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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,上 頁,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,上 頁,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
2、,電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲(chǔ)存磁場能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲(chǔ)存電場能量的元件,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,上 頁,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,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
3、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),單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量,下 頁,上 頁,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=103A 1mA=10-3A 1 A=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,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
4、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,單位,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,V (伏)、kV、mV、V,返 回,例,已知：4C正電荷由a點(diǎn)均勻移動(dòng)至b點(diǎn)電場力做功8J，由b點(diǎn)移動(dòng)到c點(diǎn)電場力做功為12J， 若以b點(diǎn)為參考點(diǎn)，求a、b
5、、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；參考點(diǎn)一經(jīng)選定，電路中各點(diǎn)的電位值就唯一確定；當(dāng)選擇不同的電位參考點(diǎn)時(shí)，電路中各點(diǎn)電位值將改變，但任意兩點(diǎn)間電壓保持不變。,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 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,+,,UA
6、B,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)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)。,下 頁,上 頁,注意,返 回,1.3 電
7、功率和能量,1.電功率,功率的單位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的單位：J (焦) (Joule，焦耳),,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,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),P<0 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,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=
8、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,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，儲(chǔ)存磁場能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲(chǔ)存電場能量的元件,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
9、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。,集總條件,,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，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,上 頁,例,集總參數(shù)電路,兩線傳輸線的等效電路,當(dāng)兩線傳輸線的長度 l 與電磁波的波長滿足：,,返 回,下 頁,上 頁,分布參數(shù)電路,當(dāng)兩線傳輸線的長度 l 與電磁波的波長滿足：,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描述：,任何
10、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.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
11、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,下 頁,上 頁,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,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,直流電壓源的伏安關(guān)系,下 頁,上
12、頁,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)，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率。,,發(fā)出功率，起電源作用,物理意義：,下 頁,上 頁,,電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；,物理意義：,電場力做功，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,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,,下 頁,上 頁,理想電流源的電壓、電流關(guān)系,電流源的輸出
13、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)。,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,上 頁,0,例,外電路,,,,電流源不能開路！,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)載無關(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,上 頁,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,上 頁,返 回,實(shí)際電源,干電池,鈕扣電池,1.
14、 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）,干電池電動(dòng)勢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1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,下 頁,上 頁,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1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。,下 頁,上 頁,返 回,3. 太陽能電池（光能電源）,一塊太陽能電池電動(dòng)勢0.6V。太陽光照射到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?，故常用太陽能電池板?一個(gè)50cm2太陽能電池的電動(dòng)勢0.6V,電流0.1A,太
15、陽能電池示意圖,太陽能電池板,下 頁,上 頁,返 回,蓄電池示意圖,4. 蓄電池（化學(xué)電源）,電池電動(dòng)勢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)勢低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。,下 頁,上 頁,返 回,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,發(fā)電機(jī)組,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 ),
16、: 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,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
17、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,上 頁,返 回,例,求：電壓u2,解,下 頁,上 頁,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元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。,下 頁,上 頁,返 回,1.幾個(gè)名詞,電路中通過同一電流的分支。,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)
18、,,b=5,下 頁,上 頁,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,上 頁,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,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
19、,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。,返 回,U1US1+U2+U3+U4+US4= 0,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或：,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,下 頁,上 頁,KV
20、L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,上 頁,思考,,返 回,,下 頁,上 頁,例1,求電流 i,解,例2,解,求電壓 u,返 回,下 頁,上 頁,例3,求電流 i,例4,求電壓 u,解,解,要求,能熟練求解含源支路的電壓和電流。,返 回,解,下 頁,上 頁,例5,求電流 I,例6,求電壓 U,解,返 回,解,下 頁,上 頁,例7,求開路電壓 U,返 回,解,,,選擇參數(shù)可以得到電壓和功率放大。,上 頁,例8,求輸出電壓 U,返 回,
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