《電路原理》第一章電路模型和電路定律.ppt

1、第一章電路模型和電路定律,circuit model,circuit laws,1. 電壓、電流的參考方向,3. 基爾霍夫定律,重點,2. 電路元件特性,本章要求,充分理解和掌握電流的參考方向和電壓的參考極性兩個概念； 明確電路元件的電壓與電流間的關(guān)系； 熟練掌握基本定律，靈活運用,主要內(nèi)容,電路和電路模型 電流 、電壓和功率 電路元件 基爾霍夫定律,電路的概念,由實際元器件構(gòu)成的電流的通路稱為電路,1、電路的組成及其功能,1.1 電路和電路模型,電路通常由電源、負載和中間環(huán)節(jié)（傳輸控制器件）三部分組成,電路的組成,1、電路的組成及其功能,電源,連接導(dǎo)線和其余設(shè)備為中間環(huán)節(jié),負載,電源(sou

2、rce): 提供電能或發(fā)出電信號的設(shè)備,負載(load): 消耗電能或接收電信號的裝置,傳輸控制器件：電源和 負載中間的連接部分,電路的組成,實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換 如發(fā)電系統(tǒng)、電力傳輸系統(tǒng) 實現(xiàn)信號的傳遞變換，存儲與處理 電視機 、電話、雷達信號處理、通信信號處理等,電路的作用,2、電路模型,實體電路,負載,電源,開關(guān),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(gòu)成了與實際電路相對應(yīng)的電路模型,理想電路元件,電阻元件 消耗電能的元件,電容元件產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件,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

3、流恒定，兩端電壓由它和負載共同決定,電感元件產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件,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,理想電路元件,組成電路模型的最小單元，是具有某種確定的電磁性質(zhì)并有精確定義的基本結(jié)構(gòu),具有相同的主要電磁性能的實際電路部件， 在一定條件下可用同一電路模型表示； 同一實際電路部件在不同的應(yīng)用條件下，其電路模型可以有不同的形式,例,電感線圈的電路模型,注意,電路中的主要物理量,1.2 電流和電壓的參考方向 current and voltage reference direction,1. 電流的參考方向 (current reference

4、direction,電流,電流強度,帶電粒子有規(guī)則的定向運動,單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫 截面的電荷量,單位： A（安培）、kA、mA、A,方向：規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向，元件(導(dǎo)線)中電流流動的實際方向只有兩種可能,實際方向,實際方向,A,A,B,B,問題,復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷,參考方向,i 參考方向,任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向,A,B,i 參考方向,i 參考方向,i 0,i 0,實際方向,實際方向,電流的參考方向與實際方向的關(guān)系,A,A,B,B,電流參考方向的表示方法： 用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向 用雙下標

5、表示：如 iAB , 電流的參考方向由A指向B,2. 電壓的參考方向 (voltage reference direction,電壓單位：V (伏)、kV、mV、V,電壓方向：電位真正降低的方向,電壓：單位正電荷q 從電路中一點移至另一點時電場力做功（W）的大小,電位：單位正電荷q 從電路中一點移至參考點(0）時電場力做功的大小,參考方向 引用原因：復(fù)雜電路或交變電路中，兩點間電壓的實際 方向往往不易判別，給實際電路問題的分析 計算帶來困難 定義：假設(shè)的電壓降低的方向 參考方向與實際方向的關(guān)系,電壓參考方向的表示方法,用箭頭表示,用正負極性表示,用雙下標表示,元件或支路的u，i 采用相同的參考

6、方向稱之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,關(guān)聯(lián)參考方向,i,i,u,u,小結(jié),1) 參考方向是任意假定的，分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向,2) 參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標注 (包括方向和符號），在計算過程中不得任意改變,3) 考方向不同時，其表達式相差一負號，但實際方向不變，以后討論均在參考方向下進行，不考慮實際方向,i,例,U,電壓電流參考方向如圖中所標，問：對A、B兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否,答：A 電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián) B 電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián),1.3 電功率(power)和能量,1.電功率,功率的單位：W (瓦) (

7、Watt，瓦特,單位時間內(nèi)電場力所做的功,在t0到t的時間內(nèi)，元件吸收的能量為,能量的單位： J (焦) (Joule，焦耳,2、電路吸收或發(fā)出功率的判斷,u, i 取關(guān)聯(lián)參考方向,P=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率 (實際吸收,P0 吸收負功率 (實際發(fā)出,P= ui 表示元件發(fā)出的功率,P0 發(fā)出正功率 (實際發(fā)出,u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向,P0 發(fā)出負功率 (實際吸收,例,求圖示電路中各方框所代表的元件消耗或產(chǎn)生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V,U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A,解,注,對一

8、完整的電路，發(fā)出的功率吸收的功率,定義：電路元件是電路中最基本的組成單元。 1、電路元件分類 按與外部連接的端子數(shù)目分為二端，三端，四端元件等,1.4 電路元件,還可分為線性和非線性元件，時變和時不變元件，無源和有源元件等,三端元件,二端元件,四端元件,2.集總元件,集總元件假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行。在任何時刻，流入二端元件的一個端子的電流一定等于從另一端子流出的電流，兩個端子之間的電壓為單值量。集總參數(shù)電路滿足集總化條件、由集總元件構(gòu)成的實際電路模型。集總化條件實際電路的尺寸d遠小于電路工作時電磁波的波： d 需要指出的是：集總參數(shù)電路中u、i可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關(guān)

9、，本課程只討論由集總元件構(gòu)成的集總參數(shù)電路,幾種基本的電路元件,電阻元件 消耗電能的元件,電容元件產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件,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,電感元件產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件,1.5 電阻元件,2.線性時不變電阻元件,電路符號,電阻元件,對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來描述,任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件,1.定義,伏安 特性,下 頁,上 頁,0,返 回,ui 關(guān)系,R 稱為電阻，單位： (Ohm,滿足歐姆定律,單位,G 稱為電導(dǎo)，單位：S (Siemens,u、i 取

10、關(guān)聯(lián)參考方向,下 頁,上 頁,伏安特性為一條過原點的直線,返 回,2) 如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)公式中應(yīng)冠以負號,注,說明線性電阻是無記憶、雙向性的元 件，又稱為靜態(tài)元件,歐姆定律,1) 只適用于線性電阻，( R 為常數(shù),則歐姆定律寫為,u R i i G u,公式和參考方向必須配套使用,3.功率和能量,電阻元件在任何時刻總是消耗功率的,p u i (-Ri)I i2 R - u2/ R (吸收,p u i i2R u2 / R (吸收,功率,下 頁,上 頁,表明,返 回,可用功表示。從 t 到t0電阻消耗的能量,4. 電阻的開路與短路,短路,開路,能量,小結(jié),無源元件、耗能元件,1

11、,2. 電阻是靜態(tài)元件,3. p u i i2R u2 / R (吸收,1.6 電壓源和電流源,分類： 獨立電源 (independent source) 受控電源 (dependent source,電路符號,1.理想電壓源,定義,下 頁,上 頁,其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電流 i 無關(guān)的元件叫理想電壓源,返 回,電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān),通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定,電壓源的電壓、電流關(guān)系,直流電壓源的伏安關(guān)系,下 頁,上 頁,例,外電路,電壓源不能短路,0,返 回,電壓源功率,電場力做功，電源吸收功率，吸

12、收功率，充當(dāng)負載或發(fā)出負功,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián),物理意義,外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率，發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián),物理意義,例,計算圖示電路各元件的功率,解,發(fā)出,吸收,吸收,滿足：P（發(fā)）P（吸,實際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若短路，電流很大，可能燒毀電源,實際電壓源,考慮內(nèi)阻,伏安特性,一個好的電壓源要求,其輸出電流總能保持定值或一定的 時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關(guān)的元件叫理想電流源,電路符號,2.理想電流源,定義,下 頁,上 頁,理想電流源的電壓、電流關(guān)系,電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān),返 回,電

13、流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定,直流電流源的伏安關(guān)系,下 頁,上 頁,0,例,外電路,電流源不能開路,返 回,電流源功率,電場力做功，電源吸收功率，吸收功率，充當(dāng)負載或發(fā)出負功,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián),物理意義,外力克服電場力作功電源發(fā)出功率，發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián),物理意義,實際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若開路，電壓很高，可能燒毀電源,實際電流源,考慮內(nèi)阻,伏安特性,一個好的電流源要求,實際電源,干電池,鈕扣電池,1. 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源,干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆,鈕扣電池電動勢1.3

14、5V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆,下 頁,上 頁,返 回,氫氧燃料電池示意圖,2. 燃料電池（化學(xué)電源,電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼續(xù)工作,下 頁,上 頁,返 回,3. 太陽能電池（光能電源,一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽食Ｓ锰柲茈姵匕?一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A,太陽能電池示意圖,太陽能電池板,下 頁,上 頁,返 回,蓄電池示意圖,4. 蓄電池（化學(xué)電源,電池電動勢2V。使用時，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時

15、，電動勢低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆,下 頁,上 頁,返 回,草原上的風(fēng)力發(fā)電,下 頁,上 頁,返 回,引入,1.7 受控電源(非獨立源,1.7 受控電源(非獨立源,電路符號,受控電壓源,1.定義,受控電流源,電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源,下 頁,上 頁,返 回,電流控制的電流源 ( CCCS,: 電流放大倍數(shù),根據(jù)控制量和被控制量是電壓u 或電流i，受控源 可分四種類型,2.分類,四端元件,輸出：受控部分,輸入：控制部分,下 頁,上 頁,返 回,g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo),電壓控制的電流源 ( VCCS,電壓控制的電壓源 ( VC

16、VS,電壓放大倍數(shù),下 頁,上 頁,返 回,電流控制的電壓源 ( CCVS,r : 轉(zhuǎn)移電阻,例,電路模型,下 頁,上 頁,返 回,電壓控制電壓源,電流控制電壓源,電壓控制電流源,電流控制電流源,3.受控源與獨立源的比較,獨立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定,獨立源在電路中起“激勵”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為“激勵,下 頁,上 頁,返 回,例,求：電壓u2,解,下 頁,上 頁,返 回,1.幾個名詞,電路中通過同一電流的分支,元件的連接點稱為結(jié)點,

17、b=3,a,n=4,b,支路,電路中每一個兩端元件就叫一條支路,結(jié)點,b=5,下 頁,上 頁,或三條以上支路的連接點稱為結(jié)點,n=2,注意,兩種定義分別用在不同的場合,返 回,1.8基爾霍夫定律( Kirchhoffs Laws,由支路組成的閉合路徑,兩結(jié)點間的一條通路。由支路構(gòu)成,對平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔,l=3,3,路徑,回路,網(wǎng)孔,網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔,下 頁,上 頁,注意,返 回,2.基爾霍夫電流定律 (KCL,令流出為“+”，有,例,在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結(jié)點流出（或流入）該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零,流進的電流等于流出的電流,下 頁,上 頁,返

18、回,例,三式相加得,KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個結(jié)點的任一閉合面,下 頁,上 頁,表明,返 回,KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點處的反映,KCL是對結(jié)點處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān),KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電流實際方向無關(guān),下 頁,上 頁,明確,返 回,3.基爾霍夫電壓定律 (KVL,下 頁,上 頁,標定各元件電壓參考方向,選定回路繞行方向，順時針或逆時針,在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零,返 回,U1US1+U2+U3+U4+US4= 0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,下 頁,上 頁,KVL也適用于電路中任