第6章 储能元件
教案
课程: 电路分析基础
内容: 第六章储能元件
课时:3学时
教师：刘岚
教学环节教学过程
复习
引入新课
讲述新课简单回顾上次课的知识点。
在第一章中我们已经学习了电阻、独立电源和受控电源这几种常见的电路元件。
在这一章我们将学习电容和电感元件。
电容和电感是电路中的重要元件，应用十分广泛。
在这一章，我们将深入学习这两种元件的特性，为后续章节的应用学习打好基础。
多媒体课件展示：
第六章储能元件
一、设置悬念、激发探究
大家知道最早的电容是怎么样的么？莱顿瓶是由荷兰物理学家马森布洛克(1696－1761)在1745－1746年间发明的。
马森布洛克是荷兰莱顿人，故莱顿瓶因此而得名。
那个“瓶子”就是一个电容。
在那时候经常出现这种现象，即好不容易起得的电往往在空气中逐渐消失。
为了寻找一种保存电的方法，马森布洛克试图使电能贮藏在瓶子中。
把玻璃瓶的内壁与外壁都用金属箔贴上。
在莱顿瓶顶盖上插一根金属棒，它的上端连接一个金属球，它的下端通过金属链与内壁相连。
这样莱顿瓶实际上是一个普通的电容器。
若把它的外壁接地，而金属球连接到电荷源上，则在莱顿瓶的内壁与外壁之间会积聚起相当多的电荷。
当莱顿瓶放电时可以通过相当大的电流。
莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮存电的有效方法，为进一步深入研究电现象提供了一种新的强有力的手段，对电知识的传播与发展起了重要作用。
我们在这一章就将详细学习的电容和电感这两种储能元件。
二、电容元件
多媒体课件展示：6.1 电容元件。
(完整版)电路原理课后习题答案
因此， 时，电路的初始条件为
t〉0后，电路的方程为
设 的解为
式中 为方程的特解，满足
根据特征方程的根
可知，电路处于衰减震荡过程，，因此，对应齐次方程的通解为
式中 。由初始条件可得
解得
故电容电压
电流
7-29RC电路中电容C原未充电，所加 的波形如题7—29图所示，其中 , 。求电容电压 ，并把 ：（1）用分段形式写出;（2）用一个表达式写出。
或为
第六章“储能元件”练习题
6—8求题6-8图所示电路中a、b端的等效电容与等效电感.
（a） （b)
题6—8图
6—9题6—9图中 ， ； 。现已知 ，求：（1）等效电容C及 表达式;（2）分别求 与 ，并核对KVL。
题6-9图
解（1）等效电容
uC（0）=uC1（0)+uC2（0)=－10V
（2）
6—10题6-10图中 ， ； ， ， ，求：（1）等效电感L及 的表达式;（2）分别求 与 ，并核对KCL。
应用规则2，有 ，代入以上方程中，整理得
故
又因为
当 时,
即电流 与负载电阻 无关，而知与电压 有关.
5—7求题5-7图所示电路的 和输入电压 、 之间的关系。
题5-7图
解:采用结点电压法分析。独立结点 和 的选取如图所示，列出结点电压方程，并注意到规则1，得（为分析方便，用电导表示电阻元件参数)
应用规则2 ，有 ，代入上式,解得 为
（f）理想电流源与外部电路无关，故i=—10×10—3A=—10—2A
1-5试求题1—5图中各电路中电压源、电流源及电阻的功率（须说明是吸收还是发出）。
(a） (b） （c）
题1-5图
解（a）由欧姆定律和基尔霍夫电压定律可知各元件的电压、电流如解1—5图（a）故电阻功率 （吸收20W）
电路原理第6章
储能元件
6.1 电容元件
6.2 电感元件
电容、 6.3 电容、电感元件的串并联
6.1 电容元件
如果一个二端元件在任一时刻， 如果一个二端元件在任一时刻，其电荷与电压之间 的关系由uq平面上一条曲线所确定 平面上一条曲线所确定， 的关系由 平面上一条曲线所确定 ， 则称此二端元件 为电容元件。 为电容元件。 q q 电容器 _
结 论
(1) 元件方程的形式是相似的； 元件方程的形式是相似的； (2) 若把 u-i，q-ψ ，C-L， i-u互换 可由电容元件 互换,可由电容元件 ， ， 互换 的方程得到电感元件的方程； 的方程得到电感元件的方程；
(3) C 和 L称为对偶元件 Ψ 、q等称为对偶元素。 称为对偶元件, 等称为对偶元素。 称为对偶元件 等称为对偶元素 * 显然，R、G也是一对对偶元素 显然， 、 也是一对对偶元素 也是一对对偶元素: U=RI ⇔ I=GU I=U/R ⇔ U=I/G
电感器
把金属导线绕在一骨架上构 成一实际电感器， 成一实际电感器，当电流通过 线圈时，将产生磁通， 线圈时，将产生磁通，是一种 储存磁能的部件
i (t)
+
u (t)
-
1）线性电感
韦安特性曲线是通过坐标原点 一条的直线的电感元件称为线性 一条的 直线的电感元件称为线性 电感元件， 电感元件 ， 否则称为非线性电感 元件。 元件。 线性时不变电感元件的特性曲线是一条通过原点不随时 间变化的直线， 间变化的直线，其数学表达式为
3）电感的储能 ） 在电压电流采用关联参考方向的情况下， 在电压电流采用关联参考方向的情况下，电感 的吸收功率为 di p (t ) = u (t )i(t ) = i(t ) L dt 当p>0时，电感吸收功率；当p<0时，电感发出功率。 时 电感吸收功率； 时 电感发出功率。 电感在从初始时刻t 到任意时刻t时间内得到的 电感在从初始时刻 0到任意时刻 时间内得到的 能量为
电路 第五版 邱关源 第6章(新版)
3.并联的等效电感 并联的等效电感
串联的等效电感等于各个电感之和； 串联的等效电感等于各个电感之和； 并联等效电感的倒数等于各个电感倒数之和
本章小结
• 电容和电感元件的性质，作用 电容和电感元件的性质， • 电容和电感元件特性（库伏特性和伏安特 电容和电感元件特性（ 性） • 电容和电感元件的功率及能量 • 电容和电感串并联的等效电容
• 关于电感元件的结论： 关于电感元件的结论：
（1）电感元件是一个无源元件，动态元件，具有 ）电感元件是一个无源元件，动态元件， 记忆”功能的元件， “记忆”功能的元件， 短路直流的作用 （2）能储存和释放能量。具有短路直流的作用 ）能储存和释放能量。具有短路直流
（ ） 注: 1）实际的电感线圈的模型可用线性电感元件和电阻元 件串联组合。 件串联组合。 （2）非线性电感元件韦安特性不是直线 ）非线性电感元件韦安特性不是直线, 电感元件 （3）L ） 元件的参数
第六章： 第六章：储能元件
• 本章的重点： 1.电容和电感元件的特性和伏安关系 2.电容和电感的串并联的等效参数 • 本章难点： 对电容和电感元件特性的理解
§6-1 电容元件
一、电容元件符号： 电容元件符号： 二、电容元件特性（库伏特性） 电容元件特性（库伏特性）
任何时刻， 任何时刻 ， 当电压的参考方向 与电容元件极板上存储电荷的方向 一致时，电荷q与电压 成正比。 一致时，电荷 与电压 u 成正比。 C
分部电容，三极管极间存在的杂散电容。 分部电容，三极管极间存在的杂散电容。 (2)实际电容元件的模型是电容和电阻元件的并联组合。 实际电容元件的模型是电容和电阻元件的并联组合。 实际电容元件的模型是电容和电阻元件的并联组合
(3)非线性电容元件库伏特性不是直线，如变容 非线性电容元件库伏特性不是直线，
电路原理课后习题答案
第五版《电路原理》课后作业第一章“电路模型和电路定律”练习题1-1说明题1-1图（a）、（b）中：（1）u、i的参考方向是否关联？（2）ui乘积表示什么功率？（3）如果在图（a）中u>0、i<0；图（b）中u>0、i>0，元件实际发出还是吸收功率？（a）（b）题1-1图解（1）u、i的参考方向是否关联？答：(a) 关联——同一元件上的电压、电流的参考方向一致，称为关联参考方向；(b) 非关联——同一元件上的电压、电流的参考方向相反，称为非关联参考方向。
（2）ui乘积表示什么功率？答：(a) 吸收功率——关联方向下，乘积p = ui > 0表示吸收功率；(b) 发出功率——非关联方向，调换电流i的参考方向之后，乘积p = ui < 0，表示元件发出功率。
（3）如果在图 (a) 中u>0，i<0，元件实际发出还是吸收功率？答：(a) 发出功率——关联方向下，u > 0，i < 0，功率p为负值下，元件实际发出功率；(b) 吸收功率——非关联方向下，调换电流i的参考方向之后，u > 0，i > 0，功率p为正值下，元件实际吸收功率；1-4 在指定的电压u和电流i的参考方向下，写出题1-4图所示各元件的u和i的约束方程（即VCR）。
（a）（b）（c）（d）（e）（f）题1-4图解（a）电阻元件，u、i为关联参考方向。
由欧姆定律u = R i = 104 i（b）电阻元件，u、i为非关联参考方向由欧姆定律u = - R i = -10 i（c）理想电压源与外部电路无关，故u = 10V（d）理想电压源与外部电路无关，故u = -5V(e) 理想电流源与外部电路无关，故i=10×10-3A=10-2A（f）理想电流源与外部电路无关，故i=-10×10-3A=-10-2A1-5 试求题1-5图中各电路中电压源、电流源及电阻的功率（须说明是吸收还是发出）。
电路分析第06章-储能元件
*电感可储能，不耗能，是无源元件。其储能公式为
1 2 wL (t ) L i (t ) 2
14
例：已知电感两端电压波形
如图所示，i(0)=01mH
u(t) -
解：
1 t i (t ) i (0) u( )d L 0
p (t ) i (t ) u (t )
15
方法1：分段积分求表达式 。
1 0 t 1m s 0 1m s t 3m s u (t ) 1 3m s t 5m s 0 5m s t 7m s 1 7m s t 8m s
16
i (t ) i (0) 10
3
u(t) -
0.5
wC ( J )
1 3 5 7 9
t (ms)
7
解：
d u(t ) i (t ) C dt
p (t ) i (t ) u (t )
1 wC (t ) C u 2 (t ) 2
8
6-2 电感元件（inductance）
实际电感元件
L,L
A i ＋
用导线绕成的线圈
当i 增加时，WL>0，元件吸收能量；反之，元件释放能量。 可见，电感元件不把吸收的能量消耗掉，而是以磁场能量的 形式存储在磁场中。所以电感元件是一种储能元件。同时， 它也不会释放出多于它吸收或存储的能量，因此它又是一种 无源元件。 注意：今后，理想电感元件
电感元件
电感
L
L
R
12
实际电感元件的线圈导线电阻的损耗不可 忽略时，其电路模型由L、R串连组成。
C
5
*电容电压具有记忆性和连续性。
1 u ( t ) u ( t0 ) C
电容电感的VCR
+ + -
u1 u2
+
等效
i L
u
-
-
di di u u1 u2 ( L1 L2 ) L dt dt
等效电感
L L1 L2
4. 电感的并联
1 i1 L1
t
+ i i1
u (ξ )dξ
i2
L2
+
等效
i L
∞
u
L1
u
1 i2 L2
t
∞
u (ξ )dξ
-
-
1 1 t 1 t i i1 i2 u (ξ )dξ ∞u (ξ )dξ ∞ L L L 1 2
电容、电感的VCR （u、i关联）
du 电容： i C dt di 电感： u L dt
电容、电感 的特性
①直流稳定时电容相当于开路， 电感相当于短路。 ②电容和电感都是动态元件、储能 元件、记忆元件、无源元件。
6-3 电容、电感元件的串联与并联
内容
电容的串联 电容的并联
电感的串联
电感的并联
1. 电感定义
储存磁场能的两端元件。任何时刻，其特性可用 - i 平面上的一条曲线来描述。
f (,i) = 0
o
2. 线性时不变电感元件
任何时刻，通过电感元件的电流 i 与其磁 通链 成正比。 - i 特性为过原点的直线。
自感系数或 电感
L i
常用毫亨 mH
o
i
L 的单位名称：亨[利] 符号：H
(t ) Li(t )
电路符号:
3.线性电感的电压电流关系（VCR）
《储能技术》 第6章习题答案[5页]
第6章习题答案6-1 根据物理原理的不同，储热技术可以分为哪几类？答：根据物理原理的不同，储热技术可分为显热储热、潜热储热和热化学储热三种。
6-2 与显热储热技术相比，潜热储热技术最大的优势是什么？答：相较于显热储热，潜热储热的主要优势有两点，一是储热密度高于显热储热，二是可提供恒温的热能。
6-3 当液体显热储热材料静置于储罐中时，会出现温度分层现象，试简要说明温度分层产生的原因及其用于储热系统时的优点。
答：以水为例，在实际工程中，当水静置于水箱中时，由于散热会使得密度大的冷流体在重力作用下居于水箱底层，而密度小的高温流体居于水箱上层。
从提高系统性能的角度，水箱内的温度分层有两个优点：一是避免了冷热流体的掺混，当负载工质从水箱上层吸收热能时提高了热能利用的品位；二是由于集热器进口温度和效率呈负相关，所以集热器进口与水箱下层低温处相连可提高整个系统效率。
6-4 晶体生长率低、过冷度大会使得储存于相变材料的潜热难以充分利用，简要说明其原理。
答：过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。
由于匀相核化结晶活化能的存在，纯液体的结晶一般会在略低于熔点时开始。
晶核形成的同时，新相和液体之间的相界面也会形成，此过程会消耗能量，所消耗能量的大小依其表面能而定。
假如要形成的晶核太小，形成晶核产生的能量无法形成界面，就不会开始成核。
因此必须要温度够低，可以产生稳定的晶核，相变材料才会开始凝固。
因此，晶体生长率低、过冷度大，会导致相变材料无法在理论的凝固点附近凝固，不仅造成潜热难以充分利用，且导致放热过程难以保持在恒温工况，因此对于某些过冷度大的相变材料，如、水合盐，可使用成核剂使其过冷点接近于熔点。
6-5 在相变材料的封装过程中，要求气隙空间产生于远离热源的位置，试分析其原因。
答：相变前后显著的密度差异将导致材料在固相时会形成一个气隙空间，如果封装技术设计不当，这个气隙空间将会大大阻碍传热速率，由于空气的导热率比任何相变材料都要低几个数量级，因此当气隙空间产生于不合适的位置时，将成为相变材料吸热熔化时巨大的热阻。
电路原理课后习题答案
第五版《电路原理》课后作业之宇文皓月创作第一章“电路模型和电路定律”练习题1-1说明题1-1图（a）、（b）中：（1）u、i的参考方向是否关联？（2）ui乘积暗示什么功率？（3）如果在图（a）中u>0、i<0；图（b）中u>0、i>0，元件实际发出还是吸收功率？（a）（b）题1-1图解（1）u、i的参考方向是否关联？答：(a) 关联——同一元件上的电压、电流的参考方向一致，称为关联参考方向；(b) 非关联——同一元件上的电压、电流的参考方向相反，称为非关联参考方向。
（2）ui乘积暗示什么功率？答：(a) 吸收功率——关联方向下，乘积p = ui > 0暗示吸收功率；(b) 发出功率——非关联方向，调换电流i的参考方向之后，乘积p = ui < 0，暗示元件发出功率。
（3）如果在图 (a) 中u>0，i<0，元件实际发出还是吸收功率？答：(a) 发出功率——关联方向下，u > 0，i < 0，功率p为负值下，元件实际发出功率；(b) 吸收功率——非关联方向下，调换电流i的参考方向之后，u > 0，i > 0，功率p为正值下，元件实际吸收功率；1-4 在指定的电压u和电流i的参考方向下，写出题1-4图所示各元件的u和i的约束方程（即VCR）。
（a）（b）（c）（d）（e）（f）题1-4图解（a）电阻元件，u、i为关联参考方向。
由欧姆定律u = R i = 104 i（b）电阻元件，u、i为非关联参考方向由欧姆定律u = - R i = -10 i（c）理想电压源与外部电路无关，故u = 10V （d）理想电压源与外部电路无关，故u = -5V(e) 理想电流源与外部电路无关，故i=10×10-3A=10-2A （f）理想电流源与外部电路无关，故i=-10×10-3A=-10-2A1-5 试求题1-5图中各电路中电压源、电流源及电阻的功率（须说明是吸收还是发出）。
邱关源《电路》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解
解： （1）图1-14(a)所示 电压源u、i参考方向非关联，发出功率：
电阻元件吸收功率：
电流源u、i参考方向关联，吸收功率：
图1-14
（2）图1-14(b)所示
电阻元件吸收功率：
电流源u、i参考方向非关联，发出功率： 电压源u、i参考方向非关联，发出功率：
目 录
8.2 课后习题详解 8.3 名校考研真题详解 第9章 正弦稳态电路的分析 9.1 复习笔记 9.2 课后习题详解 9.3 名校考研真题详解 第10章 含有耦合电感的电路 10.1 复习笔记 10.2 课后习题详解 10.3 名校考研真题详解 第11章 电路的频率响应 11.1 复习笔记 11.2 课后习题详解 11.3 名校考研真题详解 第12章 三相电路 12.1 复习笔记 12.2 课后习题详解 12.3 名校考研真题详解 第13章 非正弦周期电流电路和信号的频谱 13.1 复习笔记 13.2 课后习题详解 13.3 名校考研真题详解 第14章 线性动态电路的复频域分析 14.1 复习笔记 14.2 课后习题详解 14.3 名校考研真题详解 第15章 电路方程的矩阵形式 15.1 复习笔记 15.2 课后习题详解 15.3 名校考研真题详解 第16章 二端口网络 16.1 复习笔记
图1-11
解： 根据关联参考方向、功率吸收和发出的相关概念可得：
图1-11(a)，对于NA ，u、i的参考方向非关联，乘积ui对NA 意味着发出功率；对于NB ，u，i的参考方向关 联，乘积ui对NB 意味着吸收功率。
图1-11(b)，对于NA ，u、i的参考方向关联，乘积ui对NA 意味着吸收功率；对于NB ，u，i的参考方向关 联，乘积ui对NB 意味着发出功率。
高等教育出版社第六版《电路》第6章_储能元件
1 2
u (t2 )
u du
1 2 Cu ( t1 )
2
u ( t1 )
2
Cu ( t 2 )
W C ( t 2 ) W C ( t1 )
4
三、非线性电容元件和时变电容元件： 四、电容效应和电容元件：
5
§6-2 电感元件
一、伏安关系：
1、韦安特性：
N ψL
§1-7 电感元件
第六章
储能元件
1
§6-1 电容元件
一、伏安关系：
qi + u 1、库伏特性： 参考方向（如图） q Cu 过原点的一条直线 单位：µ F、pF 2、伏安关系：参考方向关联时。
i dq dt
i C du dt
q
+
-
0
u
“归一化”元件值F
①理解
②评价
在电路分析中，它具有与欧姆定律相同的地位。 称之为电容元件的元件特性，元件约束或约束方程。 欧姆定律是线性电阻元件的约束方程。
WL
di dt
1 2 Li ( t ) 0
2
t
pd
t
Li
di d
d
i( )
1 2
i(t )
Li di
1 2
Li ( t )
2
从时间 t1 到 t2 内，电感元件吸收的能量
WL L
i( t2 )
无源元件
7
idi
1 2
i ( t1 )
Li ( t 2 )
) ud
t0
i (t 0 )
1 L eq
t