1电路及电路模型

电路基本内容对电路中的电压、电流、电荷、磁通、能量和功率等物理量进行分析，探讨电路的基本定律和定理，并讨论各种计算方法，为电类专业学生建立必要的理论基础。学习方法（1）提高课堂上的学习效率；（2）注重基本概念的理解并灵活运用；（3）多做习题，必须独立完成作业；（4）及时交流和沟通；（5）注重实验环节；（6）访问校园网络学堂电路原理课件电路几点要求（1）按时上课；（2）课堂上认真听讲，重点内容要做笔记；（4）实验要预习并写出预习报告，认真完成实验。（3）认真完成作业，要“抄题”、要“画图”，所用的参数在图上标明变量和方向；（5）期末考试严格依据学生手册上要求的作业完成情况和考勤记录认定考试资格。1.电压、电流的参考方向3.基尔霍夫定律重点第一章电路模型和电路定律2.电路元件特性（CircuitModelandCircuitLaws）下页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；由电工设备和电气元器件按预期目的连接，构成电流的通路。b信息的传递与处理。名词电源：提供电能或电信号的器件也称之为“激励”负载：用电设备。消耗、存储能量响应：各支路的电压和电流下页反映实际电路器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)sRLRsU10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡电路图理想电路元件具有某种确定的电磁性质电路模型具有精确的数学定义。下页上页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（1）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；下页上页（2）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l从一端流入的电流等于另一端流出的电流，下页上页两个端子之间的电压为单值量。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)tqtqtitdefddlim)(0ΔΔΔ电流电流强度带电粒子有规则的定向运动，形成电流单位时间内通过导体横截面的电荷量下页上页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=10-6AA（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AABB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。下页上页参考方向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。i参考方向i参考方向i0i0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系ABABAB下页上页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。iiABABAB下页上页说明：1）电流的参考方向可以任意假定；2）指定参考方向的用意是把电流看成代数量。在指定的电流参考方向下，电流值的正和负就可以反映出电流的实际方向。dqdWUdefV(伏)、kV、mV、V2.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电压的实际方向规定电位真正降低的方向下页上页电压U单位电压的参考方向假定电位降低的方向例已知：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acbVqWaba2480bVqWqWbccbc3412VUbaab202VUcbbc)(330(1)以b点为电位参考点下页上页abc解VqWaca541280cVqWbcb3412VUbaab235VUcbbc303(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点为电位参考点下页上页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U0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–0U假设的电压降方向下页上页ABAB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UU+UAB下页上页ABABAB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+－+－iUU下页上页ABAB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。例ABABi＋－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。下页上页1.3电路元件的功率(Power)1.电功率dtdWPUIdtdqdqdWdtdWP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。dqdWUdtdqI下页上页2.电路吸收或发出功率的判断（1）u,i取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(实际吸收)P0吸收负功率(实际发出)P=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(实际发出)P0发出负功率(实际吸收)（2）u,i取非关联参考方向下页上页+－iuAB+－iuAB吸发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WIUP221111发WIUP62)3(122吸WIUP1628133吸WIUP3)1()3(366吸WIUP7)1(7355吸WIUP41)4(244吸注对一完整的电路，发出的功率＝消耗的功率下页上页564123I1++++++－－－－－U1U2U3U4U5U6－I2I31.4电路元件1.电路元件电路中最基本的组成单元。下页上页电路元件通过其端子与外部连接。元件的特性通过与端子有关的电路物理量描述。每种元件通过端子的两种物理量反映一种确定的电磁性质2.元件特性元件的两个端子的电路物理量之间的代数函数关系称为元件的端子特性，亦称元件特性。电阻元件的元件特性是电压与电流的代数关系ifuifu电容元件的元件特性是电荷与电压的代数关系电感元件的元件特性是磁通链与电流的代数关系3.线性电路元件下页上页如果表征元件特性的代数关系是一个线性关系，则该元件称为线性元件。4.非线性电路元件如果表征元件特性的代数关系是一个非线性关系，则该元件称为非线性元件。本书讨论的都是集总电路1.5电阻元件(Resistor)2.线性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：0),(iufiu任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。1.定义伏安特性下页上页Ru～i关系R称为电阻，单位：(欧)(Ohm，欧姆)满足欧姆定律(Ohm’sLaw)GuRuiiuRui单位G称为电导，单位：S(西)(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Riu下页上页ui+－R(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)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！下页上页ui+－R+－iRRiu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。功率下页上页ui+－Rui+－Ruip吸Ri2uip吸iRi)(Ri2)(GuuGu2Gu2可用功表示。从t0到t时刻电阻消耗的能量：ttttRuidξpdξW00能量Riu+–4.电阻的开路与短路短路00uiGorR000ui0GorRui下页上页线性电阻元件的电流无论为何值时，其两端电压均为零。开（断）路线性电阻元件的端电压无论为何值时，其电流均为零。1.6电源元件(IndependentSource)元件两端电压总能保持定值或是一定的时间函数，其电压值与流出的电流i无关，这样的元件叫做理想电压源。电路符号1.理想电压源定义下页上页iSu+－SU(1)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。(2)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ui)(tuS伏安关系例外电路RuiS)(Ri0)(0Ri电压源不能短路！下页上页Ri－+Su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+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS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。iuPS发发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联iuPS吸吸收功率，充当负载下页上页例5R+_i+_Ru+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解VuR5510)(ARuiR155WRiPR5152吸WiuPS10110V10发WiuPS515V5吸满足：P（发）＝P（吸）下页上页usuiO实际电压源i+_u+_SuSR考虑内阻伏安特性iRuuSS一个好的电压源要求0SR下页上页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。输出电流总能保持定值或一定的时间函数，且电流大小与它的两端电压u无关。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(2)电流源两端的电压由电流源及外电路共同决定。理想电流源的电压、电流关系ui)(tiS伏安关系下页上页u+－Si例外电路)(00Ru)(Ru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被激发产生定值的电流等。SRiu下页上页Ru－+Si电流源的功率（1）电压、电流的参考方向非关联SuiP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SuiP发SuiP吸下页上页u+_Siu+Si－例计算图示电路各元件的功率。解AiS2Vu5WuiPS10522A发WiuPS10)2(55V发满足：P（发）＝P（吸）下页上页+_u+_2A5ViAiiS2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。uiO实际电流源考虑内阻伏安特性SSRuii一个好的电流源要求SR下页上页u+_SiSRiSiSSiR1.7受控电源(非独立源)(ControlledSourceorDependentSource)电压源电压（或电流源电流）的大小和方向不是定值或给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)控制，这类电源称之为受控源。电路符号+–受控电压源1.定义受控电流源下页上页(1)电流控制的电流源(CCC