電路和電路模型

關(guān)于電路和電路模型第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五主要內(nèi)容電路和電路模型電路的基本物理量電路的參考方向無源元件的介紹項(xiàng)目一認(rèn)識(shí)電路的基本物理量和基爾霍夫定律第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.1電路和電路模型

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電路的概念由實(shí)際元器件構(gòu)成的電流的通路稱為電路。1、電路的組成及其功能電路是電流的通路第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電路通常由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三部分組成。

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電路的組成1、電路的組成及其功能火線..零線電源連接導(dǎo)線和其余設(shè)備為中間環(huán)節(jié)負(fù)載第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電路可以實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。電力系統(tǒng)中電子技術(shù)中電路可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞、變換、存儲(chǔ)和處理。1、電路的組成及其功能

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電路的功能第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五2、電路模型實(shí)體電路連接導(dǎo)線負(fù)載電源開關(guān)SRL+

U–IUS+_R0電路模型電源負(fù)載中間環(huán)節(jié)

用抽象的理想電路元件及其組合，近似地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五

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理想電路元件R+

US–電阻元件只具耗能的電特性電容元件只具有儲(chǔ)存電能的電特性理想電壓源輸出電壓恒定，輸出電流由它和負(fù)載共同決定理想電流源

輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定。L電感元件只具有儲(chǔ)存磁能的電特性IS

理想電路元件是實(shí)際電路器件的理想化和近似化，其電特性單一、精確，可定量分析和計(jì)算。C3、理想元件第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五5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8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電路元件按照其與電路其他部分相連接的端鈕數(shù)，可以分為二端元件和多端元件。二端元件通過兩個(gè)端鈕與電路其他部分連接；多端元件通過三個(gè)或三個(gè)以上端鈕與電路其他部分連接。3、理想元件第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果電路由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？何謂理想電路元件？其中“理想”二字在實(shí)際電路的含義？理想元件有何特征？如何在電路中區(qū)分電源和負(fù)載？試述電路的功能？何謂“電路模型”？學(xué)好本課程，應(yīng)注意抓好四個(gè)主要環(huán)節(jié)：提前預(yù)習(xí)、認(rèn)真聽課、及時(shí)復(fù)習(xí)、獨(dú)立作業(yè)。還要處理好三個(gè)基本關(guān)系：聽課與筆記、作業(yè)與復(fù)習(xí)、自學(xué)與互學(xué)。第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.2電路基本物理量及參考方向

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)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五方向規(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:實(shí)際方向AB實(shí)際方向AB

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。問題第12頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五參考方向大小方向(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實(shí)際方向?qū)嶋H方向電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：i

參考方向ABi

參考方向ABi

參考方向AB表明第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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挤较颉Ｓ秒p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14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電壓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15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五2、電壓、電位和電動(dòng)勢Ia電位是相對(duì)于參考點(diǎn)的電壓。參考點(diǎn)的電位:

b=0；a點(diǎn)電位：

a=E-IR0=IRb+

U–RL_SE+R0電動(dòng)勢E只存在電源內(nèi)部，其數(shù)值反映了電源力作功的本領(lǐng)，方向規(guī)定由電源負(fù)極指向電源正極路端電壓U。電壓的大小反映了電場力作功的本領(lǐng)；電壓是產(chǎn)生電流的根本原因；其方向規(guī)定由“高”電位端指向“低”電位端。第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五

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三者的定義式2、電壓、電位和電動(dòng)勢Uab=Wa－Wbq

a=Wa－W0qE=W源q

顯然電壓、電位和電動(dòng)勢的定義式形式相同，因此它們的單位一樣，都是伏特[V]。

電壓等于兩點(diǎn)電位之差：

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三者的區(qū)別和聯(lián)系Uab=Va－Vb

電源的開路電壓在數(shù)值上等于電源電動(dòng)勢；

電路中某點(diǎn)電位數(shù)值上等于該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五例已知：4C正電荷由a點(diǎn)均勻移動(dòng)至b點(diǎn)電場力做功8J，由b點(diǎn)移動(dòng)到c點(diǎn)電場力做功為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18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五acb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19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五復(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(jì)算帶來困難。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。問題+實(shí)際方向–+實(shí)際方向–第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五元件或支路的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22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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：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23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五想想、練練已知某電路中Uab=-5V,試說明a,b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電位高？

電功率大的用電器，電功也一定大，這種說法正確嗎？為什么？第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.3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)電場力所做的功。第25頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五2.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)負(fù)載P<0

吸收負(fù)功率(實(shí)際發(fā)出)電源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26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五解:對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率＝吸收的功率564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－注意已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五想想、練練已知某電路中Uab=-5V,試說明a,b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電位高？

一個(gè)元件的功率為P=100W，試討論關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)參考方向下，該元件吸收還是發(fā)出功率？第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五想想、練練I3132+-++--I1I2U1U2U3如圖所示的電路中有三個(gè)元件。電流、電壓的參考方向如圖中箭頭所示，實(shí)驗(yàn)測得：I1=3A,I2=-3A,I3=-3A,U1=-120V,U2=70V,U3=-50V試指出各元件電流、端電壓的實(shí)際方向，計(jì)算元件的功率，并指出哪個(gè)元件吸收功率，哪個(gè)元件發(fā)出功率。第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.4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，儲(chǔ)存磁場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲(chǔ)存電場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31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.4.1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32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五

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原點(diǎn)的直線ui0Rui+－第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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)；說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。歐姆定律只適用于線性電阻(

R

為常數(shù)）；則歐姆定律寫為u–Rii–Gu公式和參考方向必須配套使用！無特殊說明一般均使用關(guān)聯(lián)參考方向注意Rui-+第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五3.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35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五ui從t0

到t電阻消耗的能量：4.電阻的開路與短路能量短路開路uiRiu+–u+–i00第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五實(shí)際電阻器第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五5.線性電阻元件的串、并聯(lián)1.串聯(lián)特點(diǎn)：1.流過所有電阻的電流i相同2.

u=u1+u2+…+un3.

Req=R1+R2+…+Rn分壓公式：第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五2.并聯(lián)特點(diǎn)：1.所有電阻的電壓u相同2.

i=i1+i2+…+in第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五3.

分流公式：第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.4.2電容元件(Capacitor)電容器_q+q在外電源作用下，兩極板上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去電源，板上電荷仍可長久地集聚下去，是一種儲(chǔ)存電能的部件。1.定義電容元件儲(chǔ)存電能的元件。其特性可用u～q平面上的一條曲線來描述qu庫伏特性第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五任何時(shí)刻，電容元件極板上的電荷q與電壓u成正比，q~u特性是過原點(diǎn)的直線。電路符號(hào)2.線性電容元件C

稱為電容器的電容,單位：F(法)(Farad，法拉),常用

F、pF、nF等表示。1F=103

F

=106

pF

=109

nFquO單位C＋－u第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五線性電容的電壓、電流關(guān)系電容元件VCR的微分形式表明:

(1)i的大小取決于u

的變化率,與u的大小無關(guān)，電容是動(dòng)態(tài)元件；(2)當(dāng)u為常數(shù)(直流)時(shí)，i=0。電容相當(dāng)于開路，電容有隔斷直流作用；實(shí)際電路中通過電容的電流

i為有限值，則電容電壓u

必定是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。C＋－u+q-qu、i取關(guān)聯(lián)參考方向第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電容元件有記憶電流的作用，故稱電容為記憶元件（1）當(dāng)u，i為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)，上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號(hào);電容元件VCR的積分形式表明:注（2）上式中u(t0)稱為電容電壓的初始值，它反映電容初始時(shí)刻的儲(chǔ)能狀況，也稱為初始狀態(tài)。第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五3.電容的功率和儲(chǔ)能功率u、i取關(guān)聯(lián)參考方向電容的儲(chǔ)能（1）電容的儲(chǔ)能只與當(dāng)時(shí)的電壓值有關(guān)，電容電壓不能躍變，反映了儲(chǔ)能不能躍變；表明（2）電容儲(chǔ)存的能量一定大于或等于零。課本13頁1-15第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻電容儲(chǔ)能的變化量：電容能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量，轉(zhuǎn)化為電場能量儲(chǔ)存起來，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電容元件是無源元件、是儲(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五1.4.2電感元件(Inductor)＋－u(t)電感器把金屬導(dǎo)線繞在一骨架上構(gòu)成一實(shí)際電感器，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，將產(chǎn)生磁通，是一種儲(chǔ)存磁場能量的部件。(t)＝N(t)1.定義電感元件儲(chǔ)存磁能的元件。其特性可用～i平面上的一條曲線來描述。i韋安特性i(t)(t)

(t)第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五任何時(shí)刻，通過電感元件的電流i與其磁鏈成正比。~i特性是過原點(diǎn)的直線。電路符號(hào)2.線性電感元件L

稱為電感器的自感系數(shù),L的單位：H(亨)(Henry，亨利)，常用H，mH表示。iO單位+－u(t)iL第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五線性電感的電壓、電流關(guān)系u、i

取關(guān)聯(lián)參考方向表明(1)電感電壓u的大小取決于i

的變化率,與i的大小無關(guān)，電感是動(dòng)態(tài)元件；(2)當(dāng)i為常數(shù)(直流)時(shí)，u=0。電感相當(dāng)于短路；實(shí)際電路中電感的電壓

u為有限值，則電感電流i

不能躍變，必定是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律與楞次定律+－u(t)iL電感元件VCR的微分關(guān)系第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電感元件有記憶電壓的作用，故稱電感為記憶元件。（1）當(dāng)u，i為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)，上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號(hào);表明注電感元件VCR的積分形式（2）上式中i(t0)稱為電感電流的初始值，它反映電感初始時(shí)刻的儲(chǔ)能狀況，也稱為初始狀態(tài)。第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五3.電感的功率和儲(chǔ)能功率u、i取關(guān)聯(lián)參考方向電感的儲(chǔ)能（1）電感的儲(chǔ)能只與當(dāng)時(shí)的電流值有關(guān)，電感電流不能躍變，反映了儲(chǔ)能不能躍變；表明（2）電感儲(chǔ)存的能量一定大于或等于零。第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五從t0到t

電感儲(chǔ)能的變化量：電感能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量儲(chǔ)存起來，在另一段時(shí)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(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電容元件與電感元件的比較電容C電感L變量電流i磁鏈關(guān)系式電壓u電荷q

(1)元件方程的形式是相似的；(2)若把u–

i，q–

，C–L互換,可由電容元件的方程得到電感元件的方程；(3)C和L稱為對(duì)偶元件,

、q等稱為對(duì)偶元素。結(jié)論第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五

1.5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)，其值與流過它的電流i

無關(guān)的元件叫理想電壓源。第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。通過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55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五電壓源的功率電壓、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：電場力做功，電源吸收功率吸收功率，充當(dāng)負(fù)載第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五例計(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57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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路！第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五可由穩(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60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五例計(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61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五實(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1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。第62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五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63頁，共74頁，2023年，2月20日，星期五3.太陽能電池（光能電源）一塊太陽能電池電動(dòng)勢0.6V。太陽光照射到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?，故常用太陽能電池板?/p>

一個(gè)50cm2太陽能電池的