是空心线圈，线圈中的磁通量ψ与流过线圈的电流i满足代数关系。用ψ-i平面上的一条曲线fL(ψ,i)=0描述。电感元件(1)i+_uN匝磁通+_eL0i非线性电感线性电感元件当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电感。本课程中如无特别声明电感元件均指线性电感。电感元件的电压-电流关系——伏安特性电感元件(2)Liu动态元件记忆元件()()()()()dtdittLitutLdtdt000111()()()()1(0)()tttitutdtutdtutdtLLLiutdtL电感元件的的功率与储能电感元件(3)Liu储能功率可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身不消耗能量（无损）。储能元件以磁场方式储存()()()()()LditptutitLitdt21()()2LLWptdtLidiLit储能与电压无关有源元件特性理想电压源理想电流源实际电源有源电路元件(1)理想（独立）电压源–若二端元件两端电压不随流过它的电流变化，保持固定的数值（或变化规律），称此元件为理想（独立）电压源。–理想直流电压源的伏安特性为一条平行于电流轴的直线。uSuiuiuS0u=uS不随电流变化+-US一般电压源符号直流电压源或恒压源有源电路元件(2)理想（独立）电压源的特点输出电压恒定，输出电流由外部负载决定；即：电压源的—个重要特性是端电压在任何时刻都和流过的电流大小无关。理想电压源内部不消耗功率.有源电路元件(3)理想（独立）电流源–若流过二端元件的电流不随它两端电压变化，保持固定的数值（或变化规律），称此元件为理想（独立）电流源。–理想直流电流源的伏安特性为一条平行于电压轴的直线。符号伏安特性构成电路不随电压变化有源电路元件