電路原理概述

關(guān)于電路原理概述第1頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三電路和電路模型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本章內(nèi)容第1章電路模型和電路定律(circuitmodels)

(circuitlaws)

第2頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三3.基爾霍夫定律(KVL&KCL)

本章重點：1.電壓、電流的參考方向2.電阻元件和電源元件的特性第3頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1.1電路和電路模型（model)1.實際電路功能a能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b信息的傳遞與處理。共性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)成的電流通路裝置。組成電能或電信號的發(fā)生器用電設(shè)備電源（激勵或輸入）負載第4頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

由反映實際電路部件的主要電磁性質(zhì)的理想電路元件組成。2.電路模型(circuitmodel)導線電池開關(guān)燈泡電路圖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第5頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三幾種基本的電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件注意：基本理想電路元件有三個特征：

（a）只有兩個端子；

（b）可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述；（c）不能被分解為其他元件。第6頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三3.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)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行集總條件注集總參數(shù)電路中u、i可以是時間的函數(shù)，但與空間坐標無關(guān)第7頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1.2電流和電壓的參考方向

(referencedirection)電路主要的物理量：電流、電壓和功率一、電流(current)1.定義帶電粒子有規(guī)則的定向運動單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量第8頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三2.分類恒定電流單位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）kA、mA、A交流電流（Chap.8之后講解）——I（也稱為直流電流）第9頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三3.方向規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向元件(導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能:

實際方向?qū)嶋H方向AABB問題復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷第10頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三參考方向i

參考方向大小方向(正負）電流(代數(shù)量)任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。ABi

參考方向i

參考方向i>0i<0實際方向?qū)嶋H方向電流的參考方向與實際方向的關(guān)系：AABB第11頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三電流參考方向的兩種表示：用箭頭表示：箭頭的指向為電流的參考方向。用雙下標表示：如

iAB

,電流的參考方向由A指向BiABiABAB第12頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1.電壓u

單位：V(伏)、kV、mV、V二、電壓(voltage)單位正電荷q從電路中一點移至另一點時電場力做功（W）的大小2.電位v單位正電荷q從電路中一點移至參考點（v

＝0）時電場力做功的大小3.分類恒定電壓交流電壓（Chap.8之后講解）U（也成為直流電壓）第13頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三例已知：4C正電荷由a點均勻移動至b點電場力做功8J，由b點移動到c點電場力做功為12J，求：(1)若以b點為參考點，求a、b、c點的電位和電壓Uab、Ubc;(2)若以c點為參考點，再求以上各值解acb(1)以b點為電位參考點第14頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三abc解(2)電路中電位參考點可任意選擇；參考點一經(jīng)選定，電路中各點的電位值就是唯一的；當選擇不同的電位參考點時，電路中各點電位值將改變，但任意兩點間電壓保持不變。結(jié)論以c點為電位參考點第15頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三問題復(fù)雜電路或交變電路中，兩點間電壓的實際方向往往不易判別，給實際電路問題的分析計算帶來困難。

電壓(降)的參考方向U>0參考方向U+–+實際方向+實際方向參考方向U+–

<0U假設(shè)高電位指向低電位的方向。4.實際電壓方向電位真正降低的方向第16頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三電壓參考方向的三種表示方式：(1)用箭頭表示(2)用正負極性表示(3)用雙下標表示UU+ABUAB第17頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三元件或支路的u，i采用一致的參考方向稱之為關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向三、關(guān)聯(lián)參考方向i+-+-iUU反之，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。第18頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三注(1)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)位置標注(包括方向和符號），在計算過程中不得任意改變。(3)參考方向不同時，其表達式相差一負號，但電壓、電流的實際方向不變。ABABi例＋－U電壓電流參考方向如圖中所標，問：對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)。第19頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三功率的單位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的單位：J(焦)(Joule，焦耳)單位時間內(nèi)電場力所做的功。1、功率(power)1.3電功率和能量第20頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三2.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(實際吸收)P<0

吸收負功率(實際發(fā)出)P=ui

表示元件發(fā)出的功率P>0

發(fā)出正功率(實際發(fā)出)P<0

發(fā)出負功率(實際吸收)

u,i

取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu第21頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三例求圖示電路中各方框所代表的元件消耗或產(chǎn)生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解注564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－對一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率＝吸收的功率第22頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三是電路中最基本的組成單元。一、電路元件5種基本的理想電路元件

注：如果表征元件端子特性的數(shù)學關(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。1.4~1.5電路元件、電阻元件第23頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

2.線性定常電阻元件

電路符號R對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關(guān)系用u～i平面的一條曲線來描述：iu任何時刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性二、電阻元件第24頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

u～i

關(guān)系R稱為電阻，單位：

(歐)(Ohm，歐姆)滿足歐姆定律(Ohm’sLaw)ui

單位G稱為電導，單位：S(西門子)(Siemens，西門子)u、i取關(guān)聯(lián)參考方向Rui+－伏安特性為一條過原點的直線第25頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三(2)如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)公式中應(yīng)冠以負號注(3)說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件歐姆定律(1)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！Rui+-第26頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三3.功率和能量電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。p

ui功率：Rui+-i2Ru2/R表明第27頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三可用功表示。從t0到t電阻消耗的能量：Riu+–4.電阻的開路與短路能量：

短路

開路ui0第28頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三實際電阻器第29頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

其兩端電壓總能保持恒定值或確定的時間函數(shù)，電壓值與流過它的電流i

無關(guān)的元件。

電路符號1.理想電壓源

定義i+_

1.6電壓源和電流源第30頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

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伏安關(guān)系？例Ri-+外電路電壓源不能短路！第31頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三電壓源的功率電場力做功，電源吸收功率。（1）

電壓、電流的方向非關(guān)聯(lián)；

物理意義：+_iu+_+_iu+_電流（正電荷）由低電位向高電位移動，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（2）

電壓、電流的方向關(guān)聯(lián)；

物理意義：吸收功率，充當負載第32頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

實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。usuiO

實際電壓源i+_u+_考慮內(nèi)阻伏安特性一個好的電壓源要求第33頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

其輸出電流總能保持恒定值或確定的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u無關(guān)的元件。

電路符號2.理想電流源

定義u+_(1)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)

電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定

理想電流源的電壓、電流關(guān)系ui伏安關(guān)系第34頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三例外電路電流源不能開路！Ru-+實際電流源的產(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。第35頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三電流源的功率（1）

電壓、電流的方向非關(guān)聯(lián)；

發(fā)出功率，起電源作用（2）

電壓、電流的方向關(guān)聯(lián)；

吸收功率，充當負載u+__u+第36頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三例計算圖示電路各元件的功率。解發(fā)出吸收滿足：P（發(fā)）＝P（吸）2A+_u+_5Vi第37頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

實際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若開路，電壓很高，可能燒毀電源。isuiO

實際電流源考慮內(nèi)阻伏安特性一個好的電流源要求u+_i第38頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三實際電源干電池鈕扣電池1.干電池和鈕扣電池（化學電源）

干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動勢1.35V，用固體化學材料，化學反應(yīng)不可逆。第39頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

氫氧燃料電池示意圖2.燃料電池（化學電源）

電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋嶒炿A段加燃料可繼續(xù)工作。第40頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三3.太陽能電池（光能電源）

一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個從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50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A

太陽能電池示意圖太陽能電池板第41頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三蓄電池示意圖4.蓄電池（化學電源）

電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應(yīng)可逆。第42頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計函數(shù)發(fā)生器第43頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三發(fā)電機組第44頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三草原上的風力發(fā)電第45頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三

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(或電流)控制的電源，稱受控源。

電路符號+–受控電壓源1.定義受控電流源四、受控電源(非獨立源)(controlledsourceordependentsource)第46頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三(1)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：當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被控制量是電流時，用受控電流源表示。2.分類四端元件bi1+_u2i2_u1i1+輸出：受控部分輸入：控制部分第47頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三g:轉(zhuǎn)移電導

(2)電壓控制的電流源(VCCS)u1gu1+_u2i2_i1+(3)電壓控制的電壓源(VCVS)u1+_u2i2_u1i1++-:電壓放大倍數(shù)

第48頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三ri1+_u2i2_u1i1++-(4)電流控制的電壓源(CCVS)r:轉(zhuǎn)移電阻

例電路模型第49頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三3.受控源與獨立源的比較(1)獨立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關(guān)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。(2)獨立源在電路中起“激勵”作用，在電路中產(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，在電路中不能作為“激勵”。例求：電壓u2。解5i1+_u2_u1=6Vi1++-3第50頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1.4基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)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51頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三一、概念電路中通過同一電流的分支。(b)支路的連接點稱為節(jié)點。(

n

)b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路(branch)電路中每一個兩端元件就叫一條支路i3i2i1(2)結(jié)點(node)b=5第52頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三由支路組成的閉合路徑。(l)l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3)回路(loop)第53頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三二、基爾霍夫電流定律(KCL)令流出為“+”，有：例

在集總參數(shù)電路中，任意時刻，對任意結(jié)點流出或流入該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零。流進的電流等于流出的電流第54頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三1

32例三式相加得：表明KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個結(jié)點的任一閉合面明確（1）KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點處的反映；（2）KCL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)；（3）KCL方程是按電流參考方向列寫，與電流實際方向無關(guān)。第55頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三（2）選定回路繞行方向，順時針或逆時針.–U1–US1+U2+U3+U4+US4=03.基爾霍夫電壓定律(KVL)

在集總參數(shù)電路中，任一時刻，沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1）標定各元件電壓參考方向U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4第56頁，講稿共63頁，2023年5月2日，星期三例