電路的基本概念與基本定律

1、會(huì)計(jì)學(xué)1電路的基本概念與基本定律電路的基本概念與基本定律要求 認(rèn)真聽(tīng)課，重視概念、掌握規(guī)律，重視實(shí)驗(yàn)，作業(yè)要認(rèn)真、規(guī)范（必須畫(huà)電路圖、按解題步驟一步步求解）?？荚嚕浩綍r(shí)成績(jī)：30%（作業(yè)、考勤、實(shí)驗(yàn)）期末成績(jī)：70%實(shí)際電路電路模型計(jì)算分析電氣特性電路分析電路綜合放大器揚(yáng)聲器話(huà)筒 實(shí)際電路是將電工設(shè)備和電氣器件連接構(gòu)成的電流通路。發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐.輸電線(xiàn)電源: 提供電能的裝置負(fù)載: 消耗電能的裝置中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐.輸電線(xiàn)信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號(hào)源: 提供信息放大器揚(yáng)聲器話(huà)筒由激勵(lì)在電路中所產(chǎn)生的電壓

2、和電流稱(chēng)為響應(yīng)。 電路中各處的電壓、電流是在電源的作用下產(chǎn)生的，因此電源又被稱(chēng)為激勵(lì)源（激勵(lì)）。在電路分析中電源或信號(hào)源都稱(chēng)為電源。一、實(shí)際電路： 由電氣元件連接而成的電流通路，并進(jìn)行著能量的形式轉(zhuǎn)換、電能的傳輸和分配過(guò)程。二、電路模型： （簡(jiǎn)稱(chēng)電路） 由理想電路元件構(gòu)成的模型，用于分析計(jì)算的電路圖形。（將實(shí)際電路理想化、模型化） 的R+RoE-手電筒電路的電路模型燈泡開(kāi)關(guān)電池導(dǎo)線(xiàn)S手電筒實(shí)際電路 反映實(shí)際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路元件及其組合。電路模型R+RoES+UI電池導(dǎo)線(xiàn)燈泡開(kāi)關(guān) 電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻Ro； 燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為

3、電阻R； 導(dǎo)線(xiàn) 用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。 開(kāi)關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。1、具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件， 在一定條件下可用同一電路模型表示。注意電阻元件2、同一實(shí)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。電感線(xiàn)圈的電路模型注意 電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、能量、電功率等，但是電路分析中主要關(guān)心的物理量是電流、電壓、功率。電壓:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電

4、荷量電流：?jiǎn)挝浑姾捎蒩點(diǎn)到b點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功tqtqitddlim)(0deftqwudd) t (def物理量實(shí) 際 方 向電流 I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向 電壓 U(電位降低的方向)高電位 低電位 單 位kA 、A、mA、AkV 、V、mV、Vl實(shí)際方向 規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向l單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(導(dǎo)線(xiàn))中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能: 實(shí)際方向AB實(shí)際方向AB電流電流的實(shí)際方向：REI問(wèn)題的提出：在復(fù)雜電路中難于判斷元件中物理量的實(shí)際方向，電路如何求解？E1ABRE2IR電流方向AB？電流方向BA？l參考方向 大

5、小方向(正負(fù)）電流(代數(shù)量)任意假定一個(gè)方向?yàn)殡娏鞯恼较?，這個(gè)假定的正方向稱(chēng)為電流的參考方向。i 0i 0參考方向U+參考方向U+ 0 吸收正功率 (實(shí)際吸收)P0 發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出)P0 發(fā)出負(fù)功率 (實(shí)際吸收)l u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu2 元件吸收或者發(fā)出功率的判斷 例 求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(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 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1解）（發(fā)發(fā)出出W221111IUP）（發(fā)發(fā)出出W62)3

6、(122IUP（吸收）W1628133IUP（吸收）W3) 1()3(366IUP）（發(fā)發(fā)出出W7) 1(7355IUP）（發(fā)發(fā)出出W41)4(244IUP功率守恒：對(duì)一完整的電路，滿(mǎn)足： 發(fā)出的功率吸收的功率564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 從 t0 到 t 電路元件消耗的能量：ttttRuipW00ddl 能量能量的單位：J (焦) (Joule，焦耳)twpdd額定值: 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值： I IN ，P IN

7、，P PN 額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN 1. 額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性；2. 額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。1.5 理想電路元件是電路中最基本的組成單元。5種基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。注意 線(xiàn)性元件與非線(xiàn)性元件 時(shí)變?cè)c非時(shí)變?cè)娐吩 電路符號(hào)R電阻元件任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1 定義電阻元件消耗電能的元件l ui 關(guān)系（VCR）R 稱(chēng)為電阻，單位： (Ohm)滿(mǎn)足歐姆定律GuRuiiuR

8、 l 單位G 稱(chēng)為電導(dǎo)，單位：S (Siemens) u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向Riu 伏安特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)ui0Rui+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(fù)號(hào)；線(xiàn)性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元件。歐姆定律只適用于線(xiàn)性電阻( R 為常數(shù)）；則歐姆定律寫(xiě)為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！注意Rui-+通常電阻元件的電壓電流取關(guān)聯(lián)參考方向！解：對(duì)圖(a)有, U = IR例：應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。對(duì)圖(b)有, U = IR326 : IUR所以所以326: IUR所以所以RU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A 電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗

9、功率的，因此電阻又稱(chēng)為“無(wú)源元件”和“耗能元件”。p u i (R i) i i2 R - u2/ Rp u i i2R u2 / RRui+-表明Rui-+2 電阻元件的功率與能量ui從 t0 到 t 電阻消耗的能量：ttttRuipW00ddl 能量l 短路0 0uiGor R 0l 開(kāi)路0 0ui0 Gor RuiRiu+u+i00電阻元件的開(kāi)路與短路：第1章上頁(yè)下頁(yè)返回普通金屬膜電阻繞線(xiàn)電阻電阻排熱敏電阻實(shí)際電阻器電容元件電容器： 在外電源作用下，正負(fù)電極上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去電源，電極上的電荷仍可長(zhǎng)久地聚集下去，是一種儲(chǔ)存電能的部件。_+ qqU電導(dǎo)體由絕緣材料分開(kāi)就可以產(chǎn)生電

10、容。注意1. 定義電容元件儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的兩端元件。任何時(shí)刻其儲(chǔ)存的電荷 q 與其兩端的電壓 u能用qu 平面上的一條曲線(xiàn)來(lái)描述。0),(qufuq庫(kù)伏特性o 任何時(shí)刻，電容元件極板上的電荷q與電壓 u 成正比。qu 特性曲線(xiàn)是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。 Cuq quo2.線(xiàn)性時(shí)不變電容元件tan uqC電容器的電容值l 電路符號(hào)Cu+q-qF (法拉), 常用F，pF等表示。l 單位1F=106 F1 F =106pFtuCtCutqidddddd3. 電容的電壓電流關(guān)系電容元件VCR的微分形式u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向CuituCidd當(dāng) u 為常數(shù)(直流)時(shí)，i =0，電容相當(dāng)于開(kāi)路，電容有隔斷直流作用；

11、表明Cu+q-q某一時(shí)刻電容電流 i 的大小取決于電容電壓 u 的變化率，而與該時(shí)刻電壓 u 的大小無(wú)關(guān)。電容是動(dòng)態(tài)元件；1ddui tC )()(00d1 ttiCuutt 某一時(shí)刻的電容電壓值與-到該時(shí)刻的所有電流值有關(guān)，即電容元件有記憶電流的作用，故稱(chēng)電容元件為記憶元件。表明電容元件VCR的積分形式 上式中u(t0)稱(chēng)為電容電壓的初始值，它反映電容初始時(shí)刻的儲(chǔ)能狀況，也稱(chēng)為初始狀態(tài)。 當(dāng)電容的 u，i 為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)，上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號(hào) ;注意上式中u(t0)稱(chēng)為電容電壓的初始值，它反映電容初始時(shí)刻的儲(chǔ)能狀況，也稱(chēng)為初始狀態(tài)。 tuCidd )()(00d1 ttiCuut

12、t4.電容的功率和儲(chǔ)能tuCuuipddp 0, 電容吸收功率，電容充電。p 0，電感吸收功率。p0，電感發(fā)出功率。 電感能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電感元件是儲(chǔ)能元件，其本身不消耗能量。表明從t0到 t 電感儲(chǔ)能的變化量：)(21)(21022tLitLiWLttLLiiLiW) (21ddd2l 電感的儲(chǔ)能)(212tLi)(21)(2122LitLil 實(shí)際電感線(xiàn)圈的模型LuR+u (t)iL貼片型功率電感貼片電感貼片型空心線(xiàn)圈可調(diào)式電感環(huán)形線(xiàn)圈立式功率型電感理想電壓源和理想電流源（獨(dú)立源）l電路符號(hào)1.理想電壓源l定義其

13、兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電流 i 無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。i+_Su電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關(guān)系例Ri-+Su外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri電壓源不能短路！直流電壓源的伏安關(guān)系0uiSul電壓源的功率電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；iuPS iuPS發(fā)出功率電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)； iuPS吸收功率+_iu+_Su+_iu+_Su其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號(hào)2.理想電流源l 定義l 理

14、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(wú)關(guān)。u+_Si電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。ui直流電流源的伏安關(guān)系0例Ru-+Si外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開(kāi)路！Si例10A42A+ U2 U3+R下面答案哪個(gè)正確： 1) 當(dāng) R時(shí)，U1 2) 當(dāng) R時(shí)，U2 3) 當(dāng) R時(shí)，U3不變+U1實(shí)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(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。 氫氧燃料電池示意圖2. 燃料電池（化學(xué)電源） 電池

15、電動(dòng)勢(shì)1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。 3. 太陽(yáng)能電池（光能電源） 一塊太陽(yáng)能電池電動(dòng)勢(shì)0.6V。太陽(yáng)光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約 11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太?yáng)能電池板。 一個(gè)50cm2太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)0.6V,電流0.1A 太陽(yáng)能電池示意圖太陽(yáng)能電池板蓄電池示意圖4. 蓄電池（化學(xué)電源） 電池電動(dòng)勢(shì)2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動(dòng)勢(shì)低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。直流穩(wěn)壓源函數(shù)發(fā)生器發(fā)電機(jī)組小結(jié)電壓源電流源不變量變化量US+_abIUabUab = US （常數(shù)）Uab的大小、

16、方向均是恒定的，外電路對(duì) Uab 無(wú)影響。IabUabIsI = Is （常數(shù)）I的大小、方向均是恒定的，外電路對(duì)I無(wú)影響。輸出電流I可變-I的大小、方向均由外電路決定。端電壓Uab可變- Uab的大小、方向均由外電路決定。獨(dú)立源： 指電壓源的電壓或電流源的電流不受 外電路的控制而獨(dú)立存在的電源。受控源的特點(diǎn)：當(dāng)控制電壓或電流消失或等于零時(shí)， 受控源的電壓或電流也將為零。 受控源： 受控源又稱(chēng)為非獨(dú)立源，它表示源電壓 或源電流受電路中另一處電壓或電流的 控制。應(yīng)用：用于晶體管電路的分析。1k1k10V0.5I+_UI+_受控源與獨(dú)立源的比較獨(dú)立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、

17、電流無(wú)關(guān)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)”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(duì)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(lì)”。1.6 基爾霍夫定律 分析電路的基本依據(jù) 兩類(lèi)約束2. 拓?fù)浼s束 連接方式方面的約束1. 元件約束 元件性質(zhì)的約束（VCR）基爾霍夫電流定律基爾霍夫電壓定律比如 歐姆定律1.6 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 （KCL）和基爾霍夫電壓定律( KVL )。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析電路的基本定律。 基爾霍夫定律與元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。支路：電路中流過(guò)同

18、一電流的一個(gè)分支。 流過(guò)支路的電流，稱(chēng)為支路電流。 支路兩端的電壓，稱(chēng)為支路電壓。三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。由支路組成的閉合路徑。電路中的自然孔。（內(nèi)部不含支路的回路）I1I2I3baE2R2 R3R1E1 在任一時(shí)刻，對(duì)于任一結(jié)點(diǎn)，流入此結(jié)點(diǎn)的電流等于流出此結(jié)點(diǎn)的電流。 實(shí)質(zhì): 對(duì)結(jié)點(diǎn) a：對(duì)結(jié)點(diǎn) b：213III321IIIbaI1I3I2即 = 0 （代數(shù)和）對(duì)結(jié)點(diǎn) a：對(duì)結(jié)點(diǎn) b：213III321III0213III0321III整理得： 在任一時(shí)刻，對(duì)于任一結(jié)點(diǎn)，此結(jié)點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的所有支路電流的代數(shù)和為零。baI1I3I2KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點(diǎn)處的反映；KC

19、L是對(duì)結(jié)點(diǎn)處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無(wú)關(guān)，與電路是線(xiàn)性還是非線(xiàn)性無(wú)關(guān)；KCL方程是按電流參考方向列寫(xiě)的，與電流實(shí)際方向無(wú)關(guān)。在方程中一般取流出為正，流入為負(fù)。明確例：已知：A1 . 01iA2 . 02iA3 . 03iA5 . 05i求6i解04321iiii0654iiiA7 . 06iI =?例:廣義結(jié)點(diǎn)I = 0IA IB IC = 0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V 在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路繞行一周，電位升之和等于電位降之和。對(duì)回路1：對(duì)回路2： 基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各支路電壓間相互制約的關(guān)系。6231uuu

20、u5467uuuu+u7+u5+u6+u1+u4+u2+u3 在任一瞬間，沿任一回路繞行一周，回路中各支路電壓的代數(shù)和恒等于零。即： U = 0對(duì)回路1：對(duì)回路2：即03162uuuu即07654uuuu標(biāo)定各元件電壓參考方向。 選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針。支路電壓的參考方向與回路的繞行方向一致，該電壓在和式中取，否則取。+u7+u5+u6+u1+u4+u2+u36231uuuu5467uuuu例 如圖所示電路，已知u1=u3=1V，u2=4V，u4=u5=2V，求ux。+ux+u5+u6+u1+u4+u2+u3解：對(duì)回路有：03621 uuuu對(duì)回路有：0546 xuuuuVuuuuu

21、ux6 54321 對(duì)回路1：對(duì)回路2：I1I2I3baE2R2 R3R1E112013311ERIRI023322ERIRISbaUUUU21KVL的實(shí)質(zhì)反映了電路遵從能量守恒定律;KVL是對(duì)回路中的支路電壓加的約束，與回路各支路上接的是什么元件無(wú)關(guān)，與電路是線(xiàn)性還是非線(xiàn)性無(wú)關(guān)；KVL方程是按電壓參考方向列寫(xiě)，與電壓實(shí)際方向無(wú)關(guān)。明確aUsb_-+U2U1KVL也適用于電路中任一假想的回路（不完全回路）。4. KCL、KVL小結(jié)： KCL是對(duì)支路電流的線(xiàn)性約束，KVL是對(duì)回路電壓的線(xiàn)性約束。 KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無(wú)關(guān)。 KCL表明在每一節(jié)點(diǎn)上電荷是守恒的；KVL是能量守恒

22、的具體體現(xiàn)(電壓與路徑無(wú)關(guān))。 KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路。 利用KCL、KVL時(shí)，應(yīng)對(duì)電路的結(jié)點(diǎn)與支路編號(hào)，并指定有關(guān)回路的繞行方向，同時(shí)為支路電壓、電流選擇參考方向，一般二者取關(guān)聯(lián)參考方向。A5)2(3iV1552010uV5 ?uV10V20例1A3A2?i51433求電流 i解例2解求電壓 uA3 0 543iiV1201345uu+-4V5Vi =?3+-4V5V1A+-u =?3例3求電流 i例4求電壓 u解解要求能熟練求解含源支路的電壓和電流。0)10(10101I解A21IA3011IIII1-10V10V+-1AI =?10例5求電流 I例6求電壓 U解A70103II024IUV1041442 IUI4V+-10AU =?2+-3A解A155102IV2225532222IIIIU10V+-3I2U=?I =055-+2I2 I25+-例求開(kāi)路電壓 U解12 IRU111 RUIIS)1 (11RUIS)1 ( 12RURUS)1 (121RUIUPSSS221222o)1 (RURPS)1 (12RRUUS)1 (2120RRPPS選擇參數(shù)可以得到電壓和功率放大。+-I1U=?R2 I1R1US例求輸出電壓 U參考方向參考方向的關(guān)聯(lián)性電功率的計(jì)算參考