电路原理第一章

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,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,*,*,第一章 电路模型和电路定律,主要内容,1.1,电路和电路模型,1.2,电流和电压的参考方向,1.3,电功率和能量,1.4,电路元件,1.5,电阻元件,1.6,电压源和电流源,1.7,受控电源,1.8,基尔霍夫定律,第一章 电路模型和电路定律,1.,电压、电流的参考方向,3.,基尔霍夫定律,2.,电阻元件和电源元件的特性,重点：,1.1,电路和电路模型,功能,a,能量的传输、分配与转换；,b,信息的传递、控制与处理。,建立在同一电路理论基础上。,由电路部件和电路器件按预期目的连接构成的电流的通路。,共性,1.,实际电路,1.1,电路和电路模型,反映实际电路部件的主要电磁,性质的理想电路元件及其组合。,2.,电路模型,导线,电池,开关,灯泡,电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件。,电路模型,5,种基本的理想电路元件：,电阻元件：,表示消耗电能的元件,电感元件：,表示产生磁场，储存磁场能量的,元件,电容元件：,表示产生,电场,，储存电场能量的元件,电压源和电流源：,表示将其它形式的能量转变成,电能的元件。,5,种,基本理想电路元件有三个特征：,（,a,）,只有两个端子；,（,b,）,可以用电压或电流按数学方式描述；,（,c,）,不能被分解为其他元件。,注意,1.1,电路和电路模型,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电路模型表示；,同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。,例,电感线圈的电路模型,1.1,电路和电路模型,1.2,电流和电压的参考方向,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,1.,电流的参考方向,1.2,电流和电压的参考方向,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=10,3,A,1mA=,10,-3,A,1,A=10,-6,A,A,（安培）、,kA,、,mA,、,A,元件,(,导线,),中电流流动的实际方向只有两种可能,:,实际方向,A,B,实际方向,A,B,对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断。,问题,1.2,电流和电压的参考方向,参考方向,大小,方向,(,正负）,电流,(,代数量,),任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,i, 0,i, 0,参考方向,U,+,参考方向,U,+, 0,U,假设高电位指向低电位的方向。,问题,+,实际方向,+,实际方向,1.2,电流和电压的参考方向,电压参考方向的三种表示方式：,(1),用箭头表示：,(2),用正负极性表示,(3),用双下标表示,U,U,+,A,B,U,AB,1.2,电流和电压的参考方向,元件或支路的,u,，,i,采用相同的参考方向称之为,关联,参考方向。,反之，称为,非关联参考方向。,关联参考方向,非关联参考方向,i,+,-,+,-,i,u,u,3.,关联参考方向,1.2,电流和电压的参考方向,分析电路前必须选定,电压,和,电流,的参考方向,参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注,(,包括方向和,符号,),，,在计算过程中不得任意改变,参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。,例,电压电流参考方向如图中所标，问：对,A,、,B,两部分电路电压电流参考方向关联否？,答：,A,电压、电流参考方向非关联；,B,电压、电流参考方向关联。,注意,u,B,A,i,1.3,电功率和能量,1.,电功率,功率的单位：,W,(,瓦,) (,Watt,，,瓦特,),单位时间内电场力所做的功。,1.3,电功率和能量,2.,功率的计算,u,i,取,关联参考方向,：,u,i,取非,关联参考方向,：,功率正负的含义：,正,值表示元件消耗（吸收、获得）能量，为负载,负,值表示元件产生（释放、提供）能量，为电源,1.3,电功率和能量,+,-,I,U,+,-,I,U,元件上,U,、,I,参考方向关联,该元件为,电源,器件,元件上,U,、,I,参考方向非关联,该元件为,负载,器件,1.3,电功率和能量,3.,能量,一段时间内所做的电功率之和。,能量的单位：,J (,焦,) (Joule,，焦耳,),正负含义：,1.4,电路元件,是电路中最基本的组成单元。,1.,电路元件,常用电路元件,负载元件,电源元件,电阻元件,电容元件,电感元件,独立源,受控源,电压源,电流源,1.4,电路元件,2.,集总参数电路,由集总元件构成的电路,集总元件,假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。,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。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为单值量。,注意,本课程研究：集总参数电路,1.5,电阻元件,电路符号,R,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其特性可用,u,i,平面上的一条曲线来描述：,i,u,任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。,伏安,特性,1.,定义,2.,线性时不变电阻元件,伏安特性为一条过原点的直线,u,i,0,1.5,电阻元件,u,i,关系,R,称为电阻，衡量电阻元件阻碍电流的作用。单位：欧姆 ，,(,Ohm,),满足欧姆定律,单位,G,称为电导，衡量电阻元件的导电能力。单位,：西门子，,S,(,Siemens,),G=1/R,。,u, ,R i i, ,G u,u,R i i,G u,注意：,公式和参考方向必须配套使用！,R,u,i,-,+,R,u,i,+,-,1.5,电阻元件,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,2,/ R,p,u i,i,2,R,u,2,/ R,功率,R,u,i,+,-,表明,R,u,i,-,+,3.,功率和能量,1.5,电阻元件,从,t,0,到,t,电阻消耗的能量,：,能量,u,i,短路,开路,u,i,R,i,u,+,u,+,i,0,0,4.,电阻的开路与短路,1.6,电压源和电流源,电路符号,1.,理想电压源,定义,i,+,_,其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它的电流,i,无关的元件叫理想电压源。,1.6,电压源和电流源,电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。,通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。,理想电压源的电压、电流关系,u,i,直流电压源的伏安关系,例,R,i,-,+,外电路,电压源不能短路！,0,1.6,电压源和电流源,例,计算图示电路中的电流、电压，并验证功率平衡。,解,发出,吸收,吸收,满足,：,P,（,发,）,P,（,吸,）,i,+,_,+,_,10V,5V,-,+,1.6,电压源和电流源,其输出电流总能保持定值或一定的,时间函数，其值与它的两端电压,u,无关的元件叫理想电流源。,电路符号,2.,理想电流源,定义,u,+,_,理想电流源的电压、电流关系,电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。,1.6,电压源和电流源,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。,u,i,直流电流源的伏安关系,0,例,R,u,-,+,外电路,电流源不能开路！,1.6,电压源和电流源,计算图示电路各元件的功率,解,发出,吸收,满足,：,P,（发）,P,（吸）,u,2A,i,+,_,5V,-,+,i,s,1.7,受控电源,(,非独立源,),电路符号,+,受控电压源,1.,定义,受控电流源,电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压,(,或电流,),控制的电源，称受控源。,1.7,受控电源,(,非独立源,),电流控制的电流源,( CCCS ),:,电流放大倍数,根据控制量和被控制量是,电压,u,或,电流,i,，受控源,可分,四种类型,：当被控制量是电压,时，,用受控电压,源表示；当被控制量是电流,时，,用受控电流源表示。,2.,分类,四端元件,输出：受控部分,输入：控制部分,b,i,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,1.7,受控电源,(,非独立源,),g,:,转移电导,电压控制的电流源,(,VCCS,),电压控制的电压源,(,VCVS,),:,电压放大倍数,gu,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,i,1,u,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,+,+,_,1.7,受控电源,(,非独立源,),电流控制的电压源,(,CCVS,),r,:,转移电阻,例,电路模型,i,b,i,c,i,b,ri,1,+,_,u,2,i,2,_,u,1,i,1,+,+,_,1.7,受控电源,(,非独立源,),3.,受控源与独立源的比较,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。,独立源在电路中起,“,激励,”,作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的,电压或电流,的控制关系，在电路中不能作为,“,激励,”,。,1.8,基尔霍夫定律,例,电路的约束,元件约束,拓扑约束,电压电流关系（,VCR,）,基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（,KCL,）和基尔霍夫电压定律,(,KVL,),。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。,1.8,基尔霍夫定律,例,1.,几个术语,电路中通过同一电流的分支,。,元件,的连接点称为结点。,b,=3,a,n,=4,b,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,支路,电路中每一个两端元件就叫一条支路。,i,3,i,2,i,1,结点,b,=5,或,三条以上支路的连接点称为结点。,注意,两种定义分别用在不同的场合。,n,=2,1.8,基尔霍夫定律,例,由支路组成的闭合路径,。,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,=3,1,2,3,路径,回路,网孔,网孔是回路，但回路不一定是网孔。,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,注意,m,=2,1.8,基尔霍夫定律,(KCL),例,2.,基尔霍夫电流定律,(KCL),令流出为,“,+,”,，流入为,“,-,”,有：,例,在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。,流进的电流等于流出的电流,1.8,基尔霍夫定律,(KCL),例,例,三式相加得：,KCL,可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。,1,3,2,表明,1.8,基尔霍夫定律,(KCL),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；,KCL,是对结点处支路电流间的约束，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；,KCL,方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。,明确,1.8,基尔霍夫定律,(KVL),3,.,基尔霍夫电压定律,(KVL),U,3,U,1,U,2,U,4,标定各元件电压参考方向,选定回路绕行方向，顺时针或逆时针,.,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,在,集总参数电路中，任一时刻，,沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零,。,与绕行方向一致取,“,+,”,，相反取,“,-,”,1.8,基尔霍夫定律,(KVL),U,1,U,S1,+U,2,+U,3,+U,4,+U,S4,=,0,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,U,3,U,1,U,2,U,4,I,1,+,U,S1,R,1,I,4,_,+,U,S4,R,4,I,3,R,3,R,2,I,2,_,KVL,也适用于电路中任一假想的回路。,注意,1.8,基尔霍夫定律,(KVL),例,KVL,的实质反映了电路遵从能量守恒定律,;,KVL,是对回路中的支路电压间的约束，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；,KVL,方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。,明确,a,U,s,b,_,_,-,+,+,+,U,2,U,1,1.8,基尔霍夫定律,例,1,解,I,1,-10V,10V,+,+,-,-,1A,I,=?,10,求电流,I,例,2,求电压,U,解,4V,+,-,10A,U,=?,2,+,-,3A,I,1.8,基尔霍夫定律,解,10V,+,+,-,-,3,I,2,U,=?,I,=0,5,5,-,+,2,I,2,I,2,5,+,-,例,3,求开路电压,U,