《電路原理》第一章電路模型和電路定律.ppt

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1、第一章電路模型和電路定律,(circuit model),(circuit laws),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,本章要求,充分理解和掌握電流的參考方向和電壓的參考極性兩個(gè)概念； 明確電路元件的電壓與電流間的關(guān)系； 熟練掌握基本定律，靈活運(yùn)用！,主要內(nèi)容,電路和電路模型 電流 、電壓和功率 電路元件 基爾霍夫定律, 電路的概念,由實(shí)際元器件構(gòu)成的電流的通路稱(chēng)為電路。,1、電路的組成及其功能,1.1 電路和電路模型,電路通常由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)（傳輸控制器件）三部分組成。, 電路的組成,1、電路的組成及其功能,,電源,,連接導(dǎo)線和其余設(shè)備為中間

2、環(huán)節(jié),,負(fù)載,,,電源(source): 提供電能或發(fā)出電信號(hào)的設(shè)備,負(fù)載(load): 消耗電能或接收電信號(hào)的裝置,傳輸控制器件：電源和 負(fù)載中間的連接部分, 電路的組成,實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換 如發(fā)電系統(tǒng)、電力傳輸系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞變換，存儲(chǔ)與處理 電視機(jī) 、電話、雷達(dá)信號(hào)處理、通信信號(hào)處理等, 電路的作用,2、電路模型,實(shí)體電路,負(fù)載,電源,開(kāi)關(guān),,,,電路模型,電源,負(fù)載,中間環(huán)節(jié),用抽象的理想電路元件及其組合，近似地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。, 理想電路元件,電阻元件 消耗電能的元件,電容元件產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件,理想電壓源 輸出電壓恒定，輸

3、出電流由它和負(fù)載共同決定,理想電流源 輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定。,電感元件產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件,理想電路元件是實(shí)際電路器件的理想化和近似，其電特性單一、精確，可定量分析和計(jì)算。,理想電路元件,,組成電路模型的最小單元，是具有某種確定的電磁性質(zhì)并有精確定義的基本結(jié)構(gòu)。,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。,,,,例,,電感線圈的電路模型,注意,電路中的主要物理量,1.2 電流和電壓的參考方向 current and voltage reference directi

4、on,1. 電流的參考方向 (current reference direction),電流,,電流強(qiáng)度,帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫 截面的電荷量,,單位： A（安培）、kA、mA、A,方向：規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?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:,,,,實(shí)際方向,,,實(shí)際方向,,,,,,A,A,B,B,問(wèn)題,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,參考方向,i 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。,A,B,i 參考方向,i 參考方向,i 0,i < 0,實(shí)際方向,實(shí)際方向,電流

5、的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：,,,,A,A,B,B,,電流參考方向的表示方法： 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,,2. 電壓的參考方向 (voltage reference direction),電壓?jiǎn)挝唬篤 (伏)、kV、mV、V,電壓方向：電位真正降低的方向,電壓：?jiǎn)挝徽姾蓂 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：?jiǎn)挝徽姾蓂 從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)(0）時(shí)電場(chǎng)力做功的大小,參考方向 引用原因：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(wèn)題的分析 計(jì)算帶來(lái)困難 定

6、義：假設(shè)的電壓降低的方向 參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：,,電壓參考方向的表示方法：,,用箭頭表示,用正負(fù)極性表示,用雙下標(biāo)表示,元件或支路的u，i 采用相同的參考方向稱(chēng)之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱(chēng)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,關(guān)聯(lián)參考方向:,,,,,,,,i,+,-,+,-,,i,u,u,小結(jié),(1) 參考方向是任意假定的，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(biāo)注 (包括方向和符號(hào)），在計(jì)算過(guò)程中不得任意改變,(3) 考方向不同時(shí)，其表達(dá)式相差一負(fù)號(hào)，但實(shí)際方向不變，以后討論均在參考方向下進(jìn)行，不考慮實(shí)際方向。,,i,例,,,U

7、,電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問(wèn)：對(duì)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),1.3 電功率(power)和能量,1.電功率：,功率的單位：W (瓦) (Watt，瓦特),單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。,在t0到t的時(shí)間內(nèi)，元件吸收的能量為：,能量的單位： J (焦) (Joule，焦耳),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,P0 吸收正功率 (實(shí)際吸收),P<0 吸收負(fù)功率 (實(shí)際發(fā)出),P= ui 表示元件發(fā)出的功率,P0 發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出),u, i 取非關(guān)聯(lián)參考

8、方向,P<0 發(fā)出負(fù)功率 (實(shí)際吸收),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= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A,解,注,對(duì)一完整的電路，發(fā)出的功率吸收的功率,,定義：電路元件是電路中最基本的組成單元。 1、電路元件分類(lèi) 按與外部連接的端子數(shù)目分為二端，三端，四端元件等。,1.4 電路元件,還可分為線性和非線性元件，時(shí)變和時(shí)不變?cè)?，無(wú)源和有源元件等。,三端元件,二端元件,四端元件,2.集總元件,,集總元件假定發(fā)生的電磁過(guò)程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行。在任何時(shí)刻，流入二端元件的

9、一個(gè)端子的電流一定等于從另一端子流出的電流，兩個(gè)端子之間的電壓為單值量。集總參數(shù)電路滿足集總化條件、由集總元件構(gòu)成的實(shí)際電路模型。集總化條件實(shí)際電路的尺寸d遠(yuǎn)小于電路工作時(shí)電磁波的波： d 需要指出的是：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(wú)關(guān)，本課程只討論由集總元件構(gòu)成的集總參數(shù)電路。,幾種基本的電路元件：,電阻元件 消耗電能的元件,電容元件產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件,理想電壓源 輸出電壓恒定，輸出電流由它和負(fù)載共同決定,理想電流源 輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定。,電感元件產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件,1.5 電阻元件,2.線性時(shí)不變電阻元件,電路

10、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(lái)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(yè),上 頁(yè),0,返 回,ui 關(guān)系,R 稱(chēng)為電阻，單位： (Ohm),,滿足歐姆定律,單位,,G 稱(chēng)為電導(dǎo)，單位：S (Siemens),u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,下 頁(yè),上 頁(yè),伏安特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線,返 回,(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(fù)號(hào),注,說(shuō)明線性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元 件，又稱(chēng)為靜態(tài)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(xiě)為,u R i i G u,公式和參考方向必須配套

11、使用！,3.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 (-Ri)I i2 R - u2/ R (吸收),p u i i2R u2 / R (吸收),功率,下 頁(yè),上 頁(yè),表明,返 回,可用功表示。從 t 到t0電阻消耗的能量：,4. 電阻的開(kāi)路與短路,短路,,開(kāi)路,,,,,,能量,小結(jié),無(wú)源元件、耗能元件,1.,2. 電阻是靜態(tài)元件,3. p u i i2R u2 / R (吸收),1.6 電壓源和電流源,分類(lèi)： 獨(dú)立電源 (independent source) 受控電源 (dependent source),,電路符號(hào),1.理

12、想電壓源,定義,,下 頁(yè),上 頁(yè),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(guò)它的電流 i 無(wú)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(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。,通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定。,電壓源的電壓、電流關(guān)系,直流電壓源的伏安關(guān)系,下 頁(yè),上 頁(yè),例,外電路,,,,,電壓源不能短路！,0,返 回,電壓源功率：,電場(chǎng)力做功，電源吸收功率，吸收功率，充當(dāng)負(fù)載或發(fā)出負(fù)功,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；,物理意義：,外力克服電場(chǎng)力作功，電源發(fā)出功率，發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；,物理意義：,例,計(jì)算圖示電路各元件的功率。,

13、解,(發(fā)出),(吸收),(吸收),滿足：P（發(fā)）P（吸）,實(shí)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。,實(shí)際電壓源,考慮內(nèi)阻,伏安特性,一個(gè)好的電壓源要求,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(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。,電路符號(hào),2.理想電流源,定義,,下 頁(yè),上 頁(yè),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(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)。,返 回,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(yè),上 頁(yè),0,例,外電路,,,,電流源不能開(kāi)路！,返 回,電流源功率：,電場(chǎng)力做功，電源吸收功率，

14、吸收功率，充當(dāng)負(fù)載或發(fā)出負(fù)功,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；,物理意義：,外力克服電場(chǎng)力作功電源發(fā)出功率，發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；,物理意義：,實(shí)際電流源也不允許開(kāi)路。因其內(nèi)阻大，若開(kāi)路，電壓很高，可能燒毀電源。,,實(shí)際電流源,考慮內(nèi)阻,伏安特性,一個(gè)好的電流源要求:,實(shí)際電源,干電池,鈕扣電池,1. 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）,干電池電動(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,氫氧燃料電池示意圖,2. 燃料電池（化學(xué)電源）,電池電動(dòng)勢(shì)1.23V。以

15、氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,3. 太陽(yáng)能電池（光能電源）,一塊太陽(yáng)能電池電動(dòng)勢(shì)0.6V。太陽(yáng)光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)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?yáng)能電池板。,一個(gè)50cm2太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)0.6V,電流0.1A,太陽(yáng)能電池示意圖,太陽(yáng)能電池板,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,蓄電池示意圖,4. 蓄電池（化學(xué)電源）,電池電動(dòng)勢(shì)2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動(dòng)勢(shì)低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,草原上的風(fēng)力發(fā)電,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,引入,1.7

16、受控電源(非獨(dú)立源),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(chēng)受控源。,下 頁(yè),上 頁(yè),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(lèi)型,2.分類(lèi),四端元件,輸出：受控部分,輸入：控制部分,下 頁(yè),上 頁(yè),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(yè),上 頁(yè),返 回,電流控制的電壓源 ( CCVS ),r : 轉(zhuǎn)移電阻

17、,例,,,電路模型,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,,,電壓控制電壓源,電流控制電壓源,電壓控制電流源,電流控制電流源,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(wú)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)”。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,例,求：電壓u2,解,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.幾個(gè)名詞,電路中通過(guò)同一電流的分支。,元件的連接點(diǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)。,b=3,a,n=4,b,支路,,,電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路。,結(jié)點(diǎn)

18、,,b=5,下 頁(yè),上 頁(yè),或三條以上支路的連接點(diǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)。,n=2,注意,兩種定義分別用在不同的場(chǎng)合。,返 回,1.8基爾霍夫定律( Kirchhoffs Laws ),由支路組成的閉合路徑。,兩結(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成,對(duì)平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱(chēng)網(wǎng)孔。,l=3,3,,路徑,,回路,,網(wǎng)孔,,網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。,下 頁(yè),上 頁(yè),注意,返 回,2.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(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)流出（或流入）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(yè),上 頁(yè),返 回,例,三式相加得：,KCL可推廣應(yīng)用

19、于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)的任一閉合面。,,下 頁(yè),上 頁(yè),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(wú)關(guān)，與電路是線性還是非線性無(wú)關(guān)；,KCL方程是按電流參考方向列寫(xiě)的，與電流實(shí)際方向無(wú)關(guān)。,下 頁(yè),上 頁(yè),明確,返 回,3.基爾霍夫電壓定律 (KVL),下 頁(yè),上 頁(yè),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。,返 回,U1US1+U2+U3+U4+US4= 0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或：,R1I1+R2

20、I2R3I3+R4I4=US1US4,下 頁(yè),上 頁(yè),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(wú)關(guān)，與電路是線性還是非線性無(wú)關(guān)；,KVL方程是按電壓參考方向列寫(xiě)，與電壓實(shí)際方向無(wú)關(guān)。,下 頁(yè),上 頁(yè),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(wú)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(wú)關(guān))。,KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,,解,解,解,解,,,選擇參數(shù)可以得到電壓和功率放大,