第01章電路模型和定律

第一章電路模型和電路定律§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§1.8基爾霍夫定律§1.1電路和電路模型一、電路

電路是電流的通路。實際電路是由電阻器、電容器、線圈、變壓器、二極管、晶體管、運算放大器、傳輸線、電池、發(fā)電機和信號發(fā)生器等電氣器件和設(shè)備連接而成的電路。電阻器電容器線圈電池運算放大器晶體管二、電路的作用

1、電能的傳輸和轉(zhuǎn)換降壓變壓器發(fā)電機升壓變壓器電燈電動機電爐...輸電線放大器揚聲器話筒2、傳遞和處理信號3、測量、控制、計算等功能三、電路的組成部分1、電源： 電能或電信號的發(fā)生器2、負(fù)載： 用電設(shè)備3、中間環(huán)節(jié)： 聯(lián)接電源和負(fù)載的部分。1、激勵： 電源或信號源的電壓或電流。2、響應(yīng)： 由激勵而在電路各部分產(chǎn)生的電壓和電流。3、激勵稱為輸入，響應(yīng)稱為輸出。四、電路分析電路：實際電路電路模型：模擬實際電路的理想電路電路模型是實際電路的簡化、模擬和近似(在一定的假設(shè)條件下)

電路模型是由一些理想電路元件所組成的電路。五、電路與電路模型理想元件電阻R電感L電容C電壓源電流源圖1－1手電筒電路常用電路圖來表示電路模型(a)實際電路(b)電原理圖(c)電路模型(d)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據(jù)實際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求，應(yīng)當(dāng)用不同的電路模型模擬同一實際電路?，F(xiàn)在以線圈為例加以說明。圖1－2線圈的幾種電路模型

(a)線圈的圖形符號(b)線圈通過低頻交流的模型

(c)線圈通過高頻交流的模型§1.2電流和電壓的參考方向一、問題的引入 考慮電路中每個電阻的電流方向5Ω3Ω10V9V6Ω

任意指定一個方向作為電流的方向。 把電流看成代數(shù)量。

若電流的參考方向與它的實際方向一致，則電流為正值； 若電流的參考方向與它的實際方向相反，則電流為負(fù)值。2、參考方向：1、實際方向： 正電荷運動的方向。二、電流3、電流參考方向的表示方法abi箭頭（常用）雙下標(biāo)三、電壓1、實際方向：

高電位指向低電位的方向。2、參考方向：

任意選定一個方向作為電壓的方向。

當(dāng)電壓的參考方向和它的實際方向一致時，電壓為正值； 反之，當(dāng)電壓的參考方向和它的實際方向相反時，電壓為負(fù)值。u_+正負(fù)號（常用）abUab

雙下標(biāo)箭頭uab3、電壓參考方向的表示方法：Uab=Ua-Ub（高電位在前，低電位在后）

電流的參考方向與電壓的參考方向一致，則把電流和電壓的這種參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向，否則為非關(guān)聯(lián)參考方向。元件i+_u四、關(guān)聯(lián)參考方向(1)“實際方向”是物理中規(guī)定的，而“參考方向”則是人們在進行電路分析計算時，任意假設(shè)的。(2)在以后的解題過程中，注意一定要先假定“正方向”

(即在圖中表明物理量的參考方向)，然后再列方程計算。缺少“參考方向”的物理量是無意義的。提示五、電位Va=5V

a

點電位：ab15Aab15AVb=-5V

b

點電位：在電路中任選一點，設(shè)其電位為零（用┻標(biāo)記），此點稱為參考點。其它各點對參考點的電壓，便是該點的電位。記為：“VX”（注意：電位為單下標(biāo)）。

比參考點電位高為正，否則為負(fù)。電位的特點：電位值是相對的，參考點選得不同，電路中其它各點的電位也將隨之改變；電壓的特點：電路中兩點間的電壓值是固定的，不會因參考點的不同而改變。注意：電位和電壓的區(qū)別。a為參考點：Va=0Vb=10VUbc=Vb-Vc+3V-Vc=Vb-Ubc=10-3=7VVd=3Vb為參考點：Va=-10VVb=0VVc=Vb-Ubc=0-3=-3VVd=Vc-Ucd=-7V電位是相對量abcd10V4V6Ω6Ω錄像01，02§1.3電功率和能量在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下,i元件+_u

p(t)=u(t)i(t)當(dāng)p>0時，元件吸收電能；

p<0時，元件吸收的電能為負(fù)的(實際上是釋放電能)。電功率可寫成

在U、I為關(guān)聯(lián)參考方向時，

IRUab或IRUab“吸收功率”若P=UI0根據(jù)能量守衡關(guān)系，對于同一電路P（吸收）=P（發(fā)出）

若P=UI0IUab+-“吸收功率”為負(fù)的，實際是發(fā)出功率某一電路元件為電源或負(fù)載的判別ii8V4V10Ω8V10Ω

當(dāng)計算的P>0

時,則說明U、I

的實際方向一致，此部分電路消耗電功率，為負(fù)載。

所以，從P的+或-可以區(qū)分器件的性質(zhì)，或是電源，或是負(fù)載。結(jié)論在進行功率計算時，如果假設(shè)U、I

為關(guān)聯(lián)參考方向

當(dāng)計算的P<0

時,則說明U、I

的實際方向相反，此部分電路發(fā)出電功率，為電源。課堂練習(xí)：習(xí)題1－1，1－3習(xí)題1-11-1說明圖(a),(b)中：(1)u、i的參考方向是否關(guān)聯(lián)？(2)ui乘積表示什么功率？(3)如果在圖(a)中u>0,i<0;圖(b)中u>0,i>0,元件實際發(fā)出還是吸收功率?答案：（1）關(guān)聯(lián)，非關(guān)聯(lián)（2）吸收，發(fā)出（3）實際發(fā)出，實際發(fā)出習(xí)題1-1答案答案分析：(1)圖(a)中的u、i為關(guān)聯(lián)參考方向;圖(b)中的u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向.(2)圖(a)中p=ui表示吸收功率;圖(b)中p=ui表示發(fā)出功率.(3)圖(a)中p=ui<0表示吸收的負(fù)功率,實際發(fā)出功率;圖(b)中p=ui>0表示發(fā)出的正功率,實際發(fā)出功率.習(xí)題1-31-3試校核圖中電路所得解答是否滿足功率平衡。（提示：求解電路以后，校核所得結(jié)果的方法之一是核對電路中所有元件的功率平衡，即元件發(fā)出的總功率應(yīng)等于其他元件吸收的總功率）。題1-3圖習(xí)題1-3答案答案分析：元件A：∵u、i參考方向非關(guān)聯(lián)；∴PA=ui=(－5)×60=－300W＜0，發(fā)出。元件B、C、D、E：∵u、i參考方向關(guān)聯(lián)；∴PB=ui=1×60=60W>0，吸收；

PC=ui=2×60=120W>0，吸收；

PD=ui=2×40=80W>0，吸收；

PE=ui=2×20=40W>0，吸收。∵P總發(fā)出=300W；P總吸收=60+120+80+40=300W∴電路所得的解答滿足功率平衡。§1.4電路元件一、集總電路1、集總電路元件

在任何時刻，流入二端元件的一個端子的電流一定等于從另一端子流出的電流，兩個端子之間的電壓為單值量。

當(dāng)構(gòu)成電路的器件以及電路本身的尺寸遠(yuǎn)小于電路工作時的電磁波的波長，或者說電磁波通過電路的時間可認(rèn)為是瞬時的，這種理想電路元件稱為集總元件或集總參數(shù)元件。由集總元件構(gòu)成的電路稱為集總電路。例：已知電磁波的傳播速度c=3×105km/s，c=λ·f(1)若電路的工作頻率為f=50Hz，則周期

T=1/f=1/50=0.02s

波長

=3×105

0.02=6000km一般電路尺寸遠(yuǎn)小于，視為集總參數(shù)電路。同樣的波長對于遠(yuǎn)距離傳輸線來說，就是非集總電路。(2)若電路的工作頻率為f=50MHz，則周期T=1/f=0.0210–6s

波長=3×108

0.0210–6=6m此時一般電路尺寸均與可比，所以電路視為分布參數(shù)電路。2、集總電路二、電路元件的分類1、按與外部連接的端子數(shù)目

二端元件，三端元件，四端元件2、有源元件無源元件3、線性元件非線性元件4、時變元件時不變元件線性時不變集總參數(shù)元件§1.5電阻元件

常用的各種二端電阻器件

電阻器晶體二極管§1.5電阻元件一、歐姆定律流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比。根據(jù)歐姆定律，電阻兩端的電壓和電流之間的關(guān)系可寫成：u=±i·R在電壓和電流的關(guān)聯(lián)方向下u=i·R在電壓和電流非關(guān)聯(lián)方向下u=-i·RRi+_uRi+_u1、定義: G=1/R2、單位: S（西門子） 電阻的單位為Ω(歐姆)， 計量高電阻時，則以kΩ和MΩ為單位。三、電阻元件的伏安特性 以電壓和電流為坐標(biāo)， 畫出電壓和電流的關(guān)系曲線。二、電導(dǎo)錄像：03四、電阻元件吸收的電功率任何時刻線性電阻元件吸取的電功率

p=ui=i2R=Gu2建議在今后計算中使用

p=i2RRiu+–五.電阻的開路與短路

短路

開路六、非時變電阻

如果電阻的伏安特性不隨時間改變，則稱為非時變電阻；

否則稱為時變電阻。

在電子設(shè)備中使用的碳膜電位器、實心電位器和線繞電位器是一種三端電阻器件，它有一個滑動接觸端和兩個固定端[圖(a)]。在直流和低頻工作時，電位器可用兩個可變電阻串聯(lián)來模擬[圖(b)]。電位器的滑動端和任一固定端間的電阻值，可以從零到標(biāo)稱值間連續(xù)變化，可作為可變電阻器使用。錄像：04§1.6電壓源和電流源一、電壓源1、特點（1）電壓u(t)的函數(shù)是固定的，不會因它所聯(lián)接的外電路的不同而改變。（2）電流則隨與它聯(lián)接的外電路的不同而不同。2、圖形符號+-只用來表示直流OttO既可以表示直流也可以表示交流+-+-i=0+-i+-外電路3、電壓源的不同狀態(tài)空載有載4、特殊情況電壓為零的電壓源相當(dāng)于短路，電壓源不允許短路！uS=0電池容量的含義600mAh表示如果通過電池的電流是600mA的時候，電池能工作1小時；當(dāng)然如果通過電池的電流是100mA的時候，電池可以工作6小時。

常用的干電池和可充電電池

實驗室使用的直流穩(wěn)壓電源用示波器觀測直流穩(wěn)壓電源的電壓隨時間變化的波形。示波器穩(wěn)壓電源1、特點（1）電流i(t)的函數(shù)是固定的，不會因它所聯(lián)接的外電路的不同而改變。（2）電壓則隨與它所聯(lián)接的外電路的不同而不同。2、圖形符號二、電流源+-u=0i外電路i短路有載4、特殊情況電流為零的電流源相當(dāng)于開路，電流源一般不允許開路+-u3、電流源的不同狀態(tài)iS=0錄像：05,06恒流源兩端電壓由外電路決定IUIsR設(shè):IS=1AR=10

時，R=1時，則:例U=1

VU=1