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；（電力系統(tǒng)） b 信息的傳遞、控制與處理。,建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。 施加的激勵(lì)變成需要的響應(yīng)。 （輸入） （輸出）,由電源、負(fù)載和傳輸控制器件組成的電通路。,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。 另一種定義：由元件模型組成的電路也叫電路圖,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,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(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=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(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。,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(yè),上 頁(yè),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(yè),上 頁(yè),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(chǎng)力做功（W）的大小。,實(shí)際電壓方向,電位真正降低的方向。,下 頁(yè),上 頁(yè),V (伏)、kV、mV、V,返 回,下 頁(yè),上 頁(yè),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(wèn)題的分析計(jì)算帶來(lái)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(yè),上 頁(yè),問(wèn)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,+,UAB,下 頁(yè),上 頁(yè),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(yè),上 頁(yè),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(guò)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(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)。,下 頁(yè),上 頁(yè),注意,返 回,1.3 電功率和能量,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(chǎng)力所做的功。,下 頁(yè),上 頁(yè),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(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 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。,電路元件,返 回,2.集總參數(shù)電路,由集總元件構(gòu)成的電路,集總條件,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.5 電阻元件,2.線性時(shí)不變電阻元件,電路符號(hào),任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。,下 頁(yè),上 頁(yè),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(xiě)為,u R i i G u,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,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(yè),上 頁(yè),表明,返 回,4.電阻的開(kāi)路與短路,短路,開(kāi)路,下 頁(yè),上 頁(yè),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),提供確定電壓函數(shù)的電源，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,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,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,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,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,: 電壓放大倍數(shù),輸入：控制部分,四端元件,輸出：受控部分,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電壓控制的電壓源 ( VCVS ),g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo),電壓控制的電流源 ( VCCS ),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,r : 轉(zhuǎn)移電阻,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電流控制的電壓源 ( CCVS ), : 電流放大倍數(shù),4、電流控制的電流源 ( CCCS ),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,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,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(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。,b=3,a,b,支路,電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路。,b=5,下 頁(yè),上 頁(yè),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,l=3,3,路徑,回路,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,元件的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。,n=4,結(jié)點(diǎn),或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。,n=2,對(duì)平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。,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+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(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,