電路第五版課件第1章

1、第第1 1章章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律電路和電路模型電路和電路模型1.1電阻元件電阻元件1.5電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向1.2電壓源和電流源電壓源和電流源1.6電功率和能量電功率和能量1.3受控電源受控電源1.7電路元件電路元件1.4基爾霍夫定律基爾霍夫定律1.8首首 頁頁本章重點本章重點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：2. 2. 電阻元件和電源元件的特性電阻元件和電源元件的特性返 回1.1 1.1 電路和電路模型電路和電路模型1.1.實際電路實際電路功能功能a a 能量的傳輸、分配與轉換；能量的

2、傳輸、分配與轉換；b b 信息的傳遞、控制與處理。信息的傳遞、控制與處理。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。目的連接構成的電流的通路。下 頁上 頁共性共性返 回發(fā)電機發(fā)電機升壓升壓輸電線輸電線降壓降壓用電用電設備設備電源電源負載負載中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)a 電路系統(tǒng)電路系統(tǒng)b 擴音機擴音機放大器放大器話筒話筒揚聲器揚聲器信號源信號源中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)負載負載 反映實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. 2. 電路模型電路模型sRLRsU

3、10BASE-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有某種確定的電磁性能的理想元件。元件。l電路模型電路模型下 頁上 頁返 回5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件：電阻元件：電阻元件：表示消耗電能的元件表示消耗電能的元件電感元件：電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件表示產生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件表示產生電場，儲存電場能量的元件電壓源和電流源：電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉變成表示將其它形式的能量轉變成 電能的元件。電能的元件。l 5種基本

4、理想電路元件有三個特征：種基本理想電路元件有三個特征： （a a）只有兩個端子；只有兩個端子； （b b）可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述；可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述； （c c）不能被分解為其他元件。不能被分解為其他元件。下 頁上 頁注意返 回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， 在在一定條件下可用同一電路模型表示；一定條件下可用同一電路模型表示；l 同一實際電路部件在不同的應用條件下，其電路同一實際電路部件在不同的應用條件下，其電路模型可以有不同的形式。模型可以有不同的形式。下 頁上 頁例例電感線圈的電路模型電感線圈的電路模型注意返 回1.2

5、1.2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁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是電流、電壓和功率。關心的物理量是電流、電壓和功率。1.1.電流的參考方向電流的參考方向tqtqtitddlim)(0defl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下 頁上 頁返 回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

6、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AB實際方向實際方向AB 對于復雜電路或電路中的電流隨時間變對于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?；瘯r，電流的實際方向往往很難事先判斷。下 頁上 頁問題返 回l參考方向參考方向 大小大小方向方向( (正負）正負）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任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。向即為電流的參考方向。i 0i 0參考

7、方向參考方向U+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關聯(lián)，關聯(lián)，P0關聯(lián)，關聯(lián)，P0關聯(lián)，關聯(lián)，P0下 頁上 頁1.4 1.4 電路元件電路元件是電路中最基本的組成單元。是電路中最基本的組成單元。1. 1. 電路元件電路元件返 回5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件：電阻元件：電阻元件：表示消耗電能的元件表示消耗電能的元件電感元件：電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件表示產生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件表示產生電場，儲存電場能量的元件

8、電壓源和電流源：電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉變成表示將其它形式的能量轉變成 電能的元件。電能的元件。注意 如果表征元件端子特性的數(shù)學關系式如果表征元件端子特性的數(shù)學關系式是線性關系，該元件稱為線性元件，否則稱是線性關系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。為非線性元件。2.2.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假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內部進行。元件內部進行。集總條件集總條件d下 頁上 頁 集總參數(shù)電路中集總參數(shù)電路中u、i 可以是時間的函可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關。因此，任何時刻，流數(shù)，但與空間

9、坐標無關。因此，任何時刻，流入兩端元件一個端子的電流等于從另一端子流入兩端元件一個端子的電流等于從另一端子流出的電流；端子間的電壓為單值量。出的電流；端子間的電壓為單值量。注意返 回實際元件或部件的外形尺實際元件或部件的外形尺寸遠比通過它的電磁波信寸遠比通過它的電磁波信號的波長小得多號的波長小得多特性約束特性約束拓撲約束拓撲約束下 頁上 頁例例iiz集總參集總參數(shù)電路數(shù)電路) t (u+ +- -) t ( iLCR兩線傳輸線的等效電路兩線傳輸線的等效電路當兩線傳輸線的長度當兩線傳輸線的長度 l 與電磁波的波長滿足：與電磁波的波長滿足：l返 回下 頁上 頁iiz),(tzu+ + +- -),

10、(tzi) tz,u(z- -),(tzzizL 0zC 0zR 0zR 0zL 0zC 0分布參分布參數(shù)電路數(shù)電路當兩線傳輸線的長度當兩線傳輸線的長度 l 與電磁波的波長滿足：與電磁波的波長滿足：l返 回1.5 1.5 電阻元件電阻元件2.2.線性時不變電阻元件線性時不變電阻元件l 電路符號電路符號R電阻元件電阻元件對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用用ui平面上的一條曲線來描述：平面上的一條曲線來描述：0),(iufiu任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.1.定義定義伏安伏安特性特性下 頁上 頁0返 回l ui 關系關系

11、R 稱為電阻，單位：稱為電阻，單位： (Ohm)滿足歐姆定律滿足歐姆定律GuRuiiuR l 單位單位G 稱為電導，單位稱為電導，單位：S (Siemens) u、i 取關聯(lián)取關聯(lián)參考方向參考方向Riu 下 頁上 頁伏安特伏安特性為一性為一條過原條過原點的直點的直線線ui0Rui+返 回 如電阻上的電壓與電流參考方向非關如電阻上的電壓與電流參考方向非關聯(lián)，公式中應冠以負號；聯(lián)，公式中應冠以負號； 說明線性電阻是無記憶、雙向性的元說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。件。歐姆定律歐姆定律 只適用于線性電阻只適用于線性電阻( R 為常數(shù)為常數(shù)）；）；則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u R i i G u

12、公式和參考方向必須配套使用！公式和參考方向必須配套使用！下 頁上 頁注意Rui-+返 回3.3.功率和能量功率和能量電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。p -u i -(R i) i i2 R u2/ Rp u i i2R u2 / Rl 功率功率Rui+ +- -下 頁上 頁表明Rui- -+ +返 回ui從從 t0 到到 t 電阻消耗的能量：電阻消耗的能量：ttttRuipW00dd4.4.電阻的開路與短路電阻的開路與短路l 能量能量l 短路短路0 0uiGor R 0l 開路開路0 0ui0 Gor Rui下 頁上 頁Riu+u+i00返 回下 頁上 頁實

13、際電阻器實際電阻器返 回 1.6 1.6 電壓源和電流源電壓源和電流源l電路符號電路符號1.1.理想電壓源理想電壓源l定義定義iSu+_下 頁上 頁其兩端電壓總能保持定值或一定其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電的時間函數(shù)，其值與流過它的電流流 i 無關的元件叫理想電壓源。無關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；電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關。與流經(jīng)它的電流方向、大小無關。 通過電壓源的電流由電源及通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定。外電路共同決定。l理想電壓源的電壓、電流關系理想電壓源的電壓、電

14、流關系uiSu直流電壓源直流電壓源的伏安關系的伏安關系下 頁上 頁例例Ri-+Su外電路外電路RuiS)( 0Ri)0( Ri電壓源不能短路！電壓源不能短路！0返 回l電壓源的功率電壓源的功率 電壓、電流參考方向非關聯(lián)；電壓、電流參考方向非關聯(lián)；+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電）由低電位向高電位移動，外力克服電場力作位向高電位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率。功，電源發(fā)出功率。 iuPS發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用物理意義：物理意義：下 頁上 頁+_iu+_Su 電壓、電流參考方向關聯(lián)；電壓、電流參考方向關聯(lián)；物理意義：物理意義：電場力做功，電源吸

15、收功率電場力做功，電源吸收功率 iuPS吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載返 回例例 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V5)510(RuA155RuiRW5152 RiPRW1011010iuPSVW5155iuPSV發(fā)出發(fā)出吸收吸收吸收吸收滿足滿足：P（發(fā)發(fā)）P（吸吸）下 頁上 頁5Ri+_Ru+_10V5V-+返 回非關聯(lián)，非關聯(lián)，P0關聯(lián)，關聯(lián)，P0關聯(lián)，關聯(lián)，P0其輸出電流總能保持定值或一定的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2.2.理想電流

16、源理想電流源l 定義定義uSi+_下 頁上 頁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 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無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。關；與它兩端電壓方向、大小無關。返 回 電流源兩端的電壓由電源及外電路共電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。同決定。uiSi直流電流源的直流電流源的伏安關系伏安關系下 頁上 頁0例例Ru-+Si外電路外電路SRiu )0( 0Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！返 回 可由穩(wěn)流電子設備產生，如晶體管的集電極可由穩(wěn)流電子設備產生，如晶體管的集電極電流與負載無關；光電

17、池在一定光線照射下光電電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產生一定值的電流等。子被激發(fā)產生一定值的電流等。下 頁上 頁實際電流源的產生：實際電流源的產生：l 電流源的功率電流源的功率u+_SiSuiP 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)；發(fā)出功率，起電源作用發(fā)出功率，起電源作用SuiP 電壓、電流的參考方向關聯(lián)；電壓、電流的參考方向關聯(lián)；u+_Si吸收功率，充當負載吸收功率，充當負載SuiP 返 回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A2SiiV5uW10522 uiPSAW10)2(55iuPSV發(fā)出發(fā)出發(fā)出發(fā)出滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P

18、（吸）（吸）下 頁上 頁u2Ai+_5V-+返 回實際電源實際電源干電池鈕扣電池1. 1. 干電池和鈕扣電池（化學電源）干電池和鈕扣電池（化學電源） 干電池電動勢干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。小決定儲存的能量，化學反應不可逆。鈕扣電池電動勢鈕扣電池電動勢1.35V V，用固體化學材料，化學反應不可逆。，用固體化學材料，化學反應不可逆。下 頁上 頁返 回 氫氧燃料電池示意圖2. 2. 燃料電池（化學電源）燃料電池（化學電源） 電池電動勢電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約。以氫、氧作為燃料。約40-45

19、%的化學能的化學能轉變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼續(xù)工作。轉變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼續(xù)工作。 下 頁上 頁返 回3. 3. 太陽能電池（光能電源）太陽能電池（光能電源） 一塊太陽能電池電動勢一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到。太陽光照射到P-N結上，結上，形成一個從形成一個從N區(qū)流向區(qū)流向P區(qū)的電流。約區(qū)的電流。約 11%的光能轉變?yōu)殡姷墓饽苻D變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板。能，故常用太陽能電池板?一個一個50cm2太陽能電池的電動勢太陽能電池的電動勢0.6V,電流電流0.1A 太陽能電池示意圖太陽能電池板太陽能電池板下 頁上 頁返 回蓄電池示意圖4. 4. 蓄電池（化學電源）蓄電池

20、（化學電源） 電池電動勢電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應可逆。，常要充電，化學反應可逆。下 頁上 頁返 回直流穩(wěn)壓源直流穩(wěn)壓源變頻器變頻器頻率計頻率計函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器下 頁上 頁返 回發(fā)電機組發(fā)電機組下 頁上 頁返 回草原上的風力發(fā)電草原上的風力發(fā)電下 頁上 頁返 回1.7 1.7 受控電源受控電源( (非獨立源非獨立源) )l 電路符號電路符號+受控電壓源受控電壓源1.1.定義定義受控電流源受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)

21、，而是受電路中某個地方的電壓的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電或電流流)控制的電源，稱受控源?？刂频碾娫?，稱受控源。下 頁上 頁返 回 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 或電流或電流i，受控源，受控源可分可分四種類型：四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓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。源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示。2.2.分類分類四端元件四端元件12 ii輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控制部分下

22、頁上 頁 i1+_u2i2_u1i1+返 回g: 轉移電導轉移電導 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS ) )12gui 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( ( VCVS ) )12 uu: 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+下 頁上 頁i1u1+_u2i2_u1+_返 回 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 電路模型電路模型ibicib下 頁上 頁ri1+_u2i2_u1i1+_返 回3.3.受控源與獨立源的比較受控源與獨立源的比較 獨立源電壓獨立源電壓( (或電流或電流

23、) )由電源本身決定，與電由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關，而受控源電壓路中其它電壓、電流無關，而受控源電壓( (或或電流電流) )由控制量決定。由控制量決定。 獨立源在電路中起獨立源在電路中起“激勵激勵”作用，在電路中產作用，在電路中產生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的生電壓、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對另一處的電壓或電流電壓或電流的控制關系的控制關系，在電路中不能作為，在電路中不能作為“激勵激勵”。下 頁上 頁返 回例例求：電壓求：電壓u2解解Ai2361Viu4610 65125i1+_u2_i1+-3u1=6V下 頁上 頁返 回1.8

24、 1.8 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 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。本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構成了電路分析的基爾霍夫定律與元件特性構成了電路分析的基礎?；A。下 頁上 頁返 回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。元件的連接點稱為結點。元件的連接點稱為結點。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3

25、 支路支路電路中每一個兩端元件就叫電路中每一個兩端元件就叫一條支路。一條支路。i3i2i1 結點結點b=5下 頁上 頁或三條以上支路的連接點稱或三條以上支路的連接點稱為結點。為結點。n=2注意 兩種定兩種定義分別用在不同義分別用在不同的場合。的場合。返 回由支路組成的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。兩結點間的一條通路。由支路兩結點間的一條通路。由支路構成構成對對平面電路平面電路，其內部不含任，其內部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123 路徑路徑 回路回路 網(wǎng)孔網(wǎng)孔網(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。下 頁上 頁+_R1uS1+_uS2R2R3注

26、意返 回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。出（或流入）該結點電流的代數(shù)和等于零。mti1b0)(出入ii or流進流進的電的電流等流等于流于流出的出的電流電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 頁上 頁返 回0641iii例例0542iii0653iii三式相加得：三式相加得：0321iiiKCL可推廣應用于電路中包圍多個結點可推廣應用于電路中包圍多個結點的任一閉合面。的任一閉合面。下

27、頁上 頁1 3 25i6i4i1i3i2i表明返 回 KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中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；任意結點處的反映； KCL是對結點處支路電流加的約束，與支路是對結點處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無關，與電路是線性還是上接的是什么元件無關，與電路是線性還是非線性無關；非線性無關； KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電方程是按電流參考方向列寫的，與電流實際方向無關。流實際方向無關。下 頁上 頁明確返 回3 3. .基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 (KVL)mtu1b0)(升降uuor U3U1U2U4下 頁上 頁 標定各元件電壓參標

28、定各元件電壓參考方向考方向 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. .I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一回路，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。所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。返 回U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 頁上 頁U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_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。注意返 回例例SbaUUUU21 KVL的實質反映了電路遵從能量守恒定律的實質反映了電路遵從能量守恒定律; ;