电路元件和电路定律.ppt

1 电压 电流的参考方向 3 基尔霍夫定律 重点 第1章电路元件和电路定律 circuitelements circuitlaws 2 电路元件特性 1 1电路和电路模型 model 1 实际电路 功能 a能量的传输 分配与转换 b信息的传递与处理 共性 建立在同一电路理论基础上 由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路 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 circuitmodel 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 几种基本的电路元件 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 电源元件 表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件 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 例 3 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 集总条件 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 1 2电流和电压的参考方向 referencedirection 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 1 电流的参考方向 currentreferencedirection 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 方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 单位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A 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 实际方向 A A B B 问题 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 参考方向 i参考方向 任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向 A B i参考方向 i参考方向 i 0 i 0 实际方向 实际方向 电流的参考方向与实际方向的关系 A A B B 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iAB 电流的参考方向由A指向B 电压U 单位 V 伏 kV mV V 2 电压的参考方向 voltagereferencedirection 单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功 W 的大小 电位 单位正电荷q从电路中一点移至参考点 0 时电场力做功的大小 实际电压方向 电位真正降低的方向 例 已知 4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J 由b点移动到c点电场力做功为12J 1 若以b点为参考点 求a b c点的电位和电压Uab Ubc 2 若以c点为参考点 再求以上各值 解 1 以b点为电位参考点 解 2 电路中电位参考点可任意选择 参考点一经选定 电路中各点的电位值就是唯一的 当选择不同的电位参考点时 电路中各点电位值将改变 但任意两点间电压保持不变 结论 以c点为电位参考点 问题 复杂电路或交变电路中 两点间电压的实际方向往往不易判别 给实际电路问题的分析计算带来困难 电压 降 的参考方向 假设的电压降低之方向 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 UAB 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 3 关联参考方向 i i U U 注 1 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向 2 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 3 参考方向不同时 其表达式相差一负号 但实际方向不变 i 例 U 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 1 3电路元件的功率 power 1 电功率 功率的单位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的单位 J 焦 Joule 焦耳 单位时间内电场力所做的功 2 电路吸收或发出功率的判断 u i取关联参考方向 P ui表示元件吸收的功率 P 0吸收正功率 实际吸收 P 0吸收负功率 实际发出 p ui表示元件发出的功率 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 例 求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率 已知 U1 1V U2 3V U3 8V U4 4V U5 7V U6 3VI1 2A I2 1A I3 1A 解 注 对一完整的电路 发出的功率 消耗的功率 1 4电阻元件 resistor 2 线性定常电阻元件 电路符号 电阻元件 对电流呈现阻力的元件 其伏安关系用u i平面的一条曲线来描述 任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件 1 定义 伏安特性 u i关系 R称为电阻 单位 欧 Ohm 欧姆 满足欧姆定律 Ohm sLaw 单位 G称为电导 单位 S 西门子 Siemens 西门子 u i取关联参考方向 伏安特性为一条过原点的直线 2 如电阻上的电压与电流参考方向非关联公式中应冠以负号 注 3 说明线性电阻是无记忆 双向性的元件 欧姆定律 1 只适用于线性电阻 R为常数 则欧姆定律写为 u Rii Gu 公式和参考方向必须配套使用 3 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 ui Ri i i2R u u R u2 R p ui i2R u2 R 功率 可用功表示 从t到t0电阻消耗的能量 4 电阻的开路与短路 能量 短路 开路 1 6电容元件 capacitor 电容器 在外电源作用下 两极板上分别带上等量异号电荷 撤去电源 板上电荷仍可长久地集聚下去 是一种储存电能的部件 1 定义 电容元件 储存电能的元件 其特性可用u q平面上的一条曲线来描述 库伏特性 任何时刻 电容元件极板上的电荷q与电压u成正比 q u特性是过原点的直线 电路符号 2 线性定常电容元件 C称为电容器的电容 单位 F 法 Farad 法拉 常用 F pF等表示 单位 线性电容的电压 电流关系 u i取关联参考方向 电容元件VCR的微分关系 表明 1 i的大小取决于u的变化率 与u的大小无关 电容是动态元件 2 当u为常数 直流 时 i 0 电容相当于开路 电容有隔断直流作用 实际电路中通过电容的电流i为有限值 则电容电压u必定是时间的连续函数 电容元件有记忆电流的作用 故称电容为记忆元件 1 当u i为非关联方向时 上述微分和积分表达式前要冠以负号 2 上式中u t0 称为电容电压的初始值 它反映电容初始时刻的储能状况 也称为初始状态 电容元件VCR的积分关系 表明 注 3 电容的功率和储能 当电容充电 u 0 du dt 0 则i 0 q p 0 电容吸收功率 当电容放电 u 0 du dt 0 则i 0 q p 0 电容发出功率 功率 表明 电容能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为电场能量储存起来 在另一段时间内又把能量释放回电路 因此电容元件是无源元件 是储能元件 它本身不消耗能量 u i取关联参考方向 1 电容的储能只与当时的电压值有关 电容电压不能跃变 反映了储能不能跃变 2 电容储存的能量一定大于或等于零 从t0到t电容储能的变化量 电容的储能 表明 例 求电流i 功率P t 和储能W t 电源波形 解 uS t 的函数表示式为 解得电流 吸收功率 释放功率 若已知电流求电容电压 有 1 5电感元件 inductor 电感器 把金属导线绕在一骨架上构成一实际电感器 当电流通过线圈时 将产生磁通 是一种储存磁能的部件 t N t 1 定义 电感元件 储存磁能的元件 其特性可用 i平面上的一条曲线来描述 韦安特性 任何时刻 通过电感元件的电流i与其磁链 成正比 i特性是过原点的直线 电路符号 2 线性定常电感元件 L称为电感器的自感系数 L的单位 H 亨 Henry 亨利 常用 H mH表示 单位 线性电感的电压 电流关系 u i取关联参考方向 电感元件VCR的微分关系 表明 1 电感电压u的大小取决于i的变化率 与i的大小无关 电感是动态元件 2 当i为常数 直流 时 u 0 电感相当于短路 实际电路中电感的电压u为有限值 则电感电流i不能跃变 必定是时间的连续函数 根据电磁感应定律与楞次定律 电感元件有记忆电压的作用 故称电感为记忆元件 1 当u i为非关联方向时 上述微分和积分表达式前要冠以负号 2 上式中i t0 称为电感电流的初始值 它反映电感初始时刻的储能状况 也称为初始状态 电感元件VCR的积分关系 表明 注 3 电感的功率和储能 当电流增大 i 0 di dt 0 则u 0 p 0 电感吸收功率 当电流减小 i 0 di dt 0 则u 0 p 0 电感发出功率 功率 表明 电感能在一段时间内吸收外部供给的能量转化为磁场能量储存起来 在另一段时间内又把能量释放回电路 因此电感元件是无源元件 是储能元件 它本身不消耗能量 u i取关联参考方向 1 电感的储能只与当时的电流值有关 电感电流不能跃变 反映了储能不能跃变 2 电感储存的能量一定大于或等于零 从t0到t电感储能的变化量 电感的储能 表明 电容元件与电感元件的比较 电容C 电感L 变量 电流i磁链 关系式 电压u电荷q 1 元件方程的形式是相似的 2 若把u i q C L i u互换 可由电容元件的方程得到电感元件的方程 3 C和L称为对偶元件 q等称为对偶元素 显然 R G也是一对对偶元素 I U R U I G U RI I GU 结论 1 7电源元件 independentsource 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 电路符号 1 理想电压源 定义 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 伏安关系 例 外电路 电压源不能短路 电压源的功率 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 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 发出功率 起电源作用 2 电压 电流的参考方向关联 物理意义 吸收功率 充当负载 或 发出负功 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 发出 吸收 满足 P 发 P 吸 实际电压源也不允许短路 因其内阻小 若短路 电流很大 可能烧毁电源 实际电压源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电压源要求 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 1 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 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定 理想电流源的电压 电流关系 伏安关系 例 外电路 电流源不能开路 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 电流源的功率 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 或 发出负功 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 发出 满足 P 发 P 吸 实际电流源也不允许开路 因其内阻大 若开路 电压很高 可能烧毁电源 实际电流源 考虑内阻 伏安特性 一个好的电流源要求 1 8受控电源 非独立源 controlledsourceordependentsource 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 电路符号 受控电压源 1 定义 受控电流源 1 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 g 转移电导 2 电压控制的电流源 VCCS 3 电压控制的电压源 VCVS 电压放大倍数 4 电流控制的电压源 CCVS r 转移电阻 例 电路模型 3 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 激励 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 在电路中不能作为 激励 例 求 电压u2 解 1 9基尔霍夫定律 Kirchhoff sLaws 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 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节点 n b 3 a n 2 b 1 支路 branch 电路中每一个两端元件就叫一条支路 2 节点 node b 5 由支路组成的闭合路径 l 两节点间的一条通路 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 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 2 基尔霍夫电流定律 KCL 令流出为 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 例 三式相加得 表明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 3 KCL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 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 3 基尔霍夫电压定律 KVL 在集总参数电路中 任一时刻 沿任一闭合路径绕行 各支路电压的代数和等于零 1 标定各元件电压参考方向 U2 U3 U4 US4 U1 US1 或 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 例 KVL也适用于电路中任一假想的回路 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 3 KVL方程是按电压参考方向列写 与电压实际方向无关 4 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表明在每一节点上电荷是守恒的 KVL是能量守恒的具体体现 电压与路径无关 4 KCL KVL只适用于集总参数的电路 思考 3 3 解 解 解 解 选择参数可以得到电压和功率放大