1、第1章電路模型和電路定律,本章重點(diǎn),1.電壓、電流的參考方向,3.基爾霍夫定律,重點(diǎn)：,2.電阻元件和電源元件的特性,返回,1.1電路和電路模型,1.實(shí)際電路,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。,建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。,由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路。,下頁(yè),上頁(yè),共性,返回,反映實(shí)際電路部件的主要電磁性質(zhì)的理想電路元件及其組合。,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(yè),上頁(yè),返回,5種基本的理想電路元件：,電阻元件：表示消耗電能的元件,電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電

2、場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件,電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。,5種基本理想電路元件有三個(gè)特征：（a）只有兩個(gè)端子；（b）可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述；（c）不能被分解為其他元件。,下頁(yè),上頁(yè),注意,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。,下頁(yè),上頁(yè),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

3、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,下頁(yè),上頁(yè),返回,方向,規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向,單位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,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(yè),上頁(yè),問(wèn)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。,i0,i0吸收正功率(實(shí)際吸收),P0發(fā)出正功率(實(shí)際發(fā)出),P0發(fā)出負(fù)功率(實(shí)際吸收),u,i取非關(guān)聯(lián)參考方向,下頁(yè),上頁(yè),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(yè),上

4、頁(yè),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(yè),上頁(yè),注意,返回,下頁(yè),上頁(yè),1.4電路元件,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：,電阻元件：表示消耗電能的元件,電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件,電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。,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。,2.集總參數(shù)電路,由集總元

5、件構(gòu)成的電路,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。,集總條件,下頁(yè),上頁(yè),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)。因此，任何時(shí)刻，流入兩端元件一個(gè)端子的電流等于從另一端子流出的電流；端子間的電壓為單值量。,注意,返回,下頁(yè),上頁(yè),例,集總參數(shù)電路,兩線傳輸線的等效電路,當(dāng)兩線傳輸線的長(zhǎng)度l與電磁波的波長(zhǎng)滿足：,返回,下頁(yè),上頁(yè),分布參數(shù)電路,當(dāng)兩線傳輸線的長(zhǎng)度l與電磁波的波長(zhǎng)滿足：,返回,1.5電阻元件,2.線性時(shí)不變電阻元件,電路符號(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(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

6、性,下頁(yè),上頁(yè),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(yè),上頁(yè),伏安特性為一條過(guò)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(shuō)明線性電阻是無(wú)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,uRiiGu,公式和參考方向必須配套使用！,下頁(yè),上頁(yè),注意,返回,3.功率和能量,電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。,pui(Ri)ii2R-u2/R,puii2Ru2/R,功率,下頁(yè),上頁(yè),表明,返回,從t0到t電阻消耗的能量：,4.電阻的開(kāi)路與短路

7、,能量,短路,開(kāi)路,下頁(yè),上頁(yè),0,0,返回,下頁(yè),上頁(yè),實(shí)際電阻器,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(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。,理想電壓源的電壓、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,電壓源的功率,電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；,電流（正電荷）由低電位向高電位移動(dòng)，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,物理意義：,

8、下頁(yè),上頁(yè),電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；,物理意義：,電場(chǎng)力做功，電源吸收功率,吸收功率，充當(dāng)負(fù)載,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(yè),上頁(yè),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(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,可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載

9、無(wú)關(guān)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。,下頁(yè),上頁(yè),實(shí)際電流源的產(chǎn)生：,電流源的功率,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；,發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；,吸收功率，充當(dāng)負(fù)載,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(yè),上頁(yè),返回,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

10、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,直流穩(wěn)壓源,變頻器,頻率計(jì),函數(shù)發(fā)生器,下頁(yè),上頁(yè),返回,發(fā)電機(jī)組,下頁(yè),上頁(yè),

11、返回,草原上的風(fēng)力發(fā)電,下頁(yè),上頁(yè),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(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，受控源可分四種類型：當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時(shí)，用受控電流源表示。,2.分類,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

12、制的電壓源(CCVS),r:轉(zhuǎn)移電阻,例,電路模型,下頁(yè),上頁(yè),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(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,1.8基爾霍夫定律,基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律(KVL)。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性

13、構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。,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),b=5,下頁(yè),上頁(yè),或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。,n=2,注意,兩種定義分別用在不同的場(chǎng)合。,返回,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)

14、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+R2I2R3I3+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，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