電路元件和電路定律課件

1、1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向3. 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律l 重點重點：第第1 1章章 電路元件和電路定律電路元件和電路定律(circuit elements) (circuit laws) 2. 2. 電路元件特性電路元件特性1.1 電路和電路模型（電路和電路模型（model)1. 實際實際電路電路功能功能a 能量的傳輸、分配與轉換；能量的傳輸、分配與轉換；b 信息的傳遞與處理。信息的傳遞與處理。共性共性建立在同一電路理論基礎上建立在同一電路理論基礎上由電工設備和電氣器件按預期目的連由電工設備和電氣器件按預期目的連接構成的電流的通路。接構成的電流的通路。 反映實

2、際電路部件的主要電磁反映實際電路部件的主要電磁 性質的理想電路元件及其組合。性質的理想電路元件及其組合。2. 電路模型電路模型 (circuit model)sRLRsU10BASE-T wall plate導線導線電池電池開關開關燈泡燈泡電路圖電路圖l理想電路元件理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件有某種確定的電磁性能的理想元件l電路模型電路模型幾種基本的電路元件：幾種基本的電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場

3、，儲存電場能量的元件電源元件：表示各種將其它形式的能量轉變成電能的元件電源元件：表示各種將其它形式的能量轉變成電能的元件注注l 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件，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模型表示；在一定條件下可用同一模型表示；l 同一實際電路部件在不同的應用條件下，其同一實際電路部件在不同的應用條件下，其 模型可以有不同的形式模型可以有不同的形式例例3. 集總參數(shù)電路集總參數(shù)電路由集總元件構成的電路由集總元件構成的電路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部進行假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內部進行集總條件集總條件d注注集總參數(shù)電路中集總參數(shù)電

4、路中u、i可以是時間的函數(shù)，但與可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關空間坐標無關1.2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 (reference direction) 電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關心的物理量是電流、電壓和功率。是電流、電壓和功率。1. 電流的參考方向電流的參考方向 (current reference direction)tqtqitddlim) t (0def l電流電流l電流強度電流強度帶電粒子有規(guī)則的定向運動帶電粒子

5、有規(guī)則的定向運動單位時間內通過導體橫截面的電荷量單位時間內通過導體橫截面的電荷量l 方向方向規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向l 單位單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、 A元件元件(導線導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能中電流流動的實際方向只有兩種可能: 實際方向實際方向實際方向實際方向 AABB問題問題復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，復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電流的實際方向往往很難事先判斷l(xiāng)參考方向參考方向i 參考方向參考方向大小大小方向方向(正負）正

6、負）電流電流(代數(shù)量代數(shù)量)任意假定一個正電荷運動的方向即為電任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。流的參考方向。ABi 參考方向參考方向i 參考方向參考方向i 0i 0參考方向參考方向U+實際方向實際方向+實際方向實際方向參考方向參考方向U+ 0 吸收正功率吸收正功率 (實際吸收實際吸收)P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 (實際發(fā)出實際發(fā)出)P0，d u/d t0，則，則i0，q ， p0, 電容吸收功率。電容吸收功率。 當電容放電，當電容放電，u0，d u/d t0，則，則i0，q ，p0，d i/d t0，則，則u0， ， p0, 電感吸收功率。電感吸收功率。 當電流減小，當電流減小

7、，i0，d i/d t0，則，則u0， ，p0, 電感發(fā)出功率。電感發(fā)出功率。l 功率功率表明表明 電感能在一段時間內吸收外部供給的能量轉化為磁場能電感能在一段時間內吸收外部供給的能量轉化為磁場能量儲存起來，在另一段時間內又把能量釋放回電路，因此電量儲存起來，在另一段時間內又把能量釋放回電路，因此電感元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。感元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。u、 i 取關取關聯(lián)參考方向聯(lián)參考方向（1）電感的儲能只與當時的電流值有關，電感）電感的儲能只與當時的電流值有關，電感 電流不能躍變，反映了儲能不能躍變；電流不能躍變，反映了儲能不能躍變；（2）電感儲存的

8、能量一定大于或等于零。）電感儲存的能量一定大于或等于零。從從t0到到 t 電感儲能的變化量：電感儲能的變化量：)()()()(02202221212121tLtLtLitLiWL 02121212121220222 )()()()()(ddd)(tLtLiLitLiLiiLiWittL 若若l 電感的儲能電感的儲能表表明明電容元件與電感元件的比較：電容元件與電感元件的比較：電容電容 C電感電感 L變量變量電流電流 i磁鏈磁鏈 關系式關系式電壓電壓 u 電荷電荷 q (1) 元件方程的形式是相似的；元件方程的形式是相似的；(2) 若把若把 u-i，q- ，C-L， i-u互換互換,可由電容元件可

9、由電容元件的方程得到電感元件的方程；的方程得到電感元件的方程；(3) C 和和 L稱為對偶元件稱為對偶元件, 、q等稱為對偶元素。等稱為對偶元素。* 顯然，顯然，R、G也是一對對偶元素也是一對對偶元素:I=U/R U=I/GU=RI I=GU222121 LLiWtiLuLiL dd結結論論222121ddqCCuWtuCiCuqC 1.7 電源元件電源元件 (independent source) 其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其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值與流過它的電流 i 無關的元件叫理想電壓源。無關的元件叫理想電壓源。l 電路符號電路符號1.

10、理想電壓源理想電壓源l 定義定義iSu+_ 電源兩端電壓由電源本身決定，電源兩端電壓由電源本身決定， 與外電路無關；與流經(jīng)它的電流與外電路無關；與流經(jīng)它的電流方方 向、大小無關。向、大小無關。 通過電壓源的電流由電源及外通過電壓源的電流由電源及外 電路共同決定。電路共同決定。l 理想電壓源的電壓、電流關系理想電壓源的電壓、電流關系ui)(tuS伏安關系伏安關系例例Ri-+Su外外電電路路RuiS )( Ri0)( 0 Ri電壓源不能短路！電壓源不能短路！l電壓源的功率電壓源的功率電場力做功電場力做功 ， 電源吸收功率。電源吸收功率。（1） 電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關聯(lián)

11、；物理意義：物理意義：+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電位向）由低電位向 高電位移動，外力克服電場高電位移動，外力克服電場力作功電源發(fā)出功率。力作功電源發(fā)出功率。 iuPS 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用（2） 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；電壓、電流的參考方向關聯(lián)；物理意義：物理意義： iuPS 吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載 iuPS 或：或：發(fā)出負功發(fā)出負功例例 5R+_i+_Ru+_10V5V計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。解解VuR5510 )(ARuiR155 WRiPR5152 WiuPSV1011010

12、WiuPSV5155 )(發(fā)出發(fā)出發(fā)出發(fā)出吸收吸收滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸） 實際電壓源也不允許短路。因其內阻小，若實際電壓源也不允許短路。因其內阻小，若短路，電流很大，可能燒毀電源。短路，電流很大，可能燒毀電源。usuiOl 實際電壓源實際電壓源i+_u+_SuSR考慮內阻考慮內阻伏安特性伏安特性iRuuSS 一個好的電壓源要求一個好的電壓源要求0SR 其輸出電流總能保持定值或一定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的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。無關的元件叫理想電流源。l 電路符號電路符號2. 理想電流源理想電流源l 定義定義uS

13、i+_(1) 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關電路無關；與它兩端電壓方向、大小無關 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定l 理想電流源的電壓、電流關系理想電流源的電壓、電流關系ui)(tiS伏安伏安關系關系例例外外電電路路)( 00 Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！Ru-+Si實際電流源的產(chǎn)生實際電流源的產(chǎn)生可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負載無可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的關；光電池

14、在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。電流等。SRiu l電流源的功率電流源的功率（1） 電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；電壓、電流的參考方向非關聯(lián)；SuiP 發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用（2） 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；電壓、電流的參考方向關聯(lián)；吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載 uiPS 或：或：發(fā)出負功發(fā)出負功u+_SiSuiP SuiP u+_Si例例計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。解解AiiS2 Vu5 WuiPSA10522 WiuPSV10255 )(發(fā)出發(fā)出發(fā)出發(fā)出滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸）+_u+_2A5Vi 實際電流源也不

15、允許開路。因其內阻大，若實際電流源也不允許開路。因其內阻大，若開路，電壓很高，可能燒毀電源。開路，電壓很高，可能燒毀電源。isuiOl 實際電流源實際電流源考慮內阻考慮內阻伏安特性伏安特性SSRuii 一個好的電流源要求一個好的電流源要求 SRu+_SiSRi1.8 受控電源受控電源 (非獨立源非獨立源)(controlled source or dependent source) 電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是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受電路中某個地方的電壓( (或電流或電流) )控制的電源，稱受控源控制的電源，稱受控源。l 電路符號

16、電路符號+受控電壓源受控電壓源1. 定義定義受控電流源受控電流源(1) (1) 電流控制的電流源電流控制的電流源 ( ( CCCS ) ) : : 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u u 或電流或電流i i ，受控源可分，受控源可分四種類型：四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示?？刂屏渴请娏鲿r，用受控電流源表示。2. 分類分類四端元件四端元件 i1+_u2i2_u1i1+12ii 輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控制部分g: 轉移電導轉移電導

17、(2) (2) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS )u1gu u1 1+_u2i2_i1+12gui (3) (3) 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( ( VCVS ) ) u1+_u2i2_u1i1+-12uu : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) ri1+_u2i2_u1i1+-(4) (4) 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( ( CCVS ) )12riu r : 轉移電阻轉移電阻 例例bicibcii bi bi ci電電路路模模型型3. 3. 受控源與獨立源的比較受控源與獨立源的比較(1) (1) 獨立源電壓獨立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電路中

18、其它電壓、由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關，而受控源電壓電流無關，而受控源電壓( (或電流或電流) )由控制量決定。由控制量決定。(2) (2) 獨立源在電路中起獨立源在電路中起“激勵激勵”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關系，在電路流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關系，在電路中不能作為中不能作為“激勵激勵”。例例求：電壓求：電壓u2。解解5i1+_u2_u1=6Vi1+-3 Ai2361 Viu46106512 1.9 1.9 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )( Kirchhoffs

19、 Laws )基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流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和基爾霍夫電壓定律( ( KVL ) )。它反。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律。基爾規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律。基爾霍夫定律與元件特性構成了電路分析的基礎。霍夫定律與元件特性構成了電路分析的基礎。1. 1. 幾個名詞幾個名詞電路中通過同一電流的分支。電路中通過同一電流的分支。(b)三條或三條以上支路的連接點稱三條或三條以上支路的連接點稱為節(jié)點。為節(jié)點。( ( n n ) )b=3a

20、n=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路）支路 (branch)電路中每一個兩端元件就叫一條支路電路中每一個兩端元件就叫一條支路i3i2i1(2) (2) 節(jié)點節(jié)點 (node)(node)b=5由支路組成的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。( ( l ) )兩節(jié)點間的一條通路。由支路構成。兩節(jié)點間的一條通路。由支路構成。對對平面電路平面電路，其內部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。，其內部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3) (3) 路徑路徑(path)(path)(4) (4) 回路回路(loop)(loop)(5) (5) 網(wǎng)孔網(wǎng)孔(mesh)(m

21、esh)網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔2. 2. 基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律 ( (KCL) )令流出為令流出為“+”+”，有：，有：例例 在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結點流出或流入該在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結點流出或流入該結點電流的代數(shù)和等于零。結點電流的代數(shù)和等于零。 mkti10)( 出出入入 iior 流進的電流進的電流等于流流等于流出的電流出的電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 1 3 25i6i4i1i3i2i0641 iii例例0542 iii0653 iii三式相加得：三式相加得：0321 i

22、ii表明表明KCL可推廣應用于電路中包可推廣應用于電路中包圍多個結點的任一閉合面圍多個結點的任一閉合面明確明確（1） KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任 意結點處的反映；意結點處的反映；（2） KCL是對支路電流加的約束，與支路上接的是是對支路電流加的約束，與支路上接的是 什么元件無關，與電路是線性還是非線性無關；什么元件無關，與電路是線性還是非線性無關；（3）KCL方程是按電流參考方向列寫，與電流實際方程是按電流參考方向列寫，與電流實際 方向無關。方向無關。（2 2）選定回路繞行方向，）選定回路繞行方向， 順時針或逆時針順時針或逆時針. .U1US

23、1+U2+U3+U4+US4= 03. 3. 基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 ( (KVL) ) 在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一閉合路徑繞在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零。行，各支路電壓的代數(shù)和等于零。 mktu10)( 升升降降 uuor I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1 1）標定各元件電壓參考方向）標定各元件電壓參考方向 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4例例KVL也適用于電路中任一假想的回路也適用于電路中任一假想的回路aUsb_-+U2U1SabUUUU 21明確明確（1） KVL的實質反映了電路遵的實質反映了電路遵 從能量守恒定律從能量守恒定律;（2） KVL是對回路電壓加的約束，是對回路電壓加的約束，與回路各支路上接的是什么元件無關與回路各支路上接的是什么元件無關，與電路是線性還是非線性無關；，與電路是線性還是非線性無關；（3）KVL方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實際方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實際 方向無關。方向無關。4. 4. KCL、KVL小結：小結：(1) (1) KC