电路课件第1章(第五版邱关源高等教育出版社)课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电路原理,主讲：石磊,教材：电路(第五版),邱关源,高等教育出版社,课 程 介 绍,定位：专业根底课,目标：通过本课程的学习，掌握电路的根本理论知识、电路的根本分析方法和初步的实验技能，为进一步学习计算机专业课打下良好的根底。,课 程 安 排,课程性质：考试课,学时安排：54学时讲授+12学时实验,考核方式：平时作业和出勤20%+实,验 20%+期末考试60%,要 求：不得缺出勤，迟到。,第一章 电路模型和电路定律,1. 电压、电流的参考方向,4. 基尔霍夫定律,3. 电路元件特性,重点,2. 功率计算,1-1,电路和电路模型,电路是电流的通路。实际电路是由电气器件相互联接而构成的。由电源、负载和中间环节组成。,一、电路,二、电路的作用,(1) 实现电能的传输、分配与转换,发电机,升压,变压器,降压,变压器,电灯,电动机电炉,.,输电线,放大器,扬声器,话筒,(2)传递和处理信号,1、鼓励：,电源或信号源的电压或电流。,2、响应：,由于鼓励在电路各局部产生的电压和电流。,3、电路分析：,在电路结构和元件参数的条件下，讨论电路的鼓励与响应之间的关系。,三、电路分析,1、实际元件:,组成实际电路的元件。,2、理想元件:,将实际元件理想化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素。,理想元件,电阻 R,电压源,3、电路模型:,理想电路元件组成的电路。,四、电路模型,电感 L,电容 C,电流源,导线,电池,开关,灯泡,电路图,手电筒的电路模型,电池,是电源元件，其参数为电动势,E,和内阻,R,o,；,灯泡,主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻,R,；,筒体,用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关,用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。,在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,+,R,0,R,开关,E,I,电珠,+,U,干电池,导线,例,注,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件， 在一定条件下可用同一模型表示；,同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式,1-2,电流和电压的参考方向,一、问题的引入,5,3,10V,9V,考虑电路中每个电阻的电流方向,电流方向？,1.2,电压和电流的参考方向,物理中对根本物理量规定的方向,1. 电路根本物理量的实际方向,物理量,实 际 方 向,电流,I,正电荷运动的方向,电动势,E,(电位升高的方向),电压,U,(电位降低的方向),高电位,低电位,单 位,kA 、A、mA、A,低电位,高电位,kV 、V、mV、V,kV 、V、mV、V,(2),参考方向的表示方法,电流：,U,ab,双下标,电压：,(1),参考方向,I,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,I,ab,双下标,2. 电路根本物理量的参考方向,箭 标,a,b,R,I,正负极性,+,a,b,U,U,+,_,+,R,0,E,3V,注意：,在参考方向选定后,电流(或电压)值才有正负之分。,任意指定一个方向作为电流的方向。,把电流看成代数量:,假设电流的参考方向与它的实际方向一致，那么电流为正值；,假设电流的参考方向与它的实际方向相反，那么电流为负值。,2、参考方向：,1、实际方向：,正电荷运动的方向。,二、电流,i,参考方向,i,参考方向,i, 0,i, 0,参考方向,U,+,+,实际方向,+,实际方向,参考方向,U,+,0,吸收正功率 (实际吸收),P,0,发出正功率 (实际发出),P,0,发出负功率 (实际吸收),u,i,取非,关联参考方向,+,-,i,u,+,-,i,u,二.判断元件是吸收功率还是发出功率,例,解,注,对一完整的电路，发出的功率消耗的功率,+,U,3,5,6,4,1,2,3,I,2,I,3,I,1,+,+,+,+,+,U,6,U,5,U,4,U,2,U,1,求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。：,U1=1V, I1=2A， U2= -3V, I2=1A, U3=8V, I3= -1A,U4= -4V, U5=7V, U6= -3V,1-4,电路元件,(,circuit elements,),一、集总电路,1、集总元件,集总元件：,在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。,当构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路工作时的电磁波的波长，或者说电磁波通过电路的时间可认为是瞬时的，这种理想电路元件称为,集总元件或集总参数元件。,集总条件,l,d,由集总元件构成的电路称为集总电路。,例如日光灯，50Hz工频情况下，电磁波长为6000公里，日光灯电路为集总电路，,同样的波长对于远距离传输线来说，就是非集总电路。,再例如收音机，收听北京音乐台,FM97.4MHz,，取近似值100MHz，电磁波波长=?,C = f,=3,米 电路为非集总路。,2、集总电路,注,集总参数电路中,u、i,可以是时间的函数，但与空间坐标无关。,二、电路元件的分类,1、按与外部连接的端子数目,二端元件、三端元件、四端元件,2、从是否源分,有源元件、无源元件,3、从性质关系,线性元件、非线性元件,4、和时间关系,时变元件、时不变元件,1-5,电阻元件,(,resistor,),流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,根据欧姆定律，电阻两端的电压和电流之间的关系可写成：,u=,iR,在电压和电流的关联方向下,u=iR,在电压和电流非关联方向下,u=,- iR,R,i,+,_,u,R,i,+,_,u,一、欧姆定律,1、定义G=1/R,2、单位S西门子，电阻的单位为(欧姆)，,计量高电阻时，那么以k 和M 为单位。,O,u,i,二、电导,以电压和电流为坐标，画出电压和电流的关系曲线。,三、电阻元件的伏安特性,四. 功率和能量,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p,u i, (,R i) i, -,i,2,R,u,(,u/ R), -,u,2,/ R,p,u i,i,2,R,u,2,/ R,功率：,R,u,i,+,-,R,u,i,+,-,可用功表示。从,t,到,t,0,电阻消耗的能量：,R,i,u,+,五. 电阻的短路与开路,能量：,短路,开路,u,i,1-6,电压源和电流源,(independent source),1、特点：1电压u(t)的函数是固定的，不会因它所联接的,外电路的不同而改变。,2电流那么随与它联接的外电路的不同而不同。,2、图形符号：,+,-,只用来表示直流,0,t,t,0,既可以表示直流也可以表示交流,t,0,一、理想电压源,R,i,-,+,外电路,电压源不能短路！,空载,3、电压源的不同状态,电场力做功 ， 电源吸收功率。,1 电压、电流的参考方向非关联；,物理意义：,+,_,i,u,+,_,+,_,i,u,+,_,发出功率，起电源作用,2 电压、电流的参考方向关联；,吸收功率，充当负载,4. 功率,电流正电荷 由低电位向 高电位移动，外力克服电场力作功电源发出功率。,物理意义：,例,+,_,i,+,_,+,_,10V,5V,计算图示电路各元件的功率。,解,发出,吸收,吸收,满足：P发P吸,1、特点,1电流 i(t) 的函数是固定的，不会因它所联接的外电路的不同而改变；,2电压那么随与它所联接的外电路的不同而不同。,2、图形符号,二、理想电流源,直流：,t,O,外电路,电流源不能开路！,R,u,-,+,实际电流源的产生,可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。,3、电流源的不同状态,短路,1 电压、电流的参考方向非关联；,发出功率，起电源作用,2 电压、电流的参考方向关联；,吸收功率，充当负载,u,+,_,u,+,_,4. 功率,例1,计算图示电路各元件的功率。,解:,吸收,满足：P发P吸,+,_,u,+,_,2A,5V,i,i,s,发出,计算图中电源、电阻及支路的功率，并说明是吸收功率还是产生功率？,IR+10 = 20,得 I =1A 那么,10,V,+,+,_,_,20,V,I,10,(,a,),解：,例2,(-10)+10I =20,得 I=3A 那么:,(,b ),20,V,+,+,_,I,10,V,10,_,解,：,1-7,受控电源,(controlled source or dependent source),一、电源的分类,电源,独立电源,受控源,电压源的电压和电流源的,电流,不受外电路的影响。,作为电源或输入信号时，,在电路中起“,激励,”作用。,受控电压源的电压和,受控电流源的电流不是,给定的时间函数，而是,受电路中某部分的电流,或电压控制的。,又称为非独立电源。,电路符号,+,受控电压源,受控电流源,(1) 电流控制的电流源 (,CCCS,),: 电流放大倍数,四端元件,b,i,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,输出：受控局部,输入：控制局部,二、受控源的类型,g,: 转移电导,(2) 电压控制的电流源 (,VCCS,),u,1,g,u,1,+,_,u,2,i,2,_,i,1,+,(3) 电压控制的电压源 (,VCVS,),u,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,+,-,: 电压放大倍数,ri,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,+,-,(4) 电流控制的电压源 ( CCVS ),r,: 转移电阻,例:,电路模型,三. 受控源与独立源的比较,(1) 独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。,(2) 独立源在电路中起“鼓励作用，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系。,例:,求：电压,u,2。,解:,5i,1,+,_,u,2,_,u,1,=6V,i,1,+,+,-,3,1-8,基尔霍夫定律,(,Kirchhoffs Laws,),用来描述电路中各局部电压或各局部电流间的关系，其中包括基尔霍夫电流和基尔霍夫电压两个定律。,一. 几个名词,电路中通过同一电流的分支。(,b,),三条或三条以上支路的连接点称为结点。(,n,),b,=3,a,n,=2,b,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,1支路 (branch),电路中每一个两端元件就叫一条支路,i,3,i,2,i,1,(2) 结点 (node),b,=5,由支路组成的闭合路径。(,l,),两结点间的一条通路。由支路构成。,对,平面电路,，其内部不含任何支路的回路称网孔。,l,=3,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,1,2,3,(3) 路径(path),(4) 回路(loop),(5) 网孔mesh),网孔是回路，但回路不一定是网孔,二. 基尔霍夫电流定律,(,KCL,),令流出为“+，有：,例:,流进的电流等于流出的电流,在,集总电路中,任何时刻，对任一结点，所有与之相连支路电流的代数和恒等于零。,or,:,1,3,2,例:,三式相加得：,说明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面,明确,1 KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任,意结点处的反映；,2 KCL是对支路电流加的约束，与支路上接的是,什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,3KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际,方向无关。,2选定回路绕行方向， 顺时针或逆时针.,三. 基尔霍夫电压定律 (,KVL,),在,集总电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕,行，所有支路电压的代数和等于零。,1标定各元件电压参考方向,凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取“+号；支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者，该电压前面取“-号。,U,1,U,S1,+U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,0,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,U,3,U,1,U,2,U,4,U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,U,1,+U,S1,或：,R,1,I,1,+R,2,I,2,R,3,I,3,+R,4,I,4,=U,S1,U,S4,例1:,U,1,+U,2,+U,3,+U,4,= U,S1,-,U,S4,例2,KVL也适用于电路中任一假想的回路,a,U,s,b,_,_,-,+,+,+,U,2,U,1,明确,1 KVL的实质反映了电路遵,从能量守恒定律;,2 KVL是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,3KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际,方向无关。,四.,KCL、KVL,小结：,(1),KCL,是对支路电流的线性约束，,KVL,是对回路电压的线性约束。,(2),KCL、KVL,与组成支路的元件性质及参数无关。,(3) KCL说明在每一结点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体表达(电压与路径无关)。,(4),KCL、KVL,只适用于集总参数的电路。,1.,2.,练习题：,+,+,-,-,4V,5V,i,=?,3.,3,+,+,-,-,4V,5V,1A,+,-,u,=?,4.,3,解,10V,+,+,-,-,1A,-,10V,I =?,10,5,.,解,I,1,4V,+,-,10A,U =?,2,6,.,+,-,3A,I,10V,+,+,-,-,3I,2,U=?,I =0,5,5,-,+,2I,2,I,2,5,+,-,解：,7.,解：,8.,I,1,I,2,3,V,+,-,1,V,10,2,+,-,1,+,-,U,1,=？,I,3,1,2,1,节点1的电流方程：,根据欧姆定律：,回路1电压方程：,回路2电压方程：,9. 以下图电路中，求,1K翻开时， Uab 、 Ubc 、I=？,2K合上后， Uab 、 Ubc 、I=？,_,+,_,+,_,+,K,6,V,4,V,c,4,1,2,A,22,V,a,b,I,解：1、K翻开， Uab =22V， Ubc =4V，I=2A。,解：2、当K合上后， Uab =22V不变，由KVL有：6 + 4 I1 + I1 - 4 - 22 = 0，,解得I1 =4A,那么 I= I1 +2=6A， UbC =4 - 1 I1 =0V,I,1,_,+,_,+,_,+,K,6,V,4,V,C,4,1,2,A,22,V,a,b,I,第一章,结束,