第1章 電路模型與電路定律.ppt

1、1,課程的性質(zhì)、作用和任務(wù),電路理論,一、課程的性質(zhì)、作用和任務(wù),電路理論是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，能運用所學(xué)知識解決一些基本的有關(guān)電學(xué)方面的問題，同時為后續(xù)電子技術(shù)等課程打下基礎(chǔ)。,二、教材,宋學(xué)瑞主編的電路理論基礎(chǔ)，長沙：中南大學(xué)出版社，2005。,2,教學(xué)安排,電路理論,三、教學(xué)安排（分四個方面）, 直流電路分析,第1章（6學(xué)時）；第2章（4學(xué)時）；第3章（8學(xué)時）和第4章（6學(xué)時）。, 交流穩(wěn)態(tài)電路分析,第5章（4學(xué)時）；第6章（12學(xué)時）；第7章（5學(xué)時）和第8章（5學(xué)時）。, 動態(tài)電路分析,第9章（8學(xué)時）；第10章（2學(xué)時）和第11章（5學(xué)時）。, 高級電路分析,第12

2、章（6學(xué)時）；第13章（6學(xué)時）、第14章（6學(xué)時）和第15章（4學(xué)時）。,3,第1章 電路模型與電路定律,第1章 電路的基本元件和電路定律,重點內(nèi)容 1. 電流和電壓的參考方向； 2. 基爾霍夫定律：基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。 注意：電路分析中，電流和電壓全部是針對它們的參考方向來進行考慮。,4,第1章主要內(nèi)容,本章主要內(nèi)容,1.1 電路和電路模型,1.2 電路主要物理量和參考方向,1.9 基爾霍夫定律,1.3 電阻元件,1.4 電容元件,1.5 電感元件,1.6 獨立電源：電壓源和電流源,1.7 受控源,1.8 電路的圖,1.10 電位的計算,5,1.1 電路和電路模型1,1.1

3、 電路和電路模型,一、實際電路,實際電路是由電氣器件相互聯(lián)接而構(gòu)成的電流的通路。如手電筒電路：,電路的組成：電路由三個部分組成，即電源、負載和導(dǎo)線。,6,1.10 基爾霍夫定律,二、理想電路元件和電路模型, 理想電路元件,在器件的尺寸遠小于工作頻率所對應(yīng)的波長時，可以用一些理想電路元件或它們的組合來模擬實際電路中的器件。這種理想電路元件為集總元件或集總參數(shù)元件。這種由理想電路元件構(gòu)成的電路叫集總電路。, 集總元件和集總電路, 有源元件：獨立電源（電壓源、電流源）；受控源 （壓控流源、壓控壓源、流控流源、流控壓源）, 無源元件：電阻、電容、電感、理想變壓器等；,7,1.1 電路和電路模型3,1.

4、1 電路和電路模型, 實際器件的模型, 電路模型,三、電路分析的目的,一個實際器件在某種條件下都可以找到它的模型。有些模型由一種理想元件構(gòu)成，有些模型用幾種理想元件來構(gòu)成,由理想元件代替實際電路器件組成的電路叫電路模型。,給定電路結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)，求各部分的電壓、電流以及在電壓電流基礎(chǔ)上對電路中功率的計算。,1.1 電路和電路模型,8,1.2 電流和電壓的參考方向1,1.2 電路主要物理量和參考方向（1）,一、電流和電流的參考方向, 電流的參考方向, 用箭頭表示，如右圖；,如 iAB = 2 A，說明參考方向與實際方向一致；, 電流（又叫電流強度）,單位時間內(nèi)通過的電量，即：,正電荷定向移動的方

5、向為電流的實際方向。, 用雙下標(biāo)表示，如 iAB,iAB = -2 A，說明參考方向與實際方向相反。,9,1.2 電流和電壓的參考方向2,1.2電路主要物理量和參考方向（2）,二、電壓和電壓的參考方向, 電壓的參考方向, 用箭頭表示；,如 uAB = 2 V，說明參考方向與實際方向一致；,電壓的實際方向：高電位指向低電位。, 電壓,單位正電荷在電場力的作用下從A點到B點電場力所做的功為AB兩點之間的電壓，即：,uAB = -2 V，說明參考方向與實際方向相反。, 用雙下標(biāo)，如 uAB；,用正負符號。,10,1.2 電流和電壓的參考方向3,1.2電路主要物理量和參考方向（3）,、關(guān)聯(lián)參考方向,注

6、意：在電路分析中，沒有特別說明，電壓和電流一般為關(guān)聯(lián)參考方向。,在電路分析中，對一個元件既要假設(shè)通過它的電流參考方向，又要假設(shè)該元件兩端電壓的參考極性，兩個都可任意假定，而且獨立無關(guān)。,當(dāng)電壓和電流的參考方向一致時，稱電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向；,相反，當(dāng)電壓和電流的參考方向相反時，稱電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向。,11,1.3 電功率和能量1,三、能量,電壓單位為伏特（V），電流單位為安培（A），則能量單位為焦耳（J）。,根據(jù)電壓定律，從t0到t的時間內(nèi)元件吸收的能量W求得為：,1.2電路主要物理量和參考方向（4）,12,1.3 電功率和能量2,四、功率,電壓單位為伏特（V），電流單位為安培（A

7、），則功率單位為瓦特（W）。, 在電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向下,功率是單位時間內(nèi)所做的功，即：,乘積“ui”表示元件吸收功率，即：,p0，表示該元件吸收功率；,p0，表示該元件發(fā)出功率。,1.2電路主要物理量和參考方向（5）,13,1.3 電功率和能量3, 在電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向下,P負載=3V*2A=6W（吸收功率）,P電源=3V*2A=6W（發(fā)出功率）,P負載= -3V*2A= -6W（吸收功率）,乘積“ui”表示元件發(fā)出功率，即：,p0，表示該元件發(fā)出功率；,p0，表示該元件吸收功率。,14,1.5 電阻元件1,1.3 電阻元件（1）,一、線性電阻（簡稱電阻）,根據(jù)歐姆定律：,電壓單

8、位為伏特，電流單位為安培，則電阻R單位為歐姆（W）。,G為電導(dǎo)，單位為西門子（S）。,歐姆定律在非關(guān)聯(lián)參考方向情況下,電阻符號為：,15,1.5 電阻元件2,1.3 電阻元件（2）,二、電阻消耗的功率 電阻一般把吸收的電能轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉。電阻消耗的功率根據(jù)電壓和電流是否關(guān)聯(lián)進行定義。, 在關(guān)聯(lián)參考方向下 p=ui=i2R0，吸收電能，說明電阻是一個無源元件。, 在非關(guān)聯(lián)參考方向下 p=ui= -i2R0，吸收電能，同樣說明電阻是一個無源元件。,16,1.5 電阻元件3,1.3 電阻元件（3）,三、伏安特性 電阻以電壓為縱或橫坐標(biāo)，電流為橫或縱坐標(biāo)，畫出的電壓和電流的關(guān)系曲線叫該元件的伏安特性

9、。,四、非線性電阻 非線性電阻的電阻R不等于一個常數(shù)，即：,17,1.5 電阻元件4,1.3 電阻元件（4）,五、開路和短路的概念,無論電壓u為多大，i=0A，則電阻R相當(dāng)于無窮大，等效為開路。, 開路,無論電壓i為多大，u=0A，則電阻R相當(dāng)于零，等效為短路。, 短路,18,1.6 電容元件1,1.4 電容元件（1）,一、線性電容（簡稱電容） 電容符號為：,則電容電壓與所帶電荷之間滿足：,式中C是電容元件的參數(shù)，稱為電容。C是一個正實常數(shù)。當(dāng)電壓單位為伏特，電荷單位為庫侖（C），則電容單位為法拉（F）。,1mF=10-6 F， 1pF=10-12 F 。,二、庫伏特性 電容元件兩端的電荷和電

10、壓的的關(guān)系曲線。,19,1.6 電容元件2,1.4 電容元件（2）,三、電壓與電流的關(guān)系, 微分關(guān)系, 積分關(guān)系, 電容的特性, 在直流電路中，電容元件處相當(dāng)于開路；, 電容元件具有“記憶”功能（從積分關(guān)系來看）；,20,1.6 電容元件3,1.4 電容元件（3）,四、電容吸收的能量 從t0到t的時間內(nèi)，電容元件吸收的能量WC求得為：,WC0，充電，以電場能量的形式儲存；,WC0，放電，元件釋放電能；,五、非線性電容 非線性電容的電容值C不等于一個常數(shù)，即：,21,1.7 電感元件1,1.5 電感元件（1）,一、線性電感（簡稱電感）（1）,當(dāng)感應(yīng)電壓的參考方向與磁通鏈成右手螺旋關(guān)系時，則根據(jù)電

11、磁感應(yīng)定律可得：,電感的磁通鏈與電流之間滿足：,式中L是電感元件的電感（自感）。L是一個正實常數(shù)。當(dāng)磁通鏈單位為韋伯（Wb)，電流單位A，則電感單位為亨利或亨（H）。,22,1.7 電感元件2,1.5 電感元件（2）,一、線性電感（簡稱電感）（2）,根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到數(shù)學(xué)表達式能夠正確反映楞次定律。,23,1.7 電感元件3,1.5 電感元件（3）,一、線性電感（簡稱電感）（3）,電感的符號為：,二、韋安特性 電感元件兩端的磁通鏈和電流的的關(guān)系曲線。,24,1.7 電感元件4,1.5 電感元件（3）,三、電壓與電流的關(guān)系, 微分關(guān)系, 積分關(guān)系, 電感的特性, 在直流電路中，電感元件處相當(dāng)于

12、短路；, 電感元件具有“記憶”功能（從積分關(guān)系來看）；,25,1.7 電感元件5,1.5 電感元件（4）,四、電感吸收的能量 從t0到t的時間內(nèi)，電容元件吸收的能量WL求得為：,WL0，充電，以磁場能量的形式儲存；,WL0，放電，元件釋放電能；,五、非線性電感 非線性電感的電感系數(shù)L不等于一個常數(shù)，即：,26,1.8 電壓源和電流源1,1.6 獨立電源：電壓源和電流源（1）,一、電壓源(1),電壓源符號為：, 電壓源的特點, 電壓源兩端電壓與外接電路無關(guān)；, 流過電壓源的電流與外電路有關(guān)。,R不同，i不同。,27,1.8 電壓源和電流源2, 電壓源的性質(zhì),如果一個電壓源的電壓uS=0，則此電壓

13、源的伏安特性為ui平面上的電流軸，此電壓源在電路中相當(dāng)于短路。,一、電壓源(2), 電壓源的工作狀態(tài),電壓源uS1工作在電源狀態(tài)； 電壓源uS2工作在負載狀態(tài)。,1.6 獨立電源：電壓源和電流源（2）,28,1.8 電壓源和電流源3,二、電流源(1),電流源符號為：, 電流源的特點, 電流源電流與外接電路無關(guān)；, 電流源兩端的電壓與外電路有關(guān)。,R不同，u不同。,1.6 獨立電源：電壓源和電流源（3）,29,1.8 電壓源和電流源4, 電流源的性質(zhì),如果一個電流源的電壓iS=0，則此電流源的伏安特性為ui平面上的電壓軸，此電流源在電路中相當(dāng)于開路。,二、電流源(2), 電流源的工作狀態(tài),電流源

14、iS1工作在電源狀態(tài)； 電流源iS2工作在負載狀態(tài)。,1.6 獨立電源：電壓源和電流源（4）,30,1.8 電壓源和電流源5,三、獨立電源,電壓源和電流源，它們不受外界電路的影響，作為電源或輸入信號時，在電路中起“激勵”作用，在電路中產(chǎn)生相應(yīng)的電流和電壓，這些電壓和電流便是“響應(yīng)”，而這類激勵叫獨立電源。,1.6 獨立電源：電壓源和電流源（5）,31,1.9 受控電源1,1.7 受控源（1）,受控源又稱為“非獨立”電源。受控電壓源的電壓和受控電流源的電流都不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某一部分的電流或電壓的控制。如：,32,1.9 受控電源2,1.7 受控電源（2）,受控源分為四類，分別如下

15、圖所示：,電壓控制電壓源（VCVS）,電壓控制電流源（VCCS）,電流控制電壓源（CCVS）,電流控制電流源（CCCS）,33,1.10 基爾霍夫定律1,1.8 電路的圖（1）,支路、結(jié)點和回路,支路：一個元件即為一條支路，如一個電阻元件為一條支路。,結(jié)點：元件的兩個端點（或支路的連接點）。,回路：由支路構(gòu)成的閉合路徑。,支路（1 2）、（1 3 4 6）、（1 3 5 6）等分別構(gòu)成回路,34,1.10 基爾霍夫定律2,1.8 電路的圖（2）,電路圖中的每條支路都有支路電壓和電流，且通常情況下假定其參考方向為關(guān)聯(lián)參考方向，如上右圖所示。,電路中的支路電壓和支路電流一般受到兩類約束：, 元件本

16、身電壓和電流的約束，如歐姆定律，簡稱VCR；, 支路電壓之間和支路電流之間滿足的約束關(guān)系，簡稱“拓撲”關(guān)系，這類約束用基爾霍夫定律來表達。,35,1.10 基爾霍夫定律3,1.9 基爾霍夫定律（1）,一、基爾霍夫電流定律（KCL）, 定律內(nèi)容,在集總電路中，在任何時刻，對任一結(jié)點，所有流出結(jié)點的支路電流的代數(shù)和恒等于零，即：,對任一結(jié)點：,（代數(shù)和）,規(guī)定：流出結(jié)點的電流前面為“+”；流入結(jié)點的電流 前面為“-”。,流入和流出都是相對于參考方向而言。,36,1.10 基爾霍夫定律4,1.9 基爾霍夫定律（2）, KCL的推廣,在集總電路中，在任何時刻，通過任何一個閉合面（廣義結(jié)點）的電流代數(shù)和

17、恒等于零。, KCL的實質(zhì),流入結(jié)點的電流等于流出結(jié)點的電流。,37,1.10 基爾霍夫定律5,例1：若I1=9A， I2= 2A， I4=8A。 求： I3,KCL,電流的參考方向 與實際方向相反,I1I2+ I3 + I4=0,1.9 基爾霍夫定律（3）,38,1.10 基爾霍夫定律6,1.9 基爾霍夫定律（4）,二、基爾霍夫電壓定律（KVL）, 定律內(nèi)容,在集總電路中，在任何時刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零，即：,對任一回路：,（代數(shù)和）,規(guī)定：指定回路的繞行方向，支路電壓方向與回路繞行 方向一致時，前面為“+”；反之，前面取“-”。,注意：支路電壓方向也是相對于參考方向來講。,例：支路（2 3 4 6）構(gòu)成的回路1,39,1.10