第1章 電路元件與電路定律

1、電電 路路2014.02J主講教師 ：李海華李海華 工程實(shí)訓(xùn)樓工程實(shí)訓(xùn)樓A426辦公室辦公室J教 材：電路基礎(chǔ)電路基礎(chǔ) 張新建，孫親錫編，清華大學(xué)出版社張新建，孫親錫編，清華大學(xué)出版社J參考書籍：電工學(xué)電工學(xué)，秦曾煌主編，高等教育出版社，秦曾煌主編，高等教育出版社 電路與磁路電路與磁路，艾武主編，華中科技大學(xué)出版社，艾武主編，華中科技大學(xué)出版社 電工技術(shù)電工技術(shù)，胡偉軒主編，華中科技大學(xué)出版社，胡偉軒主編，華中科技大學(xué)出版社總 學(xué) 時：32/24學(xué)時J考 試：考試成績占70%平時成績占30% （實(shí)驗(yàn)、考勤、作業(yè)）1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向l 重點(diǎn)重點(diǎn)：第第1 1章章

2、電路元件與電路定律電路元件與電路定律2. 2. 功率的計算功率的計算3. 3. 電壓源與電流源電壓源與電流源4. 4. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律1.1 電路及電路模型電路及電路模型1. 實(shí)際電路實(shí)際電路功能功能a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)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(chǔ)上。建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。由由R、L、C、電源等部件和晶體管等、電源等部件和晶體管等器件相互連接構(gòu)成的電流通路。器件相互連接構(gòu)成的電流通路。反映實(shí)際電路部件的主要電磁反映實(shí)際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想性質(zhì)的理想電路元件及其組合。電路元件及其組合。10BASE-

3、T wall plate導(dǎo)線導(dǎo)線電池電池開關(guān)開關(guān)燈泡燈泡2. 電路模型電路模型 (circuit model)sRLRsU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元件。有某種確定的電磁性能的元件。l電路圖電路圖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(guān)心的物理量量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關(guān)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 (cur

4、rent reference direction)l電流電流l電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動。帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動。單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。l 方向方向規(guī)定正電荷運(yùn)動的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。規(guī)定正電荷運(yùn)動的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。l 單位單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、 A元件（導(dǎo)線）中電流流動的實(shí)際方向只有兩種可能：元件（導(dǎo)線）中電流流動的實(shí)際方向只有兩種可能： 實(shí)際方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向 AABB問題：問題：復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的復(fù)雜電路或電路中的電流

5、隨時間變化時，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。實(shí)際方向往往很難事先判斷。l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電流電流(代數(shù)量代數(shù)量)任意假定一個正電荷運(yùn)動的方向即為電流任意假定一個正電荷運(yùn)動的方向即為電流的參考方向。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實(shí)際方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：AABB電流參考方向的兩種表示：電流參考方向的兩種表示： 用箭頭表示：箭頭的指向?yàn)橛眉^表示：箭頭的指向?yàn)殡娏鞯膮⒖挤较?。電流的參考方向?用雙下標(biāo)表示：如用雙下標(biāo)表示：如 iAB , 電流的參考方向由

6、電流的參考方向由A指向指向B。iABABiABl 電壓電壓Ul 單位：單位：V (伏伏)、kV、mV、 V2. 電壓的參考方向電壓的參考方向 (voltage reference direction)單位正電荷單位正電荷q 從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時電場力做功（電場力做功（W）的大小。）的大小。l 實(shí)際電壓方向?qū)嶋H電壓方向 電位真正降低的方向。電位真正降低的方向。問題：問題：復(fù)雜電路或交變電路中，兩點(diǎn)間電壓的實(shí)際方向往往復(fù)雜電路或交變電路中，兩點(diǎn)間電壓的實(shí)際方向往往不易判別，給實(shí)際電路問題的分析計算帶來困難。不易判別，給實(shí)際電路問題的分析計算帶來困難。l 電壓（降）的參考

7、方向電壓（降）的參考方向U 0參考方向參考方向U+實(shí)際方向?qū)嶋H方向+實(shí)際方向?qū)嶋H方向參考方向參考方向U+U假定的電壓降低的方向。假定的電壓降低的方向。電壓參考方向的三種表示方式電壓參考方向的三種表示方式：(1) 用箭頭表示用箭頭表示(2) 用正負(fù)極性表示用正負(fù)極性表示(3) 用雙下標(biāo)表示用雙下標(biāo)表示UU+ABUAB元件或支路的元件或支路的u、i 采用相同的參考方向稱為采用相同的參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向；反之，稱為反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向3. 關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向i+-+-iUU注注（1）分析電路前必須選定電壓和

8、電流的參考方向。）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(biāo)注）參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 (包包括方向和括方向和符號符號），），在計算過程中不得任意改變。在計算過程中不得任意改變。（3）參考方向不同時，其表達(dá)式相差一負(fù)號，但實(shí)際）參考方向不同時，其表達(dá)式相差一負(fù)號，但實(shí)際 方向不變。方向不變。例例ABABiU電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問：對電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問：對A、B兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否？兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否？解：解： A 電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)； B 電壓、電流參考方向

9、關(guān)聯(lián)。電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)。4. 電路元件的功率電路元件的功率 (power)功率的單位：功率的單位：W (瓦瓦) (Watt，瓦特，瓦特)單位時間內(nèi)電場力所做的功。單位時間內(nèi)電場力所做的功。5. 電路吸收或發(fā)出功率的判斷：電路吸收或發(fā)出功率的判斷：l u, i 取取關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向P=ui 表表示元件吸收的功率示元件吸收的功率P0 吸收正功率吸收正功率 (實(shí)際吸收實(shí)際吸收)P0，d u/d t0，則，則i0，q ， p0, 電容吸收功率。電容吸收功率。(2)當(dāng)電容放電，當(dāng)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

10、率。電感吸收功率。(2)當(dāng)電流減小，當(dāng)電流減小，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(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能電感能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量儲存起來，在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電量儲存起來，在另一段時間內(nèi)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(guān)取關(guān)聯(lián)參考方向聯(lián)參考方向 1.6.1 獨(dú)立電壓源獨(dú)立電壓源 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

11、值與流過它的電流值與流過它的電流 i 無關(guān)的元件叫理想電壓源。無關(guān)的元件叫理想電壓源。l 電路符號電路符號1. 理想電壓源理想電壓源l 定義定義iSu+_ 1.6 獨(dú)立電源獨(dú)立電源(1) 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(guān)；與流經(jīng)它的電流方與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方 向、大小無關(guān)。向、大小無關(guān)。(2) 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(guān)系理想電壓源的電壓、電流關(guān)系ui)(tuS伏安關(guān)系伏安關(guān)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

12、能短路！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 WiuPSV1011010WiuPSV5155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） 實(shí)際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若實(shí)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。短路，電流很大，可能燒毀電源。usuiO 2.實(shí)際電壓源實(shí)際電壓源i+_u+_SuSR考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)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

13、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(guān)的元件叫理想電流源。無關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號電路符號1. 理想電流源理想電流源l 定義定義uSi+_(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(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。(2) 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(guān)系理想電流源的電壓、電流關(guān)系ui)(tiS伏安伏安關(guān)系關(guān)系 1.6.2 獨(dú)立電流源獨(dú)立電流源例例外外電電路路)( 00 Ru)( Ru電流源不

14、能開路！電流源不能開路！Ru-+Si實(shí)際電流源的產(chǎn)生：實(shí)際電流源的產(chǎn)生： 可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。值的電流等。SRiu 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Ai2Vu5 WuiPSA10252WiuPSSV10255發(fā)出發(fā)出吸收吸收滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸）+_u+_2A5V 實(shí)際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若開路，實(shí)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

15、電源。電壓很高，可能燒毀電源。isuiO 2.實(shí)際電實(shí)際電流流源源考慮內(nèi)阻考慮內(nèi)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+_SiSRi1.7 受控源受控源 (非獨(dú)立源非獨(dú)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

16、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(dāng)被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當(dāng)被當(dāng)被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時，用受控電流源表示。控制量是電流時，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(zhuǎn)移電導(dǎo)轉(zhuǎn)移電導(dǎo) (2) (2) 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS )u1gu u1 1+_u2

17、i2_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(zhuǎn)移電阻轉(zhuǎn)移電阻 3. 3. 受控源與獨(dú)立源的比較受控源與獨(dú)立源的比較(1) (1) 獨(dú)立源電壓獨(dú)立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電路中其它電壓、由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓電流無關(guān)，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) (

18、2) 獨(dú)立源在電路中起獨(dú)立源在電路中起“激勵激勵”作用，可以產(chǎn)生電壓、電流，作用，可以產(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(guān)系，在電路中不而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關(guān)系，在電路中不能作為能作為“激勵激勵”。例例求：電壓求：電壓u2。解：解： 5i1+_u2_u1=6Vi1+-3 Ai2361 Viu46106512 1.8 基爾霍夫定律基爾霍夫定律( Kirchhoffs Laws )( Kirchhoffs 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) )和和基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律( (KVL) )。它反映了電

19、路中所有支。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，是分析集總參數(shù)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?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構(gòu)成了電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。電路分析的基礎(chǔ)。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(diǎn)稱三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。為節(jié)點(diǎn)。( ( n n ) )b=3an=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(diǎn)節(jié)點(diǎn)(

20、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(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成。兩節(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成。對對平面電路平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。，其內(nèi)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)(mesh)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

21、 電路中，任意時刻，對任意節(jié)點(diǎn)流出或流入該節(jié)點(diǎn)電流的電路中，任意時刻，對任意節(jié)點(diǎn)流出或流入該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。代數(shù)和等于零。 mkti10)( 出出入入 iior 流進(jìn)的電流進(jìn)的電流等于流流等于流出的電流出的電流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 令流入為令流入為“+”+”，有：，有：054321iiiii或者流入等于流出，有：或者流入等于流出，有：1 3 25i6i4i1i3i2i0641 iii例例0542 iii0653 iii三式相加得：三式相加得：0321 iii表明表明KCL可推廣應(yīng)用于電路中包可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個節(jié)點(diǎn)的任一閉合面。圍多個節(jié)

22、點(diǎn)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 意節(jié)點(diǎn)處的反映；意節(jié)點(diǎn)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(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；（3）KCL方程是按電流參考方向列寫，與電流實(shí)際方程是按電流參考方向列寫，與電流實(shí)際 方向無關(guān)。方向無關(guān)。（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。U1US1+U2+U3+U4+US4= 03. 3. 基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 ( (KVL) ) 電路中，任一時刻，電路中，任一時刻，沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零的代數(shù)和等于零。 mktu10)( 升升降降 uuor I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R