电路模型和电路定律课件

电 路,1.电压、电流的参考方向,4.基尔霍夫定律,重点：,第1章 电路模型和电路定律,3.电路元件特性,2.电功率、能量,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 电阻元件,1.5 电容元件,1.6 电感元件,1.7 电压源和电流源,1.8 受控电源,1.9 基尔霍夫定律,1.1,电路和电路模型,一,、,电路,：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。,电路主要由电源,、,负载,、,连接导线及开关等构成,。,电源,(,source)：,提供能量或信号的发生器,。,负载,(,load)：,将电能转化为其它形式能量的用电设备,，,或对信号进行处理的设备,。,导线(,line),、开关（,switch)：,将电源与负载接成通路装置,.,低频信号发生器的内部结构,手电筒电路,2.,理想电路元件,：,根据实际电路元件所具备的电磁性质来设想的具有某种单一电磁性质的元件,，,其,u,，,i,关系可用简单的数学式子严格表示,。,几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,：,表示各种电感线圈产生磁场,，,储存磁场能的元件,。,电容元件,：,表示各种电容器产生电场,，,储存电场能的元件,。,电源元件,：,表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件,。,常用电路图来表示电路模型,(a),实际电路,(b),电原理图,(c),电路模型,(d),拓扑结构图,晶体管放大电路,(a),实际电路,(b),电原理图,(c),电路模型,(d),拓扑结构图,三,、,集总参数元件与集总参数电路,集总参数元件,：,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个端子流出的电流,，,两个端钮之间的电压为单值量,。,集总参数电路,：,由集总参数元件构成的电路,。,一个实际电路要能用集总参数电路近似,，,要满足如下条件,：,即,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,。,一、电路中的主要物理量,主要有电压、电流、电荷、磁链。在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。另外，电功率和电能量也是重要的物理量。,1.,电流,(,current,)：,带电质点的运动形成电流。,电流的大小用,电流强度,表示：单位时间内通过导体截面的电量。,单位：,A(,安,)(,Ampere，,安培),1.2,电流和电压的参考方向,当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。,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,10,12,10,9,10,6,10,3,10,2,10,3,10,6,10,9,10,12,3.,电位,：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。,参考点的电位一般选为,零,，所以，参考点也称为零电位点。,电位用,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：,a,b,c,d,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之差。,例,2,.,a,b,c,1.5,V,1.5,V,已知,U,ab,=1.5 V，,U,bc,=1.5 V。,求,a,；,b,；,c,；,U,ac,(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时，电路中各点电位均不同，但任意两点间电压保持不变,。,4.,电动势,(,eletromotive force,)：,局外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),根据能量守恒：,U,AB,=,e,BA,。,电压表示电位降，电动势表示电位升，即从,A,到,B,的电压，数值上等于从,B,到,A,的电动势。,*,电场力把单位正电荷从,A,移到,B,所做的功(,U,AB,)，,与外力克服电场力把相同的单位正电荷从,B,经电源内部移向,A,所做的功(,e,BA,),是相同的，所以,U,AB,=,e,BA,。,B,A,二、电流、电压的参考方向(,reference direction,),1.,电流的参考方向,元件(导线)中电流流动的实际方向有两种可能:,参考方向,：任意选定一个方向即为电流的参考方向。,大小,方向,电流,i,为代数量，具有,实际方向,i,实际方向,i,i,参考方向,B,A,为什么要引入参考方向？,(,b),实际电路中有些电流是交变的，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。,(,a),有些复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。,2.电压(降)的参考方向,U,0,0,表示元件,吸收,的功率；,p,0,时，元件确实吸收功率；当,p0,吸收正功率 (吸收),P,0,发出正功率 (发出),P,0,发出负功率 (吸收),+,i,u,2.,u,i,非,关联参考方向,上述功率计算不仅适用于元件，也使用于任意二端网络。,电阻元件在电路中总是消耗(吸收)功率，而电源在电路中可能吸收，也可能发出功率。,+,5,I,U,R,U,1,U,2,例,3,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),注意各元件上电压、,电流的参考方向。,例,4,在图示电路中，已知,U,1,=1V,U,2,=,6V,U,3,=,4V,U,4,=5V,U,5,=,10V,I,1,=1A,I,2,=,3A,I,3,=4A,I,4,=,1A,I,5,=,3A,。试求：,(1),各二端元件吸收的功率；,(2),整个电路吸收的功率。,U,1,=1V,U,2,=,6V,U,3,=,4V,U,4,=5V,U,5,=,10V,I,1,=1A,I,2,=,3A,I,3,=4A,I,4,=,1A,I,5,=,3A,。,整个电路吸收的功率为,解：各二端元件吸收的功率为,思考与练习,图,1,图,2,1,、,为什么在分析电路时，必须规定电流的参考方向和电压的参考极性？参考方向与实际方向有什么关系？,2,、,你能确定图,1,电路中电压,U,ab,的实际极性吗？为什么？,3,、,求图,2,各二端元件的吸收功率。,1.4,电阻元件,(a),二端元件,(b),三端元件,(c),四端元件,集总参数电路,(,模型,),由电路元件连接而成。电路元件是为建立实际电气器件的模型而提出的一种理想元件，它们都有精确的定义。按电路元件与外电路连接端点的数目，电路元件可分为二端元件,、,三端元件,、,四端元件等。本节先介绍一种常用的二端电阻元件。,在物理学中遵从欧姆定律的电阻，是一种最常用的线性电阻元件,(,简称电阻,),。随着电子技术发展和电路分析的需要，有必要将线性电阻的概念加以扩展，提出电阻元件的一般定义。,如果一个二端元件在任一时刻的电压,u,与其电流,i,的关系，由,u,-,i,平面上一条曲线确定，则此二端元件称为二端电阻元件，其数学表达式为,这条曲线称为电阻的特性曲线。它表明了电阻电压与电流间的约束关系,(Voltage Current Relationship,，简称为,VCR),。,电阻的分类：,1.,线性电阻与非线性电阻,：其特性曲线为通过坐标原点直线的电阻，称为线性电阻；否则称为非线性电阻。,2.,时变电阻与时不变电阻,：其特性曲线随时间变化的电阻，称为时变电阻；否则称为时不变电阻或定常电阻。,a),线性时不变电阻,b),线性时变电阻,c),非线性时不变电阻,d),非线性时变电阻,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。,1.,符号,(1)电阻上的电压与电流的参考方向选为一致时：,R,R,i,u,+,2.,欧姆定律(,Ohms Law,),线性定常电阻元件服从欧姆定律，即有：,u=R i,(1-3),伏安特性曲线:,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,上式(1-3)中,R,称为电阻，,R,是一个正实常数。,则式(1-3)欧姆定律 又可表示为,i,G u,电阻的单位：,(欧),(,Ohm,，,欧姆),电导的单位,：,S,(,西),(,Siemens,，,西门子),u,i,O,(1-4),式(1-4)中,G,称为电阻元件的电导。,R,和,G,都是电阻元件的参数。,(2)电阻上的电压和电流的参考方向相反时：,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！,R,i,u,+,3.电阻元件的功率和能量,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,R,i,u,+,R,i,u,+,p,吸,ui,i,2,R,u,2,/R=u,2,G,功率：,能量：可用功率表示。从,t,0,到,t,电阻消耗的能量：,R,i,u,+,4.开路与短路,对于一电阻,R,：,当,R,=0，,视其为短路。,i,为有限值时，,u,=0。,当,R=,，,视其为开路。,u,为有限值时，,i,=0。,*理想导线的电阻值为零。,电阻元件一般把吸收的电能转换热能消耗掉。,o,u,短路,i,0,开路,u,i,常用的各种二端电阻器件,电阻器,晶体二极管,实验表明：,在低频工作条件下，晶体二极管的电压电流关系是,ui,平面上通过坐标原点的一条曲线。,用晶体管特性图示器测量晶体二极管的电压电流关系。,实验表明：,在低频工作条件下，电阻器的电压电流关系是,ui,平面上通过坐标原点的一条直线。,用晶体管特性图示器测量二端电阻器的电压电流关系。,在电子设备中使用的碳膜电位器、实心电位器和线绕电位器是一种三端电阻器件，它有一个滑动接触端和两个固定端,图,(a),。在直流和低频工作时，电位器可用两个可变电阻串联来模拟,图,(b),。电位器的滑动端和任一固定端间的电阻值，可以从零到标称值间连续变化，可作为可变电阻器使用。,