電路教學(xué)課件：第一章 電路模型和電路定律

1、 課程性質(zhì) 電路是高等學(xué)校電子與電氣信息類專業(yè)的重要的基礎(chǔ)課，是所有強(qiáng)電專業(yè)和弱電專業(yè)的必修課。 教學(xué)目標(biāo) 通過本課程的學(xué)習(xí)，對(duì)樹立學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計(jì)算能力、實(shí)驗(yàn)研究能力和科學(xué)歸納能力都有重要的作用。前言 本課件適用專業(yè)96(理論)+32(實(shí)驗(yàn)) 學(xué)時(shí) 電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息工程等。 通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電路的基本理論知識(shí)、電路的基本分析方法和初步的實(shí)驗(yàn)技能，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)電路理論打下初步的基礎(chǔ)，為學(xué)習(xí)電子與電氣信息類專業(yè)的后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路知

2、識(shí)。80(理論)+16(實(shí)驗(yàn))1-1 電路和電路模型1-2 電流和電壓的參考方向1-3 電功率和能量1-4 電路元件1-5 電阻元件1-6 電壓源和電流源1-7 受控電源第一章 電路模型和電路定律教學(xué)內(nèi)容1-8 基爾霍夫定律 本章介紹電路模型、電路元件的概念，電壓、電流參考方向的概念，元件、電路吸收或發(fā)出功率的表達(dá)式和計(jì)算；還介紹電阻、獨(dú)立電源和和受控電源等電路元件。內(nèi)容提要 電路中的電壓、電流之間具有兩種約束，一種是由電路元件決定的元件約束；另一種是元件間連接而引入的幾何約束，后者由基爾霍夫定律來表達(dá)。基爾霍夫定律是集總參數(shù)電路的基本定律。受控電源。難點(diǎn)學(xué)時(shí)數(shù)5學(xué)時(shí)。重點(diǎn) 電流和電壓的參考方

3、向；元件的伏安特性；基爾霍夫定律。實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換 一、電路 電路是為完成某種預(yù)期目的而設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行（或非預(yù)期情況），由電路器件相互連接而成的電流通路裝置。 1-1 電路和電路模型輸電線發(fā)電機(jī)典型例子：電力系統(tǒng)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐 電路的作用 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理揚(yáng)聲器話筒典型例子：擴(kuò)音機(jī)放大器1-1 電路和電路模型電源（信號(hào)源）、中間環(huán)節(jié)、負(fù)載 電路的組成電路還能完成測(cè)量、控制、計(jì)算等功能。 電源 供應(yīng)電能負(fù)載 取用電能中間環(huán)節(jié)傳輸和分配電能輸電線發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐1-1 電路和電路模型中間環(huán)節(jié)信號(hào)處理負(fù)載接受和轉(zhuǎn)換信號(hào)信號(hào)源 提供信號(hào)激勵(lì)：電源或

4、信號(hào)源的電壓或電流，它推動(dòng)電路工作；響應(yīng)：由激勵(lì)在電路各部分產(chǎn)生的電壓和電流。揚(yáng)聲器話筒放大器1-1 電路和電路模型二、電路模型 電路理論研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，并用電流、電壓、電荷、磁通等物理量來描述其中的過程。 它主要是計(jì)算電路中各部件、器件的端子電流和端子間的電壓，一般不涉及內(nèi)部發(fā)生的物理過程。 為了便于對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析和用數(shù)學(xué)描述，將實(shí)際元件理想化（或稱模型化），即在一定條件下突出其主要的電磁性質(zhì)，忽略其次要因素。 由理想電路元件或其組合所組成的電路，就是實(shí)際電路的電路模型（建模），它是對(duì)實(shí)際電路電磁性質(zhì)的科學(xué)抽象和概括。1-1 電路和電路模型+1-1 電路和電路模型例：手電筒的電

5、路模型+-+-+-干電池：是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)電阻Ro。電珠：是電阻元件，其參數(shù)為電阻R。筒體(包括開關(guān))：是連接干電池與電珠的中間環(huán)節(jié)，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是一無電阻的理想導(dǎo)體。1-1 電路和電路模型1-2 電流和電壓的參考方向?qū)嶋H方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向。一、電流的方向參考方向（正方向）：任意選定的方向。iab 雙下標(biāo)：表示方法：i箭頭：二、電壓的方向?qū)嶋H方向：高電位端指向低電位端。參考方向（正方向）：任意選定的方向。uab 雙下標(biāo)：表示方法：正負(fù)極性：+-實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。三

6、、實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系1-2 電流和電壓的參考方向若 i = 6A，則電流實(shí)際方向?yàn)閺腶流向b；例：若 i = -6A，則電流實(shí)際方向?yàn)閺腷流向a。i參考方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向若 u = 6V，則電壓的實(shí)際方向?yàn)閺腶指向b；若 u= -6V，則電壓的實(shí)際方向?yàn)閺腷指向a。實(shí)際方向參考方向u+-+-1-2 電流和電壓的參考方向 若電壓與電流參考方向相同，則為關(guān)聯(lián)參考方向；四、關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向 反之，則為非關(guān)聯(lián)參考方向。參考方向選定后電流(或電壓)值才有正負(fù)之分 N+-N+-1-2 電流和電壓的參考方向1-3 電功率和能量 電路在工作狀況下總伴隨有電能與其它形式能量的互換；另一方面，

7、電氣設(shè)備、電路部件本身都有功率的限制，使用時(shí)要注意其電壓或電流值是否超過額定值。一、電功率當(dāng) p 0 時(shí)，表示元件吸收功率； 當(dāng) p 0 時(shí)，表示元件發(fā)出功率； 當(dāng) p 0 時(shí)，表示元件吸收功率。 1-3 電功率和能量二、能量在t0 到t 的時(shí)間內(nèi)，元件吸收的能量為 在國(guó)際單位制中，電流：A；電荷：C；電壓：V；能量：J；功率：W。三、單位例：圖中五個(gè)元件代表電源或負(fù)載。電流和電壓的參考方向如圖，今通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得知：I1=-4A，I2=6A，I3=10A，U1=140V，U2=-90V，U3=60V，U4=-80V，U5=30V。試標(biāo)出各電流的實(shí)際方向和各電壓的實(shí)際極性；判斷哪些元件是電源？哪

8、些是負(fù)載？計(jì)算各元件的功率，電源發(fā)出的功率和負(fù)載取用的功率是否平衡？45321+-+-+-+-+-解：45321+-+-+-+-+-1-3 電功率和能量1、2是電源3、4、5是負(fù)載 發(fā)出功率發(fā)出功率吸收功率吸收功率吸收功率 在關(guān)聯(lián)參考方向下電源發(fā)出功率：負(fù)載吸收功率：二者相等功率平衡45321+-+-+-+-+-1-3 電功率和能量 集總(參數(shù))元件：在任何時(shí)刻，流入二端元件的一個(gè)端子的電流一定等于從另一端子流出的電流，且兩個(gè)端子之間的電壓為單值量。1-4 電路元件 集總電路：由集總元件構(gòu)成的電路。 元件(的端子)特性：元件的兩個(gè)端子的電路物理量之間的代數(shù)函數(shù)關(guān)系。 電路元件按與外部連接的端子

9、數(shù)目可分為二端、三端、四端元件等。還可分為線性、非線性、時(shí)變、時(shí)不變、無源、有源元件等。1-5 電阻元件一、線性電阻元件 在電壓和電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，在任何時(shí)刻其端電壓和通過它的電流服從歐姆定律：u = R iRui+-R 稱為電阻，為一正實(shí)常數(shù)，單位為(歐姆)。G 稱為電導(dǎo)，單位為S(西門子)。令 ，則i = G u 若電壓和電流取非關(guān)聯(lián)參考方向，則 u =- R i 或 i =- G u1-5 電阻元件 伏安特性指的是電阻端電壓與電流的關(guān)系。 線性電阻的伏安特性是一條過原點(diǎn)的直線。二、伏安特性三、功率和能量iuo線性電阻的伏安特性曲線若 u 和 i 取關(guān)聯(lián)參考方向，則無源元件、耗能元件電

10、阻元件把吸收的電能轉(zhuǎn)換成熱能或其他能量。四、開路和短路iuo 開路：當(dāng)一個(gè)線性電阻元件的端電壓u不管為何有限值時(shí)，電流i = 0，iuo此時(shí)R = ，R兩端子呈斷開狀態(tài)。 短路：當(dāng)一個(gè)線性電阻元件的電流i不管為何有限值時(shí)，電壓 u = 0，此時(shí)R = 0，R兩端子好似導(dǎo)線連接。1-5 電阻元件1-6 電壓源和電流源一、理想電壓源 特點(diǎn)其端電壓與外電路及通過它的電流均無關(guān)。通過它的電流由電壓源和外電路共同決定。 定義電源(又稱獨(dú)立源)為二端有源元件。 其端電壓為一定值或給定的時(shí)間函數(shù)，與通過它的電流無關(guān)。1-6 電壓源和電流源+- 電路符號(hào) 伏安特性u(píng)ioUS直流電壓源uiouS(t1)變化的電

11、壓源+-uS+-ui12外電路 理想電壓源的開路與短路開路：理想電壓源不接外電路，i = 0，u = uS 。短路：uS = 0，不允許理想電壓源短路。 功率+-uS+-ui12外電路 理想電壓源的電壓與通過它的電流取非關(guān)聯(lián)參考方向，它發(fā)出功率為1-6 電壓源和電流源二、理想電流源 特點(diǎn)其輸出電流與外電路及其端電壓均無關(guān)。其端電壓由電流源和外電路共同決定。 定義 其發(fā)出電流為一定值或給定的時(shí)間函數(shù)，與其端電壓無關(guān)。 電路符號(hào)+-1-6 電壓源和電流源 伏安特性u(píng)ioIS直流電流源uioiS(t1)變化的電流源 理想電流源的開路與短路短路：外電路短路，u = 0，i = iS 。開路：iS =

12、0，不允許理想電流源開路。iS+-ui12外電路1-6 電壓源和電流源 功率 理想電流源電流與電壓取非關(guān)聯(lián)參考方向，它發(fā)出功率為三、實(shí)際電源理想電壓源與電阻的串聯(lián)組合，如發(fā)電機(jī)。理想電流源與電阻的并聯(lián)組合，如光電池。iS+-ui12外電路1-6 電壓源和電流源1-7 受控電源受控電源(又稱非獨(dú)立電源)：受控電壓源的電壓或受控電流源的電流受電路中某部分電流或電壓的控制。一、定義二、電路符號(hào)+-受控電壓源受控電流源三、分類根據(jù)控制量和被控制量是電壓或電流分為四種類型。u1u1u2i2i1=0(a)VCVS電壓控制電壓源+-+-+-gu1u1u2i2i1=0(c)VCCS電壓控制電流源+-+-u1=

13、0u2i2i1(b)CCVS電流控制電壓源+-+-+-ri1u1=0u2i2i1(d)CCCS電流控制電流源+-+- i11-7 受控電源u1為控制量，為電壓放大倍數(shù)i1為控制量，r為轉(zhuǎn)移電阻u1為控制量，g為轉(zhuǎn)移電導(dǎo)i1為控制量，為電流放大倍數(shù) 受控源為四端元件。四、注意事項(xiàng) 受控源不能做電路的一個(gè)獨(dú)立激勵(lì)，它只反映電路中某處的電壓或電流受另一處電壓或電流的控制關(guān)系。 在求解含受控源的電路時(shí)，可把受控源當(dāng)獨(dú)立源來處理，但應(yīng)注意其激勵(lì)是取決于控制量的。例：如圖，iS = 2A，VCCS的控制系數(shù)g = 2S，求 u 。gu1i2+-u5+-u1iS解：1-7 受控電源1-8 基爾霍夫定律支路：

14、電路中的每一個(gè)分支。 一條支路流過一個(gè)電流，稱為支路電流。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的連接點(diǎn)，如結(jié)點(diǎn)a、b?；芈罚河芍方M成的閉合路徑，如回路1、2、3。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路，如網(wǎng)孔1、2。I1I2I3ba123+-+-1-8 基爾霍夫定律 電路變量(支路電壓和支路電流)受兩類約束： 一類是元件特性造成的約束，如線性電阻元件的電壓與電流必須滿足 u = iR 的關(guān)系，即VCR。 另一類是由于元件的相互連接給支路電流之間或支路電壓之間帶來的約束關(guān)系，常稱幾何(或拓?fù)?約束，它由基爾霍夫定律來體現(xiàn)。 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)，反映電路中所有支路電流和

15、電壓所遵循的規(guī)律，它僅與元件的相互連接有關(guān)，而與元件的性質(zhì)(線性或非線性、時(shí)變或時(shí)不變等)無關(guān)。一、基爾霍夫電流定律(KCL) 定律內(nèi)容 在集總電路中，任何時(shí)刻，對(duì)任一結(jié)點(diǎn)，所有流出結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒等于零。 任何時(shí)刻，流出任一結(jié)點(diǎn)的支路電流等于流入該結(jié)點(diǎn)的支路電流。對(duì)結(jié)點(diǎn)：+-+-i1i2i3 即：即：分析電路前要指定各支路電流的參考方向。1-8 基爾霍夫定律例：如圖，已知I1=0.01A，I2=0.3A，I5=9.61A，試求電流I3，I4，I6。解：根據(jù)KCL，對(duì)結(jié)點(diǎn)a根據(jù)KCL，對(duì)結(jié)點(diǎn)b根據(jù)KCL，對(duì)結(jié)點(diǎn)c1-8 基爾霍夫定律 KCL也適用于包圍幾個(gè)結(jié)點(diǎn)的的閉合面。 推廣應(yīng)用廣義

16、結(jié)點(diǎn) 根據(jù)KCL，分別對(duì)A、B、C三個(gè)結(jié)點(diǎn)列電流方程：例： KCL是用來確定連接在同一結(jié)點(diǎn)上的各支路電流之間關(guān)系的，具有電流連續(xù)性，它是電荷守恒的體現(xiàn)。1-8 基爾霍夫定律二、基爾霍夫電壓定律（KVL) 定律內(nèi)容即： u = 0 在集總電路中，任何時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。對(duì)回路1：u1u2u31+-+-+-+-+-KVL是電壓與路徑無關(guān)這一性質(zhì)的反映。 元件電壓參考方向與循行方向一致，則元件電壓取正；反之，取負(fù)。1-8 基爾霍夫定律 推廣應(yīng)用對(duì)回路1：推廣應(yīng)用于任一假想的回路。1+-+-+-例1：如圖，已知u2 = 4V， u1 = u3 = 1V，u4 = u5 = 2V，求：ux 。+-u1+-u6+-u5+-u2+-u4+-u3+-ux解：1-8 基爾霍夫定律例2：如圖，已知u2 = 4V， u1 = u3 = 1V，求uab 。解：1對(duì)回路1，根據(jù)KVL1-8 基爾霍夫定律例3： 如圖，計(jì)算電流I、