清华大学电路原理课件-1

第,1,章 电路元件和电路定律,1.1,电路和电路模型,1.2,电流、电压、电动势及其参考方向,1.3,电路元件的功率,1.4,电阻元件,1.5,电源元件,1.7,受控电源,1.6,基尔霍夫定律,本章重点,基尔霍夫定律,本章,重点,电路元件特性,电路模型,电压、电流的参考方向,返回目录,1.1,电路和电路模型,一、电路,（,circuits,）,电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。,电源,（,source,）：,提供能量或信号。,负载,（,load,）：,将电能转化为其它形式的能量，或对信号进行处理。,导线,（,line,）、,开关（,switch,）,等：将电源与负载接成通路。,电路是电工设备构成的整体，它为电流（,current,）,的流通提供路径。,二、电路模型,（,circuit model,）,理想电路元件,由实际元件抽象出来具有某种单一电磁性质的假想元件,。,几种基本的理想电路元件,电阻,（,resistor,）,元件：,表示消耗电能的元件。,电感,（,inductor,）,元件：,表示各种电感线圈产生磁场、储存能量的作用。,电容,（,capacitor,）,元件：,表示各种电容器产生电场、储存能量的作用。,电源,（,source,）,元件：,表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。,2.,电路模型,由理想电路元件组成的电路，其与实际电路具有基本相同的电磁性质。,导线,电池,开关,灯泡,例,实际电路,电路模型,3.,集总参数电路,实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。,返回目录,1.,电流,带电质点有规律的运动形成电流。,电流的大小用,电流强度,表示。,电流强度：,单位时间内通过导体横截面的电量。,单位名称,：,安,（培）符号：,A,（,Ampere,，,安培；,1775,1836,，,France,）,一、电流、电压、电动势,1.2,电流、电压、电动势及其参考方向,SI,制中，一些常用的十进制倍数的表示法,符号,T G M k c m,n p,中文 太 吉 兆 千 厘 毫 微 纳 皮,数量,10,12,10,9,10,6,10,3,10,2,10,3,10,6,10,9,10,12,2.,电压,（,voltage,）,电场中某两点,A,、,B,间的电压（,降,）,U,AB,等于将点电荷,q,从,A,点移至,B,点电场力所做的功,W,AB,与该点电荷,q,的比值，即,单位名称,：,伏（特）符号：,V,（,Volt,，,伏特；,1745,1827,，,Italian,）,A,B,3.,电位,（,potential,）,在分析电路问题时，常在电路中选一个点为参考点,(reference point),，,把任一点到参考点的电压（降）称为该点的电位。,参考点的电位为,零,，参考点也称为零电位点。,电位用,（或,U,）,表示，单位与电压相同，也是,V,（,伏,）,。,a,b,c,d,设,c,点为电位参考点，则,c,=0,a,=,U,ac,，,b,=,U,bc,，,d,=,U,dc,两点间电压与电位的关系,仍设,c,点为电位参考点，,c,=0,U,ac,=,a,，,U,dc,=,d,U,ad,=,U,ac,U,dc,a,d,前例,结论,：电路中任意两点间的电压等于该两点间的 电位差（,potential difference,）。,a,b,c,d,例,a,b,c,1.5,V,1.5,V,已知,U,ab,=1.5 V,，,U,bc,=1.5 V,(1),以,a,点为参考点,，,a,=0,U,ab,=,a,b,b,=,a,U,ab,=1.5 V,U,bc,=,b,c,c,=,b,U,bc,=1.51.5=3 V,U,ac,=,a,c,=,0,(3)=3 V,(2),以,b,点为参考点,，,b,=0,U,ab,=,a,b,a,=,b,+,U,ab,=1.5 V,U,bc,=,b,c,c,=,b,U,bc,=1.5 V,U,ac,=,a,c,=1.5,(1.5)=3 V,结论,：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电 位参考点时，电路中各点电位将改变，但任意两点 间电压保持不变。,4.,电动势,（,electromotive force,）,外力（非静电力）克服电场力把单位正电荷从负极经电 源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。,e,的单位与电压相同，也是,V,（,伏）,电压,U,AB,表示,A,点到,B,点电位的降低,（,potential drop,）,电动势,e,BA,表示,B,点到,A,点电位的升高,（,potential rise,）,所以,B,A,二、电流、电压的参考方向,（,reference direction,）,实际方向,实际方向,参考方向,：任意选定的一个方向即为电流的参考方向。,i,参考方向,A,B,1.,电流,的参考方向,电流参考方向的两种表示,用箭头表示：箭头的指向为,电流的参考方向。,用双下标表示：如,i,AB,，,电流的参考方向由,A,指向,B,。,i,参考方向,i,参考方向,i,0,i,0,参考方向,U,+,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）,+,i,u,2.,u,，,i,非,关联参考方向,P,吸,=,ui,元件吸收的功率,+,5,I,U,R,U,1,U,2,例,U,1,=10V,，,U,2,=5V,。,分别求电源、电阻的功率。,I,=,U,R,/5=(,U,1,U,2,)/5=(105)/5=1 A,P,R,吸,=,U,R,I,=5,1=5 W,P,U,1,发,=,U,1,I,=10,1=10 W,P,U,2,吸,=,U,2,I,=5,1=5 W,P,发,=10,W,，,P,吸,=5+5=10,W,P,发,=,P,吸,（功率守恒）,返回目录,1.4,电阻元件（,Resistor,）,线性定常电阻元件,：任何时刻端电压与其电流成正比的电,阻元件。,一、符号,1.,电压与电流的参考方向设定为关联的方向,R,i,u,+,R,二、,欧姆定律（,Ohms Law,）,u,Ri,R,称为电阻,（,resistance,）,电阻的单位名称：欧（姆）符号：,（,Ohm,，,欧姆；,1787,1854,，,Germany,）,伏安特性曲线是过原点的直线,R,tan,线性电阻,R,是一个与电压和电流无关的常数。,令,G,1/,R,G,称为电导,则 欧姆定律表示为,i,G u,电导的单位名称：西（门子）符号：,S,u,i,0,2.,电阻的电压和电流为非关联参考方向,R,i,u,+,则欧姆定律写为,u,Ri,或,i,Gu,公式必须和参考方向配套使用！,三、功率和能量,R,i,u,+,R,i,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p,吸,ui,（,Ri,）,i,i,2,R,u,（,u/R,）,u,2,/R,p,吸,ui,i,2,R,u,2,/R,1.,功率,u,+,2.,能量,从,t,0,到,t,时刻,电阻消耗的能量,返回目录,1.5,电源元件（,Independent Source,）,一、理想电压源,（,ideal voltage source,）,1.,特点：,（,a,）,电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,（,b,）,通过它的电流由外电路决定。,电路符号,u,S,2.,伏安特性,（,1,）若,u,S,=,U,S,，,即直流电源，则其伏安特性为平行于 电流轴的直线，反映电压与电源中的电流无关。,u,S,+,_,i,u,+,_,U,S,u,i,0,（,2,）若,u,S,为变化的电源，则某一时刻的伏安特性为平行于电流轴的直线,。,（,3,）电压为零的电压源，伏安曲线与,i,轴重合，相当于,短路状态,。,3.,理想电压源的开路（,open circuit,）,与短路（,short-circuit,）,u,S,+,_,i,u,+,_,R,（,1,）,开路：,R,，,i,=0,，,u,=,u,S,。,（,2,）,理想电压源不允许短路（此时电路模型（,circuit model,）,不再存在）。,U,S,+,_,i,u,+,_,r,U,S,u,i,0,u,=,U,S,r i,实际电压源,（,physical source,）,二,、,理想电流源（,ideal current source,）,1.,特点：,（,a,）,电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,（,b,）,电源两端电压,由外电路决定。,电路符号,i,S,U,I,R,1A,例,2.,伏安特性,（,1,）若,i,S,=,I,S,，,即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。,I,S,u,i,0,i,S,i,u,+,_,（,2,）若,i,S,为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行于电压轴的直线,（,3,）,电流为零的电流源，伏安特性曲线与,u,轴重合，相当于开路状态。,3.,理想电流源的短路与开路,R,（,2,）,理想电流源不允许开路（此时电路模型不再存在）。,（,1,）,短路：,R,=0,，,i,=,i,S,，,u=,0,，,电流源被短路。,i,S,i,u,+,_,4.,实际电流源的产生,可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，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。,5.,功率,i,S,i,u,+,_,i,S,i,u,+,_,p,发,=,ui,S,p,吸,=,ui,S,p,吸,=,ui,S,p,发,=,ui,S,返回目录,一、几个名词,1.,支路,(,branch,),：,电路中通过同一电流的每个分支。,2.,节点,（,node,）,:,三条或三条以上支路的连接点称为节点。,4.,回路,（,loop,）：,由支路组成的闭合路径。,b,=3,3.,路径,（,path,）：,两节点间的一条通路。路径由支路构成。,5.,网孔,（,mesh,）：,对,平面电路,，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。,1,2,3,a,b,+,_,R,1,u,S1,+,_,u,S2,R,2,R,3,l,=3,n,=2,1,2,3,1.6,基尔霍夫定律,(Kirchhoffs Laws),（,Kirchhoff,，,基尔霍夫；,1824,1887,，,Germany,）,物理基础：电荷（,electric charge,）,守恒，电流连续性。,i,1,i,4,i,2,i,3,令电流流出为,“,+,”,i,1,+i,2,i,3,+i,4,=,0,i,1,+i,3,=i,2,+i,4,7A,4A,i,1,10A,-,12A,i,2,i,1,+,i,2,10(12)=0 ,i,2,=,1A,例,47,i,1,=,0 ,i,1,=,3A,二、基尔霍夫电流定律（,KCL,）,在任何,集总参数（,lumped parameter,）,电路中，在任一时刻，流出（流入）任一节点的各支路电流的代数和为零。即,KCL,的推广,A,B,i=,0,A,B,i,i,A,B,i,3,i,2,i,1,两条支路电流大小相等，,一个流入，一个流出。,只有一条支路相连，则,i=,0,。,选定一个绕行方向：顺时针或逆时针。,R,1,I,1,U,S1,+R,2,I,2,R,3,I,3,+R,4,I,4,+U,S4,=,0,R,1,I,1,+R,2,I,2,R,3,I,3,+R,4,I,4,=U,S1,U,S4,例,取顺时针方向绕行：,电阻压降,电源压升,-,U,1,-,U,S1,+U,2,+,U,3,+,U,4,+,U,S4,=0,-,U,1,+U,2,+,U,3,+,U,4,=,U,S1,-,U,S4,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,+,-,+,-,+,-,+,-,三、基尔霍夫电压定律（,KVL,）,在任何,集总参数（,lumped parameter,）,电路中，在任一时刻，,沿任一闭合