电工技能培训专题-电路-电路模型及定律.ppt
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1、电 路,Thursday, April 8, 2021,无处不在的电路,Thursday, April 8, 2021,绪 论,1. 课程的地位,电气信息类、电子信息科学类等专业的重要基础课。,如:模拟电子技术、数字电子技术、高频电子线路、电机学(或电机与拖动)、电力系统分析、自控原理、信号与系统、控制元件(或控制电机)、电力电子技术、集成电路设计等课程都用到电路理论。,考研课程。,2. 电路理论及相关技术的发展简史(自学),Thursday, April 8, 2021,3. 电路课程的基本结构 一个假设(集总假设) 两类约束(元件约束和拓扑约束) 基本方法(叠加、分解、变换域和系统分析)
2、叠加方法的理论基础是叠加定理(第4章) 分解方法的理论基础是替代定理、戴维宁定理、诺顿定理和互易定理(第4章) 变换域方法包含相量分析法(第8章)和域分析法(第14章) 系统分析(第15章),一般分析(第3章),绪 论,Thursday, April 8, 2021,第一章 电路模型和电路定律,1.1 电路和电路模型 1.2 电流和电压的参考方向 1.3 电功率和能量 1.4 电路元件 1.5 电阻元件 1.6 电压源和电流源 1.7 受控电源 1.8 基尔霍夫定律,Thursday, April 8, 2021,基本要求,正确理解理想电路元件的电流和电压的参考方向的意义,掌握在所示的参考方向
3、下的理想电路元件的伏安方程和功率计算。 理解受控源的特点,掌握含有受控源电路的分析。 熟练掌握基尔霍夫定律,要求从物理概念上加深理解,并能正确灵活地运用。,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和电路模型,在实践中,为了达到某种目的,人们需要设计、安装一些实际电路,并让它运行。,作用: 电能量的传输、分配与转换;信号传递与处理;存储信息等。,1.1.1 实际电路 构成电流通路的一切设备的总和。,Thursday, April 8, 2021,构成实际电路的电器件,电源,电阻器,蓄电池,交流稳压电源,1.1 电路和电路模型,Thursday, April 8, 2021,1
4、.1 电路和电路模型,电容器,电感线圈,铁心电抗器,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和电路模型,变压器,晶体管和集成电路,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和电路模型,电源:对电路提供电能或电信号的设备。,负载:取用电能的设备。 在电源作用下,电路中产生了电压和电流。所以电源又称为 激励,而在电路中产生的电压和电流则称为响应。 根据这种因果关系,激励与响应有时也称为输入与输出。,尽管实际电路种类繁多,千变万化,但都受基本规律的 支配电路理论。,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和电路模型,1.1.2 关于电路理论,
5、是一门研究网络分析与综合或设计的基础工程学科,与近代系统理论关系密切。 研究的方法:通过建立一种电路模型来分析电路中发生的电磁现象,并用电流、电压、电荷和磁通等物理量描述其中的过程。 研究的内容:本课程主要研究电路的基本定律、定理和各种计算方法,以便求解电路中的某些物理量。 一般不涉及器件内部发生的物理过程。 研究的对象:是电路模型而不是实际电路。,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和电路模型,在直流情况下的模型是一个电阻元件;,1.1.3 电路模型, 实际器件不只表现出一种电路性质。 例如:一个线圈,而当频率较高时,还要考虑电容效应,其模型中还应包含电容元件。,在较
6、低频率情况下的模型是一个电阻元件和一个电感元件的串联组合;,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和电路模型,理想电路元件是具有某种确定电磁性质的假想元件,是一种理想化模型并具有精确的数学定义,即电压电流方程。,在电路模型中,各理想电路元件均由“理想导线”连接起来。 根据端子的数目,理想电路元件分为: 两端、三端和四端元件等。,电路模型是实际电路的理想化的模型。,为了分析方便,在一定的条件下,对实际器件加以理想化 处理,突出主要的电磁特性而忽略它的次要性质,用理想电路 元件或它们的组合来表示实际器件(建模)。,Thursday, April 8, 2021,1.1 电路和
7、电路模型,最简单的实际电路和它的理想化模型,(a) 实际电路 (b) 电原理图 (c) 电路模型 (d) 拓扑结构图,Thursday, April 8, 2021,电路理论涉及的物理量主要有:,电流、电压、电荷、磁通、磁链、电功率、电能量等; 时变量用小写字母表示: i(t) 、u(t) 、q(t) 、f (t) 、y (t) 、p(t) 、w(t),恒定量用大写字母表示: I 、U 、Q 、F 、Y 、P 、W,1.2 电流和电压的参考方向,电路分析中主要关心的物理量是电流、电压和功率。,Thursday, April 8, 2021,1.2 电流和电压的参考方向,1.2.1 参考方向 电
8、流的实际方向: 正电荷的运动方向。,参考方向的选定是任意的,不一定与实际方向相符。,在电路分析中,当电流的流向不定或者难以判别时,先任意选定一个方向作为电流的方向,这个方向叫做电流的参考方向。,Thursday, April 8, 2021,1.2 电流和电压的参考方向,在电路模型中,电流的参考方向一般用箭头表示。,参考方向也可以用双下标表示:如iAB,其参考方向是由A指向B。,若求出的 i 0,说明参考方向与实际方向一致。,若求出的i 0,说明参考方向与实际方向相反。,Thursday, April 8, 2021,1.2 电流和电压的参考方向,电压的实际方向:由高电位指向低电位。,与电流方
9、向的处理方法类似: 任选一方向为电压的参考方向。,若求得的 u为正值,说明电压的实际极性与参考极性一致,否则说明两者相反。,或者说 参考极性 。,电压的参考方向也可以用双下标表示:如 uAB ,其参考方向是由A指向B。,Thursday, April 8, 2021,1.2 电流和电压的参考方向,养成习惯:分析电路时,先指定各处电流和电压的参考方向!,指定参考方向后,电流和电压成为代数量,因此可用函数表示。否则,电流和电压的正负无意义。对一段电路或一个元件上的电压参考方向和电流参考方向可以独立地加以任意指定。,关联参考方向:电流与电压的参考方向一致。,关联参考方向,非关联参考方向,Thursd
10、ay, April 8, 2021,1.3 电功率和能量,当电流通过电炉和灯泡时,能使它们生热、发光。这说明电源提供的能量能通过负载转换为其他种不同形式的能量。,正电荷从元件上电压的“”极,经元件移到电压的“”极,是电场力对电荷作功,这时元件吸收能量。,反之,电场力作负功,元件向外释放能量。,Thursday, April 8, 2021,1.3 电功率和能量,如果A、B两点间的电压为 u,且在 dt 时间内将dq库仑的电荷从A点移到B点,则电场力所做的功为:,在t0到t时间内,元件吸收的电能量为:,吸收(或产生)能量的速率,即为功率:,dw =,u,dq,=,u,i dt,w(t) =,t,
11、t0,u(x),i(x),dx,p(t) =,dw(t),dt,=,u(t),i(t),Thursday, April 8, 2021,1.3 电功率和能量,功率计算公式 p = ui 不仅适合于一个元件,也适用于任何一段电路。,在关联参考方向下: p0,说明吸收功率。 p0,说明吸收负功率,实际上是发出功率。,在非关联参考方向下: p0 说明发出功率, p0 说明发出负功率,实际上是吸收功率。,Thursday, April 8, 2021,1.3 电功率和能量,u, i 取关联参考方向 , Pui 表示元件吸收功率。,对一完整的电路,发出的功率消耗的功率,满足功率平衡。,例:计算图示电路各
12、元件的功率。,解:,u=5V,,i = 2A,P5V = ui,= 5( 2),= 10W,发出10W功率,实际吸收10W功率。,u, i 取非关联参考方向 , Pui 表示元件发出功率。,P2A = ui,= 5( 2),= 10W,吸收10W功率,实际发出10W功率。,Thursday, April 8, 2021,1.4 电路元件,1. 集总参数元件:对于一个电器件,当不考虑其电流、电压在空间分布的情况时,叫做集总参数元件。 2. 集总假设条件:器件尺寸远小于电路工作频率所对应的波长。例如音频信号 : 频率 f = 20kHz,光速 v =3108 m/s。则波长l,=,v / f,=,
13、15km,远距离输电线路、电视天线等电路不满足集总假设条件。,实验室里的电路板及其电器件的尺寸都满足集总假设条件。,“集总”意味着把元器件的电场和磁场分开,电场只与电容器件有关;磁场只与电感器件有关;两种场之间不存在相互作用。本书讨论的电路元件都是集总参数元件或称集总元件。,Thursday, April 8, 2021,1.4 电路元件,由集总元件构成的电路称为集总电路。,在集总电路里,电流、电压除了在元件上应满足元件约束之外,还要满足基尔霍夫定律(拓扑约束)。,电流进出相等,电压为单值,任一时刻,3. 电路元件分为:,二端(单口)、三端或四端(双口);,有源和无源;,线性和非线性;,时变和
14、时不变;,有记忆和无记忆;,单向和双向,Thursday, April 8, 2021,1.5 电阻元件,在一定的条件下,电阻器、灯泡、电 炉等电器件的模型就是一个二端线性电阻 元件。在任何时刻,它两端的电压和通过 它的电流关系都服从欧姆定律。,R 为元件的电阻,是一个正实常数。 单位:u用 V,i用A时, R为 。,i,=,u,R,或,u = Ri,1.5.1 若电压和电流采用关联参考方向,则,Thursday, April 8, 2021,1.5 电阻元件,令 G,则欧姆定律变成:i = G u G 称为元件的电导,单位是S(西)。 R和G都是电阻元件的参数。,伏安特性,线性电阻的伏安特性
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