電路模型與電路定律ppt課件

1、電電 路路 1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向4. 4. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 重點：重點：第第1 1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律3. 3. 電路元件特性電路元件特性2. 2. 電功率、能量電功率、能量1.1 1.1 電路和電路模型電路和電路模型 1.2 1.2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 1.3 1.3 電功率和能量電功率和能量 1.4 1.4 電阻元件電阻元件 1.5 1.5 電容元件電容元件 1.6 1.6 電感元件電感元件 1.7 1.7 電壓源和電流源電壓源和電流源 1.8 1.8 受控電源受控電源 1.9 1.9 基爾霍夫定律基爾霍

2、夫定律 1.1 1.1 電路和電路模型電路和電路模型一、電路：電工設(shè)備構(gòu)成的整體，它為電流的流通提供路徑。一、電路：電工設(shè)備構(gòu)成的整體，它為電流的流通提供路徑。電路主要由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線及開關(guān)等構(gòu)成。電路主要由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線及開關(guān)等構(gòu)成。電源電源(source)：提供能量或信號的發(fā)生器。：提供能量或信號的發(fā)生器。負(fù)載負(fù)載(load)：將電能轉(zhuǎn)化為其它形式能量的用電設(shè)備，或?qū)Γ簩㈦娔苻D(zhuǎn)化為其它形式能量的用電設(shè)備，或?qū)π盘栠M行處理的設(shè)備。信號進行處理的設(shè)備。導(dǎo)線導(dǎo)線(line)、開關(guān)、開關(guān)switch)：將電源與負(fù)載接成通路裝置：將電源與負(fù)載接成通路裝置. 1.由電阻器、電容器、線圈、變

3、壓器、晶體管、運算放由電阻器、電容器、線圈、變壓器、晶體管、運算放大器、傳輸線、電池、發(fā)電機和信號發(fā)生器等電氣器件和設(shè)大器、傳輸線、電池、發(fā)電機和信號發(fā)生器等電氣器件和設(shè)備連接而成的電路，稱為實際電路。備連接而成的電路，稱為實際電路。電阻器電阻器電容器電容器線圈線圈電池電池運算放大器運算放大器晶體管晶體管二、電路模型二、電路模型 (circuit model) 低頻信號發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)低頻信號發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)手電筒電路手電筒電路2. 理想電路元件：根據(jù)實際電路元件所具備的電磁性質(zhì)來設(shè)理想電路元件：根據(jù)實際電路元件所具備的電磁性質(zhì)來設(shè)想的具有某種單一電磁性質(zhì)的元件，其想的具有某種單一電磁性質(zhì)的元

4、件，其u，i關(guān)系可用簡單關(guān)系可用簡單的數(shù)學(xué)式子嚴(yán)格表示。的數(shù)學(xué)式子嚴(yán)格表示。幾種基本的理想電路元件：幾種基本的理想電路元件：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：表示各種電感線圈產(chǎn)生磁場，儲存磁場能的元件。電感元件：表示各種電感線圈產(chǎn)生磁場，儲存磁場能的元件。電容元件：表示各種電容器產(chǎn)生電場，儲存電場能的元件。電容元件：表示各種電容器產(chǎn)生電場，儲存電場能的元件。電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。3. 電路模型：由理想元件及其組合代表實際電路元件，與電路模型：由理想元件及其組合代表實際電路元件，

5、與實際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱其為電路模型。實際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱其為電路模型。* 電路模型是由理想電路元件構(gòu)成的。電路模型是由理想電路元件構(gòu)成的。燈泡燈泡10BASE-T wall plate導(dǎo)線導(dǎo)線電池電池開關(guān)開關(guān)例例1 . 1 . 實際電路實際電路燈泡燈泡R導(dǎo)線導(dǎo)線電池電池開關(guān)開關(guān)SRSUS電路模型電路模型常用電路圖來表示電路模型常用電路圖來表示電路模型(a) 實際電路實際電路 (b) 電原理圖電原理圖 (c) 電路模型電路模型 (d) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖晶體管放大電路晶體管放大電路(a)實際電路實際電路 (b)電原理圖電原理圖 (c)電路模型電路模型 (d)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

6、圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據(jù)實際電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據(jù)實際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求，應(yīng)當(dāng)電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求，應(yīng)當(dāng)用不同的電路模型模擬同一實際電路。現(xiàn)在以線圈為例加用不同的電路模型模擬同一實際電路?，F(xiàn)在以線圈為例加以說明。以說明。 圖圖13 線圈的幾種電路模型線圈的幾種電路模型 (a)線圈的圖形符號線圈的圖形符號 (b)線圈通過低頻交流的模型線圈通過低頻交流的模型 (c)線圈通過高頻交流的模型線圈通過高頻交流的模型三、集總參數(shù)元件與集總參數(shù)電路三、集總參數(shù)元件與集總參數(shù)電路 集總參數(shù)元件：在任何時刻，流

7、入二端元件的一個端子集總參數(shù)元件：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個端子流出的電流，兩個端鈕之間的的電流一定等于從另一個端子流出的電流，兩個端鈕之間的電壓為單值量。電壓為單值量。集總參數(shù)電路：由集總參數(shù)元件構(gòu)成的電路。集總參數(shù)電路：由集總參數(shù)元件構(gòu)成的電路。一個實際電路要能用集總參數(shù)電路近似，要滿足如下條一個實際電路要能用集總參數(shù)電路近似，要滿足如下條件：即實際電路的尺寸必須遠小于電路工作頻率下的電磁波件：即實際電路的尺寸必須遠小于電路工作頻率下的電磁波的波長。的波長。已知電磁波的傳播速度與光速相同，即已知電磁波的傳播速度與光速相同，即v=3105 km/s (千米千米/

8、秒秒)(1) (1) 若電路的工作頻率為若電路的工作頻率為f =50 Hzf =50 Hz，那，那么么 周期周期T = 1/f = 1/50 = 0.02 sT = 1/f = 1/50 = 0.02 s 波長波長 = 3 = 3105 105 0.02=6000 0.02=6000 kmkm一般電路尺寸遠小于一般電路尺寸遠小于 。(2) (2) 若電路的工作頻率為若電路的工作頻率為f=50 MHzf=50 MHz，那么，那么 周期周期T = 1/f = 0.02T = 1/f = 0.02106 s = 0.02 106 s = 0.02 nsns 波長波長 = 3 = 3105 105 0

9、.020.02106 = 6 m106 = 6 m此時一般電路尺寸均與此時一般電路尺寸均與可比，所以電路在可比，所以電路在高頻情況下不能視為集總參數(shù)電路。高頻情況下不能視為集總參數(shù)電路。一、電路中的主要物理量一、電路中的主要物理量 主要有電壓、電流、電荷、磁鏈。在線性電路主要有電壓、電流、電荷、磁鏈。在線性電路分析中常用電流、電壓、電位等。另外，電功率和分析中常用電流、電壓、電位等。另外，電功率和電能量也是重要的物理量。電能量也是重要的物理量。1.1.電流電流(current)(current)：帶電質(zhì)點的運動形成電流。：帶電質(zhì)點的運動形成電流。電流的大小用電流強度表示：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面

10、的電量。電流的大小用電流強度表示：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電量。tqtqitddlim) t (0def 單位：單位：A (安安) (Ampere，安培，安培)1.2電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向當(dāng)數(shù)值過大或過小時，常用十進制的倍數(shù)表示。當(dāng)數(shù)值過大或過小時，常用十進制的倍數(shù)表示。SI制中，一些常用的十進制倍數(shù)的表示法：制中，一些常用的十進制倍數(shù)的表示法：符號符號 T G M k c m T G M k c m n p n p中文中文 太太 吉吉 兆兆 千千 厘厘 毫毫 微微 納納 皮皮數(shù)量數(shù)量 1012 109 106 103 102 103 106 1012 109 106 103

11、 102 103 106 109 1012 109 1012 2.2.電壓電壓(voltage)(voltage)：電場中某兩點：電場中某兩點A A、B B間的電壓間的電壓( (降降)UAB )UAB 等于將點電荷等于將點電荷q q從從A A點移至點移至B B點電場力所做的功點電場力所做的功WABWAB與該與該點電荷點電荷q q的比值，即的比值，即qWUABdefAB 單位：單位：V (V (伏伏) (Volt) (Volt，伏特，伏特) )當(dāng)把點電荷當(dāng)把點電荷q q由由B B移至移至A A時，需外力克服電場力做同樣的功時，需外力克服電場力做同樣的功WAB=WBAWAB=WBA，此時可等效視為

12、電場力做了負(fù)功，此時可等效視為電場力做了負(fù)功WABWAB，則，則B B到到A A的電壓為的電壓為ABABBAUqWU 3.3.電位：電路中為分析的方便，常在電路中選某一點為參電位：電路中為分析的方便，常在電路中選某一點為參考點，把任一點到參考點的電壓稱為該點的電位?？键c，把任一點到參考點的電壓稱為該點的電位。參考點的電位一般選為零，所以，參考點也稱為零電位參考點的電位一般選為零，所以，參考點也稱為零電位點。點。電位用電位用表示，單位與電壓相同，也是表示，單位與電壓相同，也是V(V(伏伏) )。a ab bc cd d設(shè)設(shè)c c點為電位參考點，那么點為電位參考點，那么 c=0c=0 a=Uac，

13、 b=Ubc， d=Udc兩點間電壓與電位的關(guān)系：兩點間電壓與電位的關(guān)系：abcd仍設(shè)仍設(shè)c c點為電位參考點，點為電位參考點，c=0c=0Uac = a ， Udc = dUad= Uac Udc= a d前例前例結(jié)論：電路中任意兩點間的電壓等于該兩點間的結(jié)論：電路中任意兩點間的電壓等于該兩點間的電位之差。電位之差。例例2 . abc1.5 V1.5 V知知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V。求。求 a；b；c；Uac(1) 以以a點為參考點，點為參考點，a=0Uab= ab b = a Uab= 1.5 VUbc= bc c = b Ubc= 1.51.5= 3 VUac= ac =

14、 0 (3)=3 V(2) 以以b點為參考點，點為參考點，b=0Uab= ab a = b +Uab= 1.5 VUbc= bc c = b Ubc= 1.5 VUac= ac = 1.5 (1.5) = 3 V結(jié)論：電路中電位參考點可任意選擇；當(dāng)選擇不同的電結(jié)論：電路中電位參考點可任意選擇；當(dāng)選擇不同的電位參考時，電路中各點電位均不同，但任意兩點間位參考時，電路中各點電位均不同，但任意兩點間電壓保持不變。電壓保持不變。4.4.電動勢電動勢(eletromotive force)(eletromotive force)：局外力克服電場力把單位正電：局外力克服電場力把單位正電荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移

15、到正極所作的功稱為電源的電動勢。荷從負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到正極所作的功稱為電源的電動勢。qAedddef e e 的單位與電壓相同，也是的單位與電壓相同，也是 V ( V (伏伏) ) 根據(jù)能量守恒：根據(jù)能量守恒：UAB = eBAUAB = eBA。電壓表示電位降，。電壓表示電位降，電動勢表示電位升，即從電動勢表示電位升，即從A A到到B B的電壓，數(shù)的電壓，數(shù)值上等于從值上等于從B B 到到A A 的電動勢。的電動勢。* * 電場力把單位正電荷從電場力把單位正電荷從A A移到移到B B所做的功所做的功(UAB )(UAB )，與外，與外力克服電場力把相同的單位正電荷從力克服電場力把相同的單位正

16、電荷從B B經(jīng)電源內(nèi)部移向經(jīng)電源內(nèi)部移向A A所做的功所做的功(eBA )(eBA )是相同的，所以是相同的，所以UAB= eBAUAB= eBA。 BA二、電流、電壓的參考方向二、電流、電壓的參考方向(reference direction)(reference direction)1.1.電流的參考方向電流的參考方向元件元件( (導(dǎo)線導(dǎo)線) )中電流流動的實際方向有兩種可能中電流流動的實際方向有兩種可能: : 參考方向：任意選定一個方向即為電流的參考方向。參考方向：任意選定一個方向即為電流的參考方向。大小大小 方向方向 電流電流i i為代數(shù)量，具有為代數(shù)量，具有 實際方向?qū)嶋H方向i實際方向

17、實際方向i i i參考方向參考方向BA 電流參考方向有兩種表示：電流參考方向有兩種表示： 用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向。用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向。 用雙下標(biāo)表示：如用雙下標(biāo)表示：如iAB,iAB,電流的參考方向由電流的參考方向由A A點指向點指向B B點。點。i 0i 參考方向參考方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向A AB Bi 參考方向參考方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向A AB B為什么要引入?yún)⒖挤较驗槭裁匆雲(yún)⒖挤较?？(b)(b)實際電路中有些電流是交變的，無法標(biāo)出實際電路中有些電流是交變的，無法標(biāo)出實際方向。標(biāo)出參考方向，再加上與之配實際方向。標(biāo)出參考方向，再加上與之配合的表達式，才

18、能表示出電流的大小和實合的表達式，才能表示出電流的大小和實際方向。際方向。(a) (a) 有些復(fù)雜電路的某些支路事先無法確定實有些復(fù)雜電路的某些支路事先無法確定實際方向。為分析方便，只能先任意標(biāo)一方際方向。為分析方便，只能先任意標(biāo)一方向參考方向），根據(jù)計算結(jié)果，才能確向參考方向），根據(jù)計算結(jié)果，才能確定電流的實際方向。定電流的實際方向。2.2.電壓電壓( (降降) )的參考方向的參考方向U 0 0 0 0p0表示元件吸收的功率；表示元件吸收的功率； p0p0時，元件確實吸收功率；當(dāng)時，元件確實吸收功率；當(dāng)p0p0 吸收正功率吸收正功率 (吸收吸收)P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 (發(fā)出發(fā)出)P0

19、發(fā)出負(fù)功率發(fā)出負(fù)功率 (吸收吸收)+ +i iu u2.u,i 2.u,i 非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向 上述功率計算不僅適用于元件，也使用于任上述功率計算不僅適用于元件，也使用于任意二端網(wǎng)絡(luò)。意二端網(wǎng)絡(luò)。 電阻元件在電路中總是消耗電阻元件在電路中總是消耗( (吸收吸收) )功率，而功率，而電源在電路中可能吸收，也可能發(fā)出功率。電源在電路中可能吸收，也可能發(fā)出功率。+5IURU1U2例例3 U1=10V3 U1=10V，U2=5VU2=5V。分別求電源、電阻的功率。分別求電源、電阻的功率。I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 APR吸吸= URI = 51 = 5 WPU1發(fā)發(fā)=

20、 U1I = 101 = 10 WPU2吸吸= U2I = 51 = 5 WP發(fā)發(fā)= 10 W， P吸吸= 5+5=10 WP發(fā)發(fā)=P吸吸 (功率守恒功率守恒)注意各元件上電壓、注意各元件上電壓、電流的參考方向。電流的參考方向。例例4 在圖示電路中，已知在圖示電路中，已知U1=1V, U2=6V, U3=4V, U4=5V, U5=10V, I1=1A, I2=3A , I3=4A, I4=1A, I5=3A。試求：試求：(1) 各二端元件吸收的功率；各二端元件吸收的功率； (2) 整個電路吸收的功率。整個電路吸收的功率。W111111IUPWIUP222183)(6)(W164)4(333I

21、UP30W)W(30)3()10(555發(fā)出IUP5W)W(5) 1(5444發(fā)出IUPU1=1V, U2=6V, U3=4V,U4=5V, U5=10V, I1=1A, I2=3A , I3=4A, I4=1A, I5=3A。 5151030516181kkPPP整個電路吸整個電路吸收的功率為收的功率為解：各二端元件解：各二端元件吸收的功率為吸收的功率為思考與練習(xí)思考與練習(xí) 圖圖1 圖圖21、為什么在分析電路時，必須規(guī)定電流的參考方向和電壓、為什么在分析電路時，必須規(guī)定電流的參考方向和電壓的參考極性？參考方向與實際方向有什么關(guān)系？的參考極性？參考方向與實際方向有什么關(guān)系？2、你能確定圖、你能

22、確定圖1電路中電壓電路中電壓Uab的實際極性嗎？為什么？的實際極性嗎？為什么？3、求圖、求圖2各二端元件的吸收功率。各二端元件的吸收功率。1.4 電阻元件電阻元件 (a) 二端元件二端元件 (b) 三端元件三端元件 (c) 四端元件四端元件 集總參數(shù)電路集總參數(shù)電路(模型模型)由電路元件連接而成。電路元件是為由電路元件連接而成。電路元件是為建立實際電氣器件的模型而提出的一種理想元件，它們都有精建立實際電氣器件的模型而提出的一種理想元件，它們都有精確的定義。按電路元件與外電路連接端點的數(shù)目，電路元件可確的定義。按電路元件與外電路連接端點的數(shù)目，電路元件可分為二端元件、三端元件、四端元件等。本節(jié)先

23、介紹一種常用分為二端元件、三端元件、四端元件等。本節(jié)先介紹一種常用的二端電阻元件。的二端電阻元件。 在物理學(xué)中遵從歐姆定律的電阻，是一種最常用的線性電在物理學(xué)中遵從歐姆定律的電阻，是一種最常用的線性電阻元件阻元件(簡稱電阻簡稱電阻)。隨著電子技術(shù)發(fā)展和電路分析的需要，有。隨著電子技術(shù)發(fā)展和電路分析的需要，有必要將線性電阻的概念加以擴展，提出電阻元件的一般定義。必要將線性電阻的概念加以擴展，提出電阻元件的一般定義。)141 (0),(iuf 如果一個二端元件在任一時刻的電壓如果一個二端元件在任一時刻的電壓u與其電流與其電流 i 的關(guān)系，的關(guān)系，由由u-i平面上一條曲線確定，則此二端元件稱為二端電

24、阻元件，平面上一條曲線確定，則此二端元件稱為二端電阻元件，其數(shù)學(xué)表達式為其數(shù)學(xué)表達式為 這條曲線稱為電阻的特性曲這條曲線稱為電阻的特性曲線。它表明了電阻電壓與電流線。它表明了電阻電壓與電流間的約束關(guān)系間的約束關(guān)系(Voltage Current Relationship，簡稱為，簡稱為VCR)。電阻的分類：電阻的分類：1. 線性電阻與非線性電阻：其特性曲線為通過坐標(biāo)原點直線的電線性電阻與非線性電阻：其特性曲線為通過坐標(biāo)原點直線的電阻，稱為線性電阻；否則稱為非線性電阻。阻，稱為線性電阻；否則稱為非線性電阻。2. 時變電阻與時不變電阻：其特性曲線隨時間變化的電阻，稱為時變電阻與時不變電阻：其特性曲

25、線隨時間變化的電阻，稱為時變電阻；否則稱為時不變電阻或定常電阻。時變電阻；否則稱為時不變電阻或定常電阻。a) 線性時不變電阻線性時不變電阻 b)線性時變電阻線性時變電阻c)非線性時不變電阻非線性時不變電阻 d)非線性時變電阻非線性時變電阻 線性定常電阻元件：任何時刻端電壓與其電流成正比的電線性定常電阻元件：任何時刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。阻元件。1. 1. 符號符號(1) (1) 電阻上的電壓與電流的參考方向選為一致時：電阻上的電壓與電流的參考方向選為一致時：RRiu+2. 2. 歐姆定律歐姆定律 (Ohms Law) (Ohms Law)線性定常電阻元件服從歐姆定律，即有：線性定常電

26、阻元件服從歐姆定律，即有： u=R i u=R i(1-3)(1-3) 伏安特性曲線: R R tan tan 線性電阻線性電阻R R是一個與電壓和電流無關(guān)的常數(shù)。是一個與電壓和電流無關(guān)的常數(shù)。令令 G G 1/R 1/R上式上式(1-3)(1-3)中中R R稱為電阻，稱為電阻，R R是一個正實常數(shù)。是一個正實常數(shù)。則式則式 (1-3) (1-3) 歐姆定律歐姆定律 又可表示為又可表示為 i i G u G u 電阻的單位：電阻的單位： ( (歐歐) (Ohm) (Ohm，歐姆，歐姆) )電導(dǎo)的單位：電導(dǎo)的單位： S ( S (西西) (Siemens) (Siemens，西門子，西門子) ) uiO O(1-4)(1-4)式式(1-4)(1-4)中中G G稱為電阻元件的電導(dǎo)。稱為電阻元件的電導(dǎo)。R R和和G G都是電阻元件的參數(shù)。都是電阻元件的參數(shù)。(2) (2) 電阻上的電壓和電流的參考方向相反時：電阻上的電壓和電流的參考方向相反時：則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u Ri 或或 i Gu 公式必須和參考方向配套使用！公式必須和參考方向配套使用！Riu+3.3.電阻元件的功率和能量電阻元件的功率和能量上述結(jié)果說明電阻元件在任何時刻總