第1章電路模型和電路定律.ppt

1、電 路,張曉杰第5版,課時(shí)安排： 每周3學(xué)時(shí)，共54學(xué)時(shí)，含10實(shí)驗(yàn) 考核方式： 考試 授課說明： （1）要求課前預(yù)習(xí) （2）主講重點(diǎn)、難點(diǎn) （3）多講例題及思路,考研大綱1,考研大綱2,第1章 電路模型和電路定律,1. 電壓、電流的參考方向,3. 元件性質(zhì)的判別,重點(diǎn)：,2. 電阻/電源元件、受控源的特性,4. 基爾霍夫定律,1.1 電路和電路模型,1.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。,電源,下 頁,上 頁,激勵(lì),返 回,電壓、電流,響應(yīng),分析電路的實(shí)質(zhì)：,需要、元件、方式組成的整體,反映實(shí)際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路元

2、件及其組合。,2. 電路模型,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,下 頁,上 頁,返 回,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。（主要物理現(xiàn)象、功能）,下 頁,上 頁,例,電感線圈的電路模型,注意,返 回,1.2 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),下 頁,上 頁,返 回,方向,規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?/p>

3、電流的實(shí)際方向,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。,下 頁,上 頁,問題,返 回,參考方向,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 0,i 0,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：,下 頁,上 頁,表明,返 回,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? 用雙下標(biāo)表示：如 iAB , 電流的參考方向由A指向B。,下 頁,上 頁,返 回,電壓U,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

4、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。,下 頁,上 頁,返 回,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、U bc; 若以c點(diǎn)為參考點(diǎn)，再求以上各值。,解,(1),下 頁,上 頁,返 回,解,(2),下 頁,上 頁,結(jié)論,電路中電位參考點(diǎn)可任意選擇；電位是相對(duì)的，電壓是絕對(duì)的。,返 回,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,假設(shè)高電位指向低電位的方向。,下 頁,上 頁,問題,返

5、 回,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,U,U,+,UAB,下 頁,上 頁,返 回,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,+,-,+,-,i,u,u,下 頁,上 頁,返 回,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)

6、聯(lián)否？,下 頁,上 頁,注意,返 回,1.3 電功率和能量,1.電功率,單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。,下 頁,上 頁,返 回,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,P0 吸收功率,P0 發(fā)出功率,u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向？,下 頁,上 頁,返 回,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。,下 頁,上 頁,已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A,返 回,解,對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率,下 頁,上 頁,注意,返 回,下 頁,上 頁,1.4 電路元件

7、,是電路中最基本的組成單元。,1. 電路元件,返 回,5種基本的理想電路元件：,R元件：u、i,L元件：、i,C元件：q、u,電壓源和電流源：u、i,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。,端子特性（元件特性）：端子間代數(shù)函數(shù)關(guān)系。,2.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(jìn)行。元件的外部不存在任何電場(chǎng)和磁場(chǎng)。,下 頁,上 頁,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)無關(guān)。因此，任何時(shí)刻，i 出=i 入；端子間的電壓u為單值量。,注意,返 回,1.5 電阻元件,2.線性時(shí)不變電阻元件,電

8、路符號(hào),電阻元件,對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來描述：,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,下 頁,上 頁,0,返 回,ui 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,下 頁,上 頁,伏安特性為一條過原點(diǎn)的直線,返 回,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 R i i G u,公式和參考方向必須配套使用！,下 頁,上 頁,注意,返 回,3.

9、功率和能量,電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。,p u i (R i) i i2 R - u2/ R,p u i i2R u2 / R,功率,下 頁,上 頁,表明,返 回,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,下 頁,上 頁,0,0,返 回,1.6 電壓源和電流源,電路符號(hào),1.理想電壓源,定義,下 頁,上 頁,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。,返 回,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,直流電

10、壓源的伏安關(guān)系,下 頁,上 頁,例,外電路,電壓源不能短路！,0,返 回,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）,下 頁,上 頁,返 回,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,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)。,電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。,直流電流源的伏安關(guān)系,下 頁,上 頁,0,例,外電路,電流源不能開路！,返 回,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）,下 頁,

11、上 頁,返 回,實(shí)際電源：,1. 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）,下 頁,上 頁,返 回,2. 燃料電池（化學(xué)電源）,3. 太陽能電池（光能電源）,4. 蓄電池（化學(xué)電源）,直流穩(wěn)壓源,變頻器,頻率計(jì),函數(shù)發(fā)生器,下 頁,上 頁,返 回,草原上的風(fēng)力發(fā)電,下 頁,上 頁,返 回,1.7 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。,下 頁,上 頁,返 回,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：,2

12、.分類,四端元件,輸出：受控部分,輸入：控制部分,下 頁,上 頁,返 回,g: 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),下 頁,上 頁,返 回,電流控制的電壓源 ( CCVS ),r : 轉(zhuǎn)移電阻,例,電路模型,下 頁,上 頁,返 回,3.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)”。,例,求：電壓u2,解,1.

13、8 基爾霍夫定律,基爾霍夫 ，Gustav Robert Irchhoff (1824 1887)，德國(guó)物理學(xué)家，1845年在一篇論文的附錄中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)稱為基爾霍夫定律的研究成果，當(dāng)時(shí)他是一位年僅 21 歲的大學(xué)生。后任海德堡大學(xué)物理學(xué)教授。他還與本生共同創(chuàng)立光譜化學(xué)分析法，從而發(fā)現(xiàn)銫和銣兩種元素（ 1859 年）。提出熱輻射中的基爾霍夫輻射定律。,1.幾個(gè)名詞,a,b,支路：,結(jié)點(diǎn)：,元件約束：物理量關(guān)系 幾何約束：連接方式,3,回路：,網(wǎng)孔：,網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。,下 頁,上 頁,注意,返 回,2.基爾霍夫電流定律 (KCL),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

14、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,下 頁,上 頁,返 回,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。,下 頁,上 頁,表明,返 回,KCL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關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；,KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電流實(shí)際方向無關(guān)。,下 頁,上 頁,明確,返 回,3.基爾霍夫電壓定律 (KVL),下 頁,上 頁,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.,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。

15、,返 回,U1US1+U2+U3+U4+US4= 0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或：,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,下 頁,上 頁,KVL也適用于電路中任一假想的回路。,注意,返 回,例,KVL的實(shí)質(zhì)反映了電路遵從能量守恒定律;,KVL是對(duì)回路中的支路電壓加的約束，與回路各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)；,KVL方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實(shí)際方向無關(guān)。,下 頁,上 頁,明確,返 回,4. KCL、KVL小結(jié)：,KCL是對(duì)支路電流的線性約束，KVL是對(duì)回路電壓的線性約束。,KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關(guān)。,KCL表明在每一節(jié)點(diǎn)上電荷是守恒的；KVL是能量守恒的具體體現(xiàn)(電壓與路徑無關(guān))。,KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路。,下 頁,上 頁,返 回,下 頁,