大學(xué)物理電路分析

會(huì)計(jì)學(xué)1大學(xué)物理電路分析2緒論一、課程定位

基礎(chǔ)課所有強(qiáng)電和弱電專業(yè)的必修課二、基礎(chǔ)知識(shí)

必要的電磁學(xué)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)三、主要內(nèi)容

分析電路中的電磁現(xiàn)象，研究電路的基本規(guī)律及電路的分析方法第1頁(yè)/共70頁(yè)3緒論四、要求

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，為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路知識(shí)。五、學(xué)習(xí)方法

概念清楚方法熟練自主學(xué)習(xí)六、考核

平時(shí)20%～30%（作業(yè)、測(cè)驗(yàn)）期終70%（閉卷考試）第2頁(yè)/共70頁(yè)4第1章電路模型和電路定律電路和電路模型1.1電阻元件1.5電流和電壓的參考方向1.2電壓源和電流源1.6電功率和能量1.3受控電源1.7電路元件1.4基爾霍夫定律1.8首頁(yè)本章重點(diǎn)第3頁(yè)/共70頁(yè)51.電壓、電流的參考方向3.基爾霍夫定律

重點(diǎn)：2.電阻元件和電源元件的特性返回第4頁(yè)/共70頁(yè)61.1電路和電路模型1.實(shí)際電路功能a能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b信息的傳遞、控制與處理。建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路。共性第5頁(yè)/共70頁(yè)7

反映實(shí)際電路部件的主要電磁性質(zhì)的理想電路元件及其組合。2.電路模型導(dǎo)線電池開(kāi)關(guān)燈泡理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件。電路模型電路圖第6頁(yè)/共70頁(yè)85種基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。5種基本理想電路元件有三個(gè)特征：

（a）只有兩個(gè)端子；

（b）可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述；（c）不能被分解為其他元件。注意第7頁(yè)/共70頁(yè)9具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件，在一定條件下可用同一電路模型表示；同一實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用條件下，其電路模型可以有不同的形式。例電感線圈的電路模型注意第8頁(yè)/共70頁(yè)101.2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)心的物理量是電流、電壓和功率。1.電流的參考方向電流電流強(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量第9頁(yè)/共70頁(yè)11方向

規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向單位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(導(dǎo)線)中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能:

對(duì)于復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。問(wèn)題實(shí)際方向AB實(shí)際方向AB第10頁(yè)/共70頁(yè)12參考方向

大小方向(正負(fù)）電流(代數(shù)量)任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。i>0i<0電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：i

參考方向ABB實(shí)際方向i

參考方向AA實(shí)際方向i

參考方向B表明第11頁(yè)/共70頁(yè)13電流參考方向的兩種表示：用箭頭表示：箭頭的指向?yàn)殡娏鞯膮⒖挤较?。用雙下標(biāo)表示：如iAB

,

電流的參考方向由A指向B。i

參考方向ABiABAB第12頁(yè)/共70頁(yè)14電壓U

單位2.電壓的參考方向單位正電荷q

從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力做功（W）的大小。

電位

單位正電荷q

從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)（＝0）時(shí)電場(chǎng)力做功的大小。

實(shí)際電壓方向

電位真正降低的方向。V(伏)、kV、mV、V第13頁(yè)/共70頁(yè)15例已知：4C正電荷由a點(diǎn)均勻移動(dòng)至b點(diǎn)電場(chǎng)力做功8J，由b點(diǎn)移動(dòng)到c點(diǎn)電場(chǎng)力做功為12J，若以b點(diǎn)為參考點(diǎn)，求a、b、c點(diǎn)的電位和電壓Uab、Ubc;若以c點(diǎn)為參考點(diǎn)，再求以上各值。解(1)acb第14頁(yè)/共70頁(yè)16acb解(2)結(jié)論

電路中電位參考點(diǎn)可任意選擇；參考點(diǎn)一經(jīng)選定，電路中各點(diǎn)的電位值就唯一確定；當(dāng)選擇不同的電位參考點(diǎn)時(shí)，電路中各點(diǎn)電位值將改變，但任意兩點(diǎn)間電壓保持不變。第15頁(yè)/共70頁(yè)17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(wèn)題的分析計(jì)算帶來(lái)困難。

電壓(降)的參考方向U>0參考方向U+–參考方向U+–<0U假設(shè)高電位指向低電位的方向。問(wèn)題+實(shí)際方向–+實(shí)際方向–第16頁(yè)/共70頁(yè)18電壓參考方向的三種表示方式：(1)用箭頭表示：(2)用正負(fù)極性表示(3)用雙下標(biāo)表示UU+ABUAB第17頁(yè)/共70頁(yè)19

元件或支路的u，i

采用相同的參考方向稱之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向3.關(guān)聯(lián)參考方向i+-+-iuu第18頁(yè)/共70頁(yè)20分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注(包括方向和符號(hào))，在計(jì)算過(guò)程中不得任意改變參考方向不同時(shí)，其表達(dá)式相差一負(fù)號(hào)，但電壓、電流的實(shí)際方向不變。例電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問(wèn)：對(duì)A、B兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否？答：A電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；

B電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)。注意＋－uBAi第19頁(yè)/共70頁(yè)211.3電功率和能量1.電功率功率的單位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的單位：J(焦)(Joule，焦耳)單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。第20頁(yè)/共70頁(yè)222.電路吸收或發(fā)出功率的判斷

u,i

取關(guān)聯(lián)參考方向P=ui

表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(實(shí)際吸收)P<0

吸收負(fù)功率(實(shí)際發(fā)出)P=ui

表示元件發(fā)出的功率P>0

發(fā)出正功率(實(shí)際發(fā)出)P<0

發(fā)出負(fù)功率(實(shí)際吸收)

u,i

取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu第21頁(yè)/共70頁(yè)23例

求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－第22頁(yè)/共70頁(yè)24解對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率＝吸收的功率564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－注意第23頁(yè)/共70頁(yè)251.4電路元件是電路中最基本的組成單元。1.電路元件5種基本的理想電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。注意

如果表征元件端子特性的數(shù)學(xué)關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。第24頁(yè)/共70頁(yè)262.集總參數(shù)電路由集總元件構(gòu)成的電路集總元件假定發(fā)生的電磁過(guò)程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行。集總條件

集總參數(shù)電路中u、i

可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān)。因此，任何時(shí)刻，流入兩端元件一個(gè)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。注意第25頁(yè)/共70頁(yè)27例iiz集總參數(shù)電路+-兩線傳輸線的等效電路當(dāng)兩線傳輸線的長(zhǎng)度l與電磁波的波長(zhǎng)滿足：第26頁(yè)/共70頁(yè)28iiz++--分布參數(shù)電路當(dāng)兩線傳輸線的長(zhǎng)度l與電磁波的波長(zhǎng)滿足：第27頁(yè)/共70頁(yè)291.5電阻元件2.線性時(shí)不變電阻元件

電路符號(hào)R電阻元件對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用u～i平面上的一條曲線來(lái)描述：iu任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性0第28頁(yè)/共70頁(yè)30

u～i

關(guān)系R

稱為電阻，單位：

(Ohm)滿足歐姆定律

單位G

稱為電導(dǎo)，單位：S(Siemens)u、i取關(guān)聯(lián)參考方向伏安特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線ui0Rui+－第29頁(yè)/共70頁(yè)31如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)，公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)；說(shuō)明線性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元件。歐姆定律只適用于線性電阻(

R

為常數(shù)）；則歐姆定律寫(xiě)為u–Rii–Gu公式和參考方向必須配套使用！注意Rui-+第30頁(yè)/共70頁(yè)323.功率和能量電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p

ui(–Ri)i–i2R-

u2/Rp

uii2Ru2/R

功率Rui+-表明Rui-+第31頁(yè)/共70頁(yè)33ui從

t0

到t電阻消耗的能量：4.電阻的開(kāi)路與短路

能量

短路

開(kāi)路uiRiu+–u+–i00第32頁(yè)/共70頁(yè)34實(shí)際電阻器第33頁(yè)/共70頁(yè)35

1.6電壓源和電流源電路符號(hào)1.理想電壓源定義i+_其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電流i

無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。第34頁(yè)/共70頁(yè)36電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定。理想電壓源的電壓、電流關(guān)系ui直流電壓源的伏安關(guān)系例Ri-+外電路電壓源不能短路！0第35頁(yè)/共70頁(yè)37電壓源的功率電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；

+_iu+_

電流（正電荷）由低電位向高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)力作功，電源發(fā)出功率。

發(fā)出功率，起電源作用物理意義：+_iu+_電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；

物理意義：電場(chǎng)力做功，電源吸收功率吸收功率，充當(dāng)負(fù)載第36頁(yè)/共70頁(yè)38例計(jì)算圖示電路各元件的功率解發(fā)出吸收吸收滿足：P（發(fā)）＝P（吸）i+_+_10V5V-+第37頁(yè)/共70頁(yè)39其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u

無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。

電路符號(hào)2.理想電流源

定義u+_

理想電流源的電壓、電流關(guān)系電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)。第38頁(yè)/共70頁(yè)40電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。ui直流電流源的伏安關(guān)系0例Ru-+外電路電流源不能開(kāi)路！第39頁(yè)/共70頁(yè)41

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(wú)關(guān)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。實(shí)際電流源的產(chǎn)生：

電流源的功率u+_電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；

發(fā)出功率，起電源作用電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；

u+_吸收功率，充當(dāng)負(fù)載第40頁(yè)/共70頁(yè)42例計(jì)算圖示電路各元件的功率解發(fā)出發(fā)出滿足：P（發(fā)）＝P（吸）u2Ai+_5V-+第41頁(yè)/共70頁(yè)43實(shí)際電源干電池鈕扣電池1.干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）

干電池電動(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。第42頁(yè)/共70頁(yè)44

氫氧燃料電池示意圖2.燃料電池（化學(xué)電源）

電池電動(dòng)勢(shì)1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。第43頁(yè)/共70頁(yè)453.太陽(yáng)能電池（光能電源）

一塊太陽(yáng)能電池電動(dòng)勢(shì)0.6V。太陽(yáng)光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太?yáng)能電池板。

一個(gè)50cm2太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)0.6V,電流0.1A

太陽(yáng)能電池示意圖太陽(yáng)能電池板第44頁(yè)/共70頁(yè)46蓄電池示意圖4.蓄電池（化學(xué)電源）

電池電動(dòng)勢(shì)2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動(dòng)勢(shì)低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。第45頁(yè)/共70頁(yè)47直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計(jì)函數(shù)發(fā)生器第46頁(yè)/共70頁(yè)48發(fā)電機(jī)組第47頁(yè)/共70頁(yè)49草原上的風(fēng)力發(fā)電第48頁(yè)/共70頁(yè)501.7受控電源(非獨(dú)立源)

電路符號(hào)+–受控電壓源1.定義受控電流源

電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。第49頁(yè)/共70頁(yè)51電流控制的電流源(CCCS):電流放大倍數(shù)

根據(jù)控制量和被控制量是電壓u

或電流i，受控源可分四種類型：當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時(shí)，用受控電流源表示。2.分類四端元件輸出：受控部分輸入：控制部分b

i1+_u2i2_u1i1+第50頁(yè)/共70頁(yè)52g:轉(zhuǎn)移電導(dǎo)

電壓控制的電流源(VCCS)電壓控制的電壓源(VCVS):電壓放大倍數(shù)

gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1++_第51頁(yè)/共70頁(yè)53電流控制的電壓源(CCVS)r

:轉(zhuǎn)移電阻

例電路模型ibicibri1+_u2i2_u1i1++_第52頁(yè)/共70頁(yè)543.受控源與獨(dú)立源的比較獨(dú)立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無(wú)關(guān)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對(duì)另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)”。第53頁(yè)/共70頁(yè)55例求：電壓u2解5i1+_u2_i1++-3u1=6V第54頁(yè)/共70頁(yè)561.8基爾霍夫定律

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(KVL)。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)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)。第55頁(yè)/共70頁(yè)571.幾個(gè)名詞電路中通過(guò)同一電流的分支。元件的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路。i3i2i1結(jié)點(diǎn)b=5或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。n=2注意

兩種定義分別用在不同的場(chǎng)合。第56頁(yè)/共70頁(yè)58由支路組成的閉合路徑。兩結(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成對(duì)平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123路徑回路網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。+_R1uS1+_uS2R2R3注意第57頁(yè)/共70頁(yè)592.基爾霍夫電流定律

(KCL)令流出為“+”，有：例

在集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)流出（或流入）該結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。流進(jìn)的電流等于流出的電流第58頁(yè)/共70頁(yè)60例三式相加得：KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)的任一閉合面。1

32表明第59頁(yè)/共70頁(yè)61KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點(diǎn)處的反映；KCL是對(duì)結(jié)點(diǎn)處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無(wú)關(guān)，與電路是線性還是非線性無(wú)關(guān)；KCL方程是按電流參考方向列寫(xiě)的，與電流實(shí)際方向無(wú)關(guān)。明確第60頁(yè)/共70頁(yè)623.基爾霍夫電壓定律

(KVL)U3U1U2U4標(biāo)定各元件電壓參考方向選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_

在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。第61頁(yè)/共70頁(yè)63–U1–US1+U2+U3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4U3