第一章-電路的基本規(guī)律課件

本課程定位為理工類本科生的基礎(chǔ)課程，課程知識(shí)是對(duì)實(shí)際問(wèn)題的抽象研究。課程不涉及具體電器元件，主要講述電路的一般分析計(jì)算方法，具有較強(qiáng)的理論性。本課程研究?jī)?nèi)容是電子線路、信號(hào)處理、高頻電子線路、自動(dòng)控制理論、微機(jī)控制、計(jì)算機(jī)電氣驅(qū)動(dòng)、電力電子、電力系統(tǒng)等后續(xù)課程的基礎(chǔ)本課程學(xué)習(xí)所涉及的準(zhǔn)備知識(shí)包括物理學(xué)、微積分、微分方程、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)等課程特點(diǎn)：本課程定位為理工類本科生的基礎(chǔ)課程，課程知識(shí)是對(duì)實(shí)際第一章電路的基本規(guī)律1.電壓、電流的參考方向3.基爾霍夫定律

重點(diǎn)：2.電路元件特性4.電路的等效變換第一章電路的基本規(guī)律1.電壓、電流的參考方向3.基爾一、電路：1、定義：電器元件或設(shè)備按一定方式連接而構(gòu)成的集合。/由電器裝置連接而成的電流通路。2、作用：（1）能量轉(zhuǎn)換：實(shí)現(xiàn)電能傳送、轉(zhuǎn)換等。（2）信號(hào)處理：實(shí)現(xiàn)電信號(hào)產(chǎn)生、加工、傳輸、變換等。1.1

引言一、電路：1、定義：電器元件或設(shè)備按一定方式連接而構(gòu)成的集合3、組成：（1）電源：供電設(shè)備。提供電能的設(shè)備。（2）負(fù)載：消耗電能的設(shè)備。

（3）連接導(dǎo)線。（4）輔助元件。如開關(guān)、熔斷器、測(cè)量?jī)x表等。1.1

引言導(dǎo)線電池開關(guān)燈泡4、分類：（1）直流電路（2）交流電路3、組成：（1）電源：供電設(shè)備。提供電能的設(shè)備。1.1引5、電路的狀態(tài)：（1）通路：電路中有電流，有能量的輸送及轉(zhuǎn)換或信號(hào)的傳遞與處理；（2）短路：當(dāng)電路中某一部分電路的兩端用電阻可以忽略不計(jì)的導(dǎo)線或開關(guān)連接起來(lái)，使得該部分電路中的電流全部被導(dǎo)線或開關(guān)所旁路，這一部分電路所處的狀態(tài)稱為短路。特點(diǎn)：短路處電壓為0，電流試電路而定。（3）開路：當(dāng)電路中某一部分?jǐn)嚅_。特點(diǎn)：開路處電流為0，電壓試電路情況而定。5、電路的狀態(tài)：（1）通路：電路中有電流，有能量的輸送及轉(zhuǎn)換由理想元件（電阻、電容等）及其組合代表實(shí)際電路元件，與實(shí)際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱其為電路模型。*電路模型：由理想電路元件組成的電路。導(dǎo)線電池開關(guān)燈泡例.5二、電路模型：由理想元件（電阻、電容等）及其組合代表實(shí)際電路元電路理論主要研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，用電流、電壓（電荷、磁通）來(lái)描述其中的過(guò)程。我們只關(guān)心各器件端電流和端子間的電壓，而不涉及器件內(nèi)部的物理過(guò)程，這只有在滿足集中化假設(shè)的條件下才是合理的。*電路模型：當(dāng)實(shí)際電路的幾何尺寸遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)時(shí)，用能足夠精確反映其電磁性質(zhì)的一些理想電路元件或它們的組合來(lái)模擬實(shí)際元件。5三、

集中參數(shù)電路：集中參數(shù)元件：有確定的電磁性質(zhì)和確切的數(shù)學(xué)定義的理想化的電路元件。集中參數(shù)電路：由集中參數(shù)元件連接而成的電路。電路理論主要研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，用電流、電電路中，電場(chǎng)力將單位正電荷從某點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)所作的功定義為這兩點(diǎn)之間的電壓，也稱電位差，用u或u(t)表示。1.2電流、電壓、功率2、電壓的定義一、電流與電壓的定義1、電流的定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的電量，用i或i(t)表示。電路中，電場(chǎng)力將單位正電荷從某點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)所作的參考方向:人為假定的方向（正方向）。1.2電流、電壓、功率i

參考方向AB二、電流與電壓的參考方向1、電流的參考方向:參考方向:人為假定的方向（正方向）。1.2電流、電壓、功率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>0i<0實(shí)際方向?qū)嶋H方向電流的參考方向與實(shí)際方向電流參考方向的兩種表示：（1）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電流參考方向的兩種表示：（1）用箭頭表示：箭頭的指向?yàn)殡娏麟妷旱膮⒖挤较?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。+實(shí)際方向–+實(shí)際方向–電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：2.電壓的參考方向電壓的參考方向:U>0參考方向+–參考方向+–<0U假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電壓參考方向的三種表示方式：(1)用箭頭表示：(2)用正負(fù)關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向i+-u+-iu3.關(guān)聯(lián)參考方向u=Riu=-Ri關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向i+-u+-iu3.關(guān)聯(lián)參考方向當(dāng)正電荷從電路元件上電壓的“+”極經(jīng)元件移到“-”極時(shí)，電場(chǎng)力做功，元件吸收能量；反之，正電荷從電路元件上電壓的“-”極移到“+”極時(shí)，需由外力（化學(xué)力、電磁力）克服電場(chǎng)力做功，元件發(fā)出能量。單位：W(瓦特)單位：J(焦耳）三、功率和能量若某元件兩端的電壓為u，在dt時(shí)間內(nèi)流過(guò)該元件的電荷量為dq，則電場(chǎng)力作的功為：能量對(duì)時(shí)間的變化率稱為電功率：當(dāng)正電荷從電路元件上電壓的“+”極經(jīng)元件移到“二、電壓、電流采用參考方向時(shí)功率的計(jì)算和判斷1.u,i

關(guān)聯(lián)參考方向p=ui

表示元件吸收的功率+–iup=ui

表示元件發(fā)出的功率+–iu2.u,i

非關(guān)聯(lián)參考方向吸發(fā)P>0吸收正功率(實(shí)際吸收)吸P<0吸收負(fù)功率(實(shí)際發(fā)出)吸P>0發(fā)出正功率(實(shí)際發(fā)出)發(fā)P<0發(fā)出負(fù)功率(實(shí)際吸收)發(fā)二、電壓、電流采用參考方向時(shí)功率的計(jì)算和判斷1.u,i

上述功率計(jì)算不僅適用于元件，也適用于任意二端網(wǎng)絡(luò)。

電阻元件在電路中總是消耗(吸收)功率，而電源在電路中可能吸收，也可能發(fā)出功率。上述功率計(jì)算不僅適用于元件，也適用于任意二端網(wǎng)絡(luò)。[例]圖示直流電路已知理想電壓源的電壓US＝3V，理想電流源的電流IS=3A，電阻R=1Ω。求（1）理想電壓源的電流和理想電流源的電壓；（2）討論電路的功率平衡關(guān)系。I=IS=3A解：

(1)理想電壓源的電流和理想電流源的電壓由于是串聯(lián)電路故U=US+RIS=(3×3)V=6V(2)電路中的功率平衡關(guān)系PUS=USI=(3×3)W=9W（吸）PIS=UIS=(6×3)=18W（發(fā)）PIS=PUS+PRP發(fā)=P吸[例]圖示直流電路已知理想電壓源的電壓US＝3V，理1.3

基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw)一、名詞定義：支路：流過(guò)同一電流的分支。結(jié)點(diǎn)：兩個(gè)以上支路的連接點(diǎn)。回路：由支路構(gòu)成的閉合路徑。網(wǎng)孔：未被支路分割的路徑I1I5I4I2I3I6+us1-+us2-is1ABCD1.3基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw)I1一、基爾霍夫電流定律(

KCL)

（Kirchhoff’sCurrentLaw)1、KCL對(duì)于任一集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，流出任一結(jié)點(diǎn)的電流和等于流入該結(jié)點(diǎn)的電流和。

記為：I1I5I4I2I3I6+us1-+us2-is1ABCD1.3

基爾霍夫定律一、基爾霍夫電流定律(KCL)

（KirchhoffKCL方程:

以基爾霍夫電流定律在電路各結(jié)點(diǎn)處列寫的方程式。

結(jié)點(diǎn)A:i1i5I4i2i3i6+us1-+us2-is1ABCDi2+i3=i1結(jié)點(diǎn)B:i4+i5=i2結(jié)點(diǎn)C:結(jié)點(diǎn)D:i6=i3+i4

i1+i5+i6=0

(i1=i5+i6)KCL方程:

以基爾霍夫電流定律在電路各結(jié)點(diǎn)處列寫的

2、推廣：（廣義結(jié)點(diǎn)）對(duì)于任一集中參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，流出任一閉合面的電流代數(shù)和等于零。即：舉例：圖示電路，求i1和i2。對(duì)于任一集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，流出（或流入）任一結(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和等于零。即：注意：

流出、流入選相反的符號(hào)。KCL不僅適用于節(jié)點(diǎn)，也適用于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合面。2、推廣：（廣義結(jié)點(diǎn)）對(duì)于任一集中參數(shù)電路，在任一基爾霍夫電流定律1

32例三式相加得：KCL不僅適用于節(jié)點(diǎn)，也適用于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合面。注節(jié)點(diǎn)1：節(jié)點(diǎn)2：節(jié)點(diǎn)3：基爾霍夫電流定律132例三式相加得：KCL不僅適用于節(jié)點(diǎn)三、基爾霍夫電壓定律(

KVL)

（Kirchhoff’sVoltageLaw)1、KVL對(duì)于任一集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，沿任一回路繞行方向，回路電壓降的代數(shù)和等于回路電壓升的代數(shù)和。即：+u2--u6+L1

L2

L3

+us1-+us2-+u1-+u4--u5+三、基爾霍夫電壓定律(KVL)

（KirchhoffKVL方程:

以基爾霍夫電壓定律在電路各回路列寫的電路方程式?；芈?:

u1+us2-u5-us1=0回路2:u2-u4-us2=0回路3:

u5+u4=u6+us1-+us2-+u1-+u4--u5++u2--u6+L1

L2

L3

(u1+

us2=us1

+u5)

(u2=us2+

u4)-u6+u5+u4=0KVL方程:

以基爾霍夫電壓定律在電路各回路列寫的電2、推廣：練習(xí)：圖示電路，求Ucd和Ube。KVL也適用于電路中一假想的回路（廣義回路）。對(duì)于任一集總參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，對(duì)任一回路，按一定繞行方向，其電壓降的代數(shù)和等于零。注意：

與繞行方向一致的電壓為正，否則取負(fù)。2、推廣：練習(xí)：圖示電路，求Ucd和Ube。KVL也適用于電例：圖示電路，求電流I1

、I2和電壓u1

、u2

。2134-6V+-3V+I1I2

-u1+

+u2-例：圖示電路，求電流I1、I2和電壓u1、u2。KCL、KVL小結(jié)KCL是對(duì)任一節(jié)點(diǎn)（或封閉面）的各支路電流的線性約束(2)

KVL是對(duì)任一回路（或閉合節(jié)點(diǎn)序列）的各支路電壓的線性約束(3)KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無(wú)關(guān)(4)KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路基爾霍夫定律KCL、KVL小結(jié)KCL是對(duì)任一節(jié)點(diǎn)（或封閉面）的各支路電流1.3電阻元件(resistor)電路元件分類從能量特性方面可分{無(wú)源元件有源元件

從外部端鈕數(shù)量可分{二端元件：具有兩個(gè)引出端多端元件：具有兩個(gè)以上引出端1.3電阻元件(resistor)電路元件分類{無(wú)源元1.3電阻元件(resistor)注意：電壓與電流取關(guān)聯(lián)參考方向電阻單位：歐(姆)符號(hào):

令

G

1/RG稱為電導(dǎo)則歐姆定律表示為

i

Gu

單位：西(門子)符號(hào):S(Siemens)歐姆定律定義電阻元件是從實(shí)際電阻器抽象出來(lái)的模型，只反映電阻器對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的性能。R+ui-1.3電阻元件(resistor)注意：電壓與電流取關(guān)聯(lián)一般定義在任一時(shí)刻，它的電壓和電流可用代數(shù)關(guān)系表示的一個(gè)二端元件稱為電阻元件，即這一關(guān)系可以由u-i平面上一條曲線確定。分類線性與非線性電阻、時(shí)變或時(shí)不變（定常）電阻元件(resistor)一般定義在任一時(shí)刻，它的電壓和電流可用代數(shù)關(guān)系分類線性與非線1-3-1電阻元件線性：VCR曲線為通過(guò)原點(diǎn)的直線。否則，為非線性。時(shí)變：VCR曲線隨時(shí)間變化而變化。非時(shí)變：VCR曲線不隨時(shí)間變化而變化電阻元件有以下四種類型：線性時(shí)不變電阻元件1-3-1電阻元件線性：VCR曲線為通過(guò)原點(diǎn)的直線。否則，u-i特性線性 非線性

uu

時(shí)不變ii

ut1t2ut1t2時(shí)變

ii

u-i特性線性 非電阻元件

1、符號(hào)：i/Au/V0i+u-2、伏安特性：用R表示單位：

(歐姆)電阻元件1、符號(hào)：i/Au/V0i+3、線性時(shí)不變電阻的特點(diǎn)：

1）伏安關(guān)系為u-i平面過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線，斜率為R。

2）端電壓與通過(guò)的電流成正比即：u=Ri

或U=RI

注意：電流、電壓為關(guān)聯(lián)參考方向3）耗能元件：p=ui=Ri2=u2/R>03、線性時(shí)不變電阻的特點(diǎn)：1）伏安關(guān)系為u-i平面過(guò)坐標(biāo)原4、電導(dǎo)：1）伏安關(guān)系為i

-u平面過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線，斜率為G。

2）通過(guò)的電流與端電壓成正比即：i

=uG

或I=UG

注意：電流、電壓為關(guān)聯(lián)參考方向3）耗能元件：p=ui=i2/G

=u2G>0G單位：S(西門子)4、電導(dǎo)：1）伏安關(guān)系為i-u平面過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線Riu+–開路與短路當(dāng)R=0(G=

)，視其為短路。i為有限值時(shí)，u=0。當(dāng)R=(G=0)，視其為開路。

u為有限值時(shí)，i=0。ui0開路ui0短路電阻元件(resistor)Riu+–開路與短路當(dāng)R=0(G=)，視其為短功率電阻元件(resistor)一般情況下，電阻的功率非負(fù)，即電阻是一種耗能元件。功率電阻元件(resistor)一般情況下，1.5、理想電壓源和理想電流源

1、符號(hào)2、伏安特性：+us-3、特點(diǎn)：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)。②通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定usi(A)u(V)0一、理想電壓源p=uis

4、功率1.5、理想電壓源和理想電流源1、符號(hào)2、伏安特性：+二、理想電流源元件

1、符號(hào)2、伏安特性：is3、特點(diǎn)：Isu(v)i(A)0i①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)②電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定p=uis

4、功率二、理想電流源元件1、符號(hào)2、伏安特性：is3、特點(diǎn)三、受控源元件

1、定義：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。2、電路結(jié)構(gòu)特征：具有兩條支路：電流源或電壓源所在支路——

受控支路控制電流或電壓所在支路——

控制支路三、受控源元件1、定義：電壓或電流的大小和方向不是給定的4、受控源電路模型：（1）電壓控制電壓源（2）電壓控制電流源u1gu1u1u1i+_+_（VCVS)+_（VCCS)電壓放大系數(shù)g轉(zhuǎn)移電導(dǎo)4、受控源電路模型：（1）電壓控制電壓源（2）電壓控制電（3）電流控制電壓源（4）電流控制電流源i1

i1

i1i1（CCVS)i+_+

u1

-+u2

_+u1-

i2

（CCCS)r

轉(zhuǎn)移電阻

β

電流放大系數(shù)（3）電流控制電壓