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,下 頁,上 頁,返 回,方向,規(guī)定正電荷的運(yùn)動方向?yàn)?/p>

3、電流的實(shí)際方向,元件(導(dǎo)線)中電流流動的實(shí)際方向只有兩種可能:,對于復(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)均勻移動至b點(diǎn)電場力做功8J，由b點(diǎn)移動到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、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；電位是相對的，電壓是絕對的。,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)，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，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和磁場。,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,電阻元件,對電流呈現(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；,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,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,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,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是對支路電流的線性約束，KVL是對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,