電路剖析基礎(很好用)

1、電路剖析基礎(很好用)本章的學習目的和要求 本章內容是貫穿全課程的重要理論基礎，要求在學習中給予足夠的重視。通過對本章學習，要求理解理想電路元件和電路模型的概念；進一步熟悉電壓、電流、電動勢和電功率等基本物理量的概念；深刻理解和掌握參考方向在電路分析中的作用；初步理解和掌握基爾霍夫定律的內容及其應用；領會電路等效的概念和掌握電路等效的基本方法。1.1 電路和電路模型 電路的概念 由實際元器件構成的電流的通路稱為電路。1、電路的組成及其功能 電路通常由電源、負載和中間環(huán)節(jié)三部分組成。 電路的組成1、電路的組成及其功能火線.零線電源連接導線和其余設備為中間環(huán)節(jié)負載 電路的功能1、電路的組成及其功能

2、 電路可以實現(xiàn)電能的傳輸、分配和轉換。電力系統(tǒng)中電子技術中 電路可以實現(xiàn)電信號的傳遞、變換、存儲和處理。2、電路模型實體電路負載電源開關連接導線SRL+ UIUS+_R0電路模型電源負載中間環(huán)節(jié) 用抽象的理想電路元件及其組合，近似地代替實際的器件，從而構成了與實際電路相對應的電路模型。 理想電路元件2、電路模型R+ US電阻元件只具耗能的電特性電容元件只具有儲存電能的電特性理想電壓源輸出電壓恒定，輸出電流由它和負載共同決定理想電流源 輸出電流恒定，兩端電壓由它和負載共同決定。L電感元件只具有儲存磁能的電特性IS 理想電路元件是實際電路器件的理想化和近似，其電特性單一、精確，可定量分析和計算。C

3、 利用電路模型研究問題的特點2、電路模型1、電路模型是用來探討存在于具有不同特性的、各種真實電路中共同規(guī)律的工具。2、電路模型主要針對由理想電路元件構成的集總參數(shù)電路，集總參數(shù)電路中的元件上所發(fā)生的電磁過程都集中在元件內部進行，任何時刻從元件兩端流入和流出的電流恒等、且元件端電壓值確定。因此電磁現(xiàn)象可以用數(shù)學方式來精確地分析和計算。3、電路分析基本理論中運用電路模型，其主要任務就是在尋求實際電路共有的一般規(guī)律、探討各種實際電路共同遵守的基本規(guī)律時帶來方便。檢驗學習結果電路由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？何謂理想電路元件？其中“理想”二字在實際電路的含義？集總參數(shù)元件有何特征？如何在電路中區(qū)

4、分電源和負載？試述電路的功能？何謂“電路模型”？ 學好本課程，應注意抓好四個主要環(huán)節(jié)：提前預習、認真聽課、及時復習、獨立作業(yè)。還要處理好三個基本關系：聽課與筆記、作業(yè)與復習、自學與互學。1、電流1.2 電路的基本物理量 電流的大小i dqdt=（1-1）穩(wěn)恒直流情況下I Q t=（1-2）1A=103mA=106A=109nA單位換算 電流的方向 習慣上規(guī)定以正電荷移動的方向為電流的正方向。 電路圖上標示的電流方向為參考方向，參考方向是為列寫方程式提供依據(jù)的，實際方向根據(jù)計算結果來定。2、電壓、電位和電動勢Ia 電位V是相對于參考點的電壓。 參考點的電位:Vb=0；a點電位：Va=E-IR0=

5、IRb+ URL_SE+R0 電動勢E只存在電源內部，其數(shù)值反映了電源力作功的本領，方向規(guī)定由電源負極指向電源正極 路端電壓U。電壓的大小反映了電場力作功的本領；電壓是產生電流的根本原因；其方向規(guī)定由“高”電位端指向“低”電位端。 三者的定義式2、電壓、電位和電動勢Uab=WaWbqVa=WaW0qE=W源q 顯然電壓、電位和電動勢的定義式形式相同，因此它們的單位一樣，都是伏特V。 電壓等于兩點電位之差： 三者的區(qū)別和聯(lián)系Uab=VaVb 電源的開路電壓在數(shù)值上等于電源電動勢； 電路中某點電位數(shù)值上等于該點到參考點的電壓。3、電功和電功率 電流能使電動機轉動、電爐發(fā)熱、電燈發(fā)光，說明電流具有做

6、功的本領。電流做的功稱為電功。單位：U【V】；I【A】；t【s】時，電功W為焦耳【J】若U【KV】；I【A】；t【h】時，電功W為度【KWh】1度電的概念1000W的電爐加熱1小時100W的燈泡照明10小時40W的燈泡照明25小時 日常生活中，用電度表測量電功。當用電器工作時，電度表轉動并且顯示電流作功的多少。顯然電功的大小不僅與電壓電流的大小有關，還取決于用電時間的長短。W=UIt3、電功和電功率 單位時間內電流所作的功稱為電功率，電功率的大小表征了設備能量轉換的本領。P=UI=I2R=U2/R國際單位制：U 【V】，I【A】，電功率P用瓦特【W(wǎng)】。 用電器的銘牌數(shù)據(jù)值稱為額定值，額定值指用

7、電器長期、安全工作條件下的最高限值，一般在出廠時標定。 額定電功率反映了設備能量轉換的本領。例如額定值為“220V、1000W”的電動機，是指該電動機運行在220V電壓時、1秒鐘內可將1000焦耳的電能轉換成機械能和熱能；“220V、40W”的電燈，表明該燈在220V電壓下工作時，1秒鐘內可將40焦耳的電能轉換成光能和熱能。 關聯(lián)和非關聯(lián)4、參考方向aI負載元件Ub關聯(lián)參考方向aI電源元件Ub 實際電源上的電壓、電流方向總是非關聯(lián)的，實際負載上的電壓、電流方向是關聯(lián)的。因此，假定某元件是電源時，其電壓、電流方向應選取非關聯(lián)參考方向；假定某元件是負載時，其電壓、電流方向應選取關聯(lián)參考方向。非關聯(lián)

8、參考方向 關于參考方向的有關注意事項4、參考方向(1)分析電路前應選定電壓電流的參考方向，并標在圖中；(2)參考方向一經(jīng)選定，在計算過程中不得任意改變。參考方向是列寫方程式的需要，是待求值的假定方向而不是真實方向，因此不必追求它們的物理實質是否合理。(4)參考方向也稱為假定正方向，以后討論均在參考方向下進 行，實際方向由計算結果確定。(3)電阻、電抗或阻抗一般選取關聯(lián)參考方向，獨立源上一般選取非關聯(lián)參考方向。(5)在分析、計算電路的過程中，出現(xiàn)“正、負”、“加、減”及“相同、相反”這幾個名詞概念時，不可混為一談。仔細理解下面的例題 圖示電路，若已知元件吸收功率為20W，電壓U為5V，求電流I。

9、+UI元 件I=PU=205=4A 解 圖示電路，已知元件中通過的電流為100A，電壓U為10V，電功率P。并說明元件性質。+UI元 件 解P=UI=10(-100)=1000W元件吸收正功率，說明元件是負載。例例想想、練練 電壓、電位、電動勢有何異同？ 電功率大的用電器，電功也一定大，這種說法正確嗎？為什么？ 電路分析中引入?yún)⒖挤较虻哪康氖菫榉治龊陀嬎?電路提供方便和依據(jù)。思考 回答 在電路分析中，引入?yún)⒖挤较虻哪康氖鞘裁矗?應用參考方向時，你能說明“正、負”、“加、減”及“相同、相 反”這幾對名詞的不同之處嗎？ 應用參考方向時，“正、負” 指在參考方向下，電壓電流數(shù)值前面的正、負號，若參考

10、方向下某電流為“2A”，說明其實際方向與參考方向相反，參考方向下某電壓為“20V”，說明其實際方向與參考方向一致；“加、減”指參考方向下電路方程式各項前面的正、負符號； “相同”是指電壓、電流參考方向關聯(lián)，“相反”指的是電壓、電流參考方向非關聯(lián)。 1、幾個常用的電路名詞1.3 基爾霍夫定律 支路：一個或幾個二端元件首尾相接中間無分岔， 使各元件上通過的電流相等。 （m） 結點：三條或三條以上支路的匯集點。 （n） 回路：電路中的任意閉合路徑。 （l） 網(wǎng)孔：不包含其它支路的單一閉合路徑。m=3abl=3n=2112332網(wǎng)孔=2+_R1US1+_US2R2R32、結點電流定律KCL KCL定律

11、的內容 任一時刻，流入電路中任一結點上電流的代數(shù)和恒等于零。數(shù)學表達式為：I1I2I3I4aI1 + I2 I3 I4 = 0 通常規(guī)定以指向結點的電流取正，背離結點的電流取負。在此規(guī)定下，根據(jù)KCL可對結點 a列出KCL方程：i = 0 （任意波形的電流）I = 0 （穩(wěn)恒不變的電流）KCL的有關舉例與討論 舉例1i1i4i2i3整理為 i1+ i3= i2+ i4可列出KCL：i1 i2+i3 i4= 0根據(jù) i（t）= 0可得KCL的另一種形式：i入= i出KCL的推廣應用 對圖示電路的三個結點分別列KCL即 I = 0IA + IB + IC = 0 可見，在任一瞬間通過任一封閉面的電

12、流的代數(shù)和也恒等于零。IAIBIABIBCICAICABCIA = IAB ICAIB = IBC IABIC = ICA IBC 把上述三式相加可得KCL的推廣應用 二端網(wǎng)絡的兩個對外引出端子，電流由一端流入、從另一端流出，因此兩個端子上的電流數(shù)值相等。只有一條支路相連時： i=0ABi1i2i3IA = IAB ICAABi1i2ABi 圖示B封閉曲面均可視為廣義結點，KCL應用舉例 jA = j B?ABi2i1i1 =i2jA = j B+_1+_113V1112Vi1 = i2?右封閉曲面可視為廣義節(jié)點？ 舉例13、回路電壓定律KVL 任一瞬間，沿任一回路參考繞行方向，回路中各段電壓

13、的代數(shù)和恒等于零。數(shù)學表達式為：U=0 基爾霍夫電壓定律是用來確定回路中各段電壓之間關系的電壓定律。 回路電壓定律依據(jù)“電位的單值性原理”，其內容：I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4先標繞行方向根據(jù)： U = 0得：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4電阻壓降可得KVL另一形式：IR=US電源壓升KVL定律的第二種形式根據(jù)電路圖將各電壓改寫為：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0

14、把上式加以整理：KVL定律的推廣應用 或寫作對假想回路列 KVL：USIUR+_+_US IR U = 0U = US IRKVL定律的推廣應用 ABCUA+_UAB+_UB+_UA UB UAB = 0UAB = UA UB 對假想回路列 KVL：或寫作KVL定律應用舉例 #1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2根據(jù) U=0對回路#1列KVL方程電阻壓降電源壓升即電阻壓降等于電源壓升#1方程式也可用常用形式對回路#2列KVL常用形式KVL定律應用舉例 #1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2此方程式不獨立省略！對回路#3列KVL方程圖示電路KVL獨立方程為 K

15、VL方程式的常用形式，是把變量和已知量區(qū)分放在方程式兩邊，顯然給解題帶來一定方便?；鶢柣舴蚨蓱门e例？ 舉例1：求圖中電壓U和電流I。UIKCL：-3-1+2-I=0 I= -2AVAR: U1=3I=3(-2)= -6VKVL：U+U1+3-2=0 U=5V3A3V2V3WU11A2A 解基爾霍夫定律應用舉例？ 解 舉例2：求圖中電位Va。14A23V-I=0aVa=U1+3V=(4) 1+3=1VU1檢驗學習結果根據(jù)自己的理解說明什么是支路？回路？結點和網(wǎng)孔？某電壓或某電流得負值說明什么？基爾霍夫兩定律的推廣應用如何理解和掌握？列寫KCL、KVL方程式前，不在圖上標出電壓、電流和繞行參考

16、方向行嗎？1、理想電壓源1.4 電壓源和電流源理想電壓源的定義理想電壓源的特點能獨立向外電路提供恒定電壓的二端元件。恒壓不恒流。US恒定，I由電源和外電路共同決定。USUI0理想電壓源的伏安特性理想電壓源的圖符號平行于電流軸的一條直線US理想電壓源的開路與短路開路I=0US+_RL+_U=USI=US+_RL短路+_U=0理想電壓源不允許短路！理想電壓源上的功率計算關聯(lián)參考方向下+UIP發(fā)=UI 非關聯(lián)參考方向下P發(fā)=UI +UI P吸=UIP吸= UI理想電壓源的串聯(lián)與并聯(lián)串聯(lián)US= USk 電壓值相同的電壓源才能并聯(lián)，且每個電源的電流不確定。US2+_+US1注意參考方向US= US1 U

17、 S25V+_+_5VI5V+_I+_US并聯(lián)2、理想電流源理想電流源的定義理想電流源的特點能獨立向外電路提供恒定電流的二端元件。恒流不恒壓。IS恒定，U由電源和外電路共同決定。ISIU0理想電流源的伏安特性理想電流源的圖符號平行于電壓軸的一條直線IS理想電流源的開路與短路開路I=IS+_U=短路+_U=0 理想電流源輸出的電流值恒定，開路時由于理想電流源內阻無窮大，因此其端電壓將趨近于無窮大！ISRLISRLI=IS因此，理想電流源不允許開路！光電池、穩(wěn)流三極管一般可視為實際電流源。理想電流源的開路與短路開路I=IS+_U=短路+_U=0 理想電流源輸出的電流值恒定，開路時由于理想電流源內阻

18、無窮大，因此其端電壓將趨近于無窮大！ISRLISRLI=IS因此，理想電流源不允許開路！光電池、穩(wěn)流三極管一般可視為實際電流源。理想電流源的串聯(lián)與并聯(lián) IS1 IS2 IS3 IS并聯(lián)IS= ISk 注意參考方向IS= IS1+ IS2 IS3 電流相同的理想電流源才能串聯(lián)，且每個恒流源的端電壓均由它本身及外電路共同決定。串聯(lián)想想練練ISUS ISUS IS1 IS2US1US2？ US？ IS？ ISIs=Is2-Is1 在電路等效的過程中，與理想電壓源相并聯(lián)的電流源不起作用！ 與理想電流源相串聯(lián)的電壓源不起作用！3、實際電源的兩種電路模型IbUSUR0RL+_+_aIURLR0+IS R0

19、U ab 若實際電源輸出的電壓值變化不大，可用電壓源和電阻相串聯(lián)的電源模型表示，即實際電源的電壓源模型。 若實際電源輸出的電流值變化不大，則可用電流源和電阻相并聯(lián)的電源模型表示，即實際電源的電流源模型。兩種實際電源模型的外特性電壓源模型外特性USUI0ISIU0電流源模型外特性 實際電源總是存在內阻的。若把電源內阻視為恒定不變，則電源內部、外部的消耗就主要取決于外電路負載的大小。在電壓源形式的電路模型中，內外電路的消耗是以分壓形式進行的；在電流源形式的電路模型中，內外電路的消耗是以分流形式進行的。檢驗學習結果1、理想電壓源和理想電流源各有什么特點？它們與實際電源的主要區(qū)別在哪里？2、碳精送話器

20、的電阻隨聲音的強弱變化，當電阻阻值由300變至200時，假設由3V理想電壓源對它供電，電流變化為多少？3、實際電源的電路模型如課本上圖1.13（a）所示，已知電源為20V,負載電阻為50，當內阻分別為0.2 和30時，流過負載的電流各為多少？由計算結果可說明什么問題？4、當電流源內阻很小時，對電路有什么影響？1、電阻之間的等效變換1.5 電路的等效變換即：R = R1 + R2RUI+R1R2UI+串聯(lián)電路電阻等效是“和”的關系即：R2R1IU+UR+I并聯(lián)電路電阻等效是“倒數(shù)和的倒數(shù)”關系電阻的混聯(lián)電路求解舉例1KIU+6K3K6K 已知圖中U=12V，求I=？解R=6/(1+3/6)=2K

21、I=U/R=12/2)=6mAUR+IY形網(wǎng)絡與形網(wǎng)絡之間的等效123I1R1R2R3U12123I1R12R23R31U12Y網(wǎng)絡與網(wǎng)絡等效舉例150A150150150150BAB505050150150求RAB解無論是Y電阻網(wǎng)絡還是電阻網(wǎng)絡，若3個電阻的阻值相同，其等效電阻網(wǎng)絡中3個電阻的阻值也相等，有RAB=50+(50+150)/(50+150)=1502、電源之間的等效變換Us = Is R0內阻不變改并聯(lián)Is = UsR0U+IaRLR0IS R0US b兩種電源模型之間等效變換時，內阻不變。IU+_bUSR0RL+_a內阻不變改串聯(lián)利用電源之間的等效簡化電路舉例I=0.5A+_

22、15V_+8V77 I 5A347 2A I=？ 6A+_ U 55 10V 10V即：U=82.5=20V 2A 6A+_ U 5 5 8A+_U 2.5求I=?求U=?注意對以下問題的理解 等效條件：對外部等效，對內部不等效； 理想電源之間不能等效互換，實際電源模型之間可以等效變換； 實際電源模型等效變換時應注意等效過程中參數(shù)的計算、電源數(shù)值與其參考方向的關系； 電阻之間等效變換時一定要注意找對結點，這是等效的關鍵； 與理想電壓源并聯(lián)的支路對外可以開路等效； 與理想電流源串聯(lián)的支路對外可以短路等效。1、電路中各點電位的計算1.6 直流電路中的幾個問題 電路中某一點的電位是指由這一點到參考點

23、的電壓；原則上電路參考點可以任意選取通常可認為參考點的電位為零值Va = US1Vc = US2Vb = I3 R3若以d為參考點，則:+US1 US2簡化電路US1+_R1+_US2R2R3I3abcddabcR1R2R3？電位的計算應用舉例 解 舉例1：分別以A、B為參考點計算C和D點的電位及UCD。I =10 + 53 + 2= 3 AVC = 3 3 = 9 VVD= 3 2= 6 V以B為參考點時VD = 5 VVC = 10 VUCD = VC VD= 15 V10 V2 +5 V+3 BCDIAUCD = VC VD = 15 V以A為參考點時電位的計算應用舉例 舉例2：下圖所示

24、電路，求S打開和閉合時a點電位各為多少？a12V6K4K20KS12VI=12-(-12) (6+4+20)=0.8mAIVa=12-0.820=4V12V20KS12V4K6KaII=12(20+4)=0.5mAVa=0.54=2V 解S斷開時，圖中三個電阻為串聯(lián)S閉合時，等效電路如下圖所示2、電橋電路電橋電路是一個復雜電路，如圖所示：abcdR1R2R3R4R0USR 電橋電路中的電阻R1、R2、R3、R4稱為電橋電路的4個橋臂，R構成了橋支路，接在a、b兩結點之間；含有內阻的電源接在c、d兩個結點之間。 一般情況下，a、b兩點的電位不相等，R所在的橋支路有電流通過。若調整R1、R2、R3

25、和R4的數(shù)值滿足對臂電阻的乘積相等時，a、b兩點就會等電位，則橋支路中無電流通過，這時我們稱電橋達到“平衡”，平衡電橋如圖所示：abcdR1R2R3R4R0USabcdR1R2R3R4R0US2、電橋電路 實際應用中，常常利用平衡電橋測量電阻?；菟沟请姌蚓褪菓脤嵗?橋臂中有一個為待測電阻Rx，其余三個橋臂中有兩個數(shù)值已知，組成比率臂，另一個和待求電阻Rx構成另一對橋臂。橋支路接一檢流計，接電源后，調整橋臂數(shù)值，讓檢流計的計數(shù)為零，此時再根據(jù)其余三個橋臂的數(shù)值算出Rx的數(shù)值： Rx=R2R3/R12、電橋電路abcdR1R2R3R4R0US 電橋平衡時顯然是一個簡單電路。直流電橋按其功能可分為直流單臂電橋和直流雙臂電橋，其中直流單臂電橋主要適合精確測量1以上的電阻，所以使用比較廣泛。 在實驗中，電橋是否平衡對測量結果影響非常大。電橋的平衡依賴于對檢流計示零的判斷。 3、負載獲得最大功率的條件RLSUSIR0 當?shù)诙椫械姆肿訛榱銜r，分母最小，此時負載上獲得