电路第一章演示稿.

1、1. 1. 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向4. 4. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 重点重点：第第1 1章章 电路元件和电路定律电路元件和电路定律(circuit elements) (circuit laws) 3. 3. 电路元件特性电路元件特性2. 2. 电功率和能量电功率和能量1.1 电路和电路模型（电路和电路模型（model ) 由理想电路元件及其组合代替实际电路部件而得到的电路由理想电路元件及其组合代替实际电路部件而得到的电路2、 电路模型电路模型1、实际电路、实际电路 由电路部由电路部( (元元) )件和电路器件按预期目的连接构成的电流的通件和电路器件按预期目的连接构成的电

2、流的通路路功能功能a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b 信息的传递与处理。信息的传递与处理。理想电理想电路元件路元件具有某种确定的电磁性质的假想元件具有某种确定的电磁性质的假想元件电阻：表示消耗电能的元件电阻：表示消耗电能的元件电感：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电感：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容：表示产生电场，储存电场能量的元件电容：表示产生电场，储存电场能量的元件电源：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件电源：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件10BASE-T wall plate导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡sRLRsU电路图电路图例例1、手电筒的

3、电路和电路模型、手电筒的电路和电路模型l 具有具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，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；在一定条件下可用同一模型表示；l 同一实际电路部件在不同的应用条件下，其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模型可以有不同的形式注：注：3、集总电路、集总电路 构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路工作时构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长，电路中电磁波的波长，电路中u、i可以是时间的函数，但与空间坐可以是时间的函数，但与空间坐标无关标无关 例：以例：以 f50Hz交流电为例，其相应的电磁波波长

4、：交流电为例，其相应的电磁波波长：KmsKmsfv60005030000011 济南到青岛电力传输线约济南到青岛电力传输线约400Km/15显显然不满足集总参数电路的条件然不满足集总参数电路的条件1.2 电压和电流的参考方向电压和电流的参考方向 (reference direction)tqtqtitddlim)(0def 一一. 电流电流 (current)1. 电流电流实际方向：正电荷移动的方向实际方向：正电荷移动的方向2、电流参考方向、电流参考方向：任意假定的电流的方向：任意假定的电流的方向。i 参考方向参考方向BA0itT/2T问题问题复杂电路或电路中的电流随时复杂电路或电路中的电流随

5、时间变化时，电流的实际方向往间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断往很难事先判断标定参考方向后，电流成为代数量。标定参考方向后，电流成为代数量。电流参考方向的两种表示：电流参考方向的两种表示： 用箭头表示：箭头的指向为用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。电流的参考方向。 用双下标表示：如用双下标表示：如 iAB , 电流的参考方向由电流的参考方向由A指向指向B。电流的参考方向与实际方向的关系：电流的参考方向与实际方向的关系：i 参考方向参考方向i 参考方向参考方向i 0i 0实际方向实际方向实际方向实际方向AABB1. 电压电压 的实际方向：高电位指向低电位的实际方向：高电位指向低电位q

6、WUddABdefAB 二二. 电压电压 (voltage)2. 电压的参考方向电压的参考方向:任意假定的电压方向任意假定的电压方向UAB 0+实际方向实际方向+（参考方向）（参考方向）UAB电压参考方向的三种表示：电压参考方向的三种表示：1）+ - 表示；表示； 2 2）箭头表示；）箭头表示； 3 3）下标表示）下标表示。三、三、 电位电位abcd设设c点为电位参考点，则点为电位参考点，则 c= 0 a= Uac， b=Ubc， d= UdcUab = a- - b注：电位与参考点的选择有关，而电压与参考点无关。注：电位与参考点的选择有关，而电压与参考点无关。3 3、关联参考方向和非关联参考

7、方向关联参考方向和非关联参考方向以后讨论均在参考方向下进行以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。不考虑实际方向。关联关联参考方向参考方向+UI非关联非关联参考方向参考方向U+I1.3 电路元件的功率电路元件的功率 (power)和能量和能量一、一、 电功率和电能电功率和电能uitwpdd功率的单位：功率的单位：瓦瓦（特）（特）（W）能量能量的单位名称：的单位名称：焦焦（耳（耳)符号（符号（J）ttttdiudW00)()(q) t (u)(q)(q二功率的计算二功率的计算1. u, i 取取关联参考方向关联参考方向i+u 发出发出吸收吸收吸吸00uip2. u, i 取非取非关联参考方向

8、关联参考方向 吸吸收收发发出出发发00uipi+u例例 2 按给定的参数方向和表达式，指出按给定的参数方向和表达式，指出u, i的实际方向，并计算的实际方向，并计算元件的功率，注明吸收还是发出。元件的功率，注明吸收还是发出。+AB3cos t10cos t0itT/2TT/4T3/4cost解：解：由余弦曲线可知由余弦曲线可知0tT/4, 3T/4tTu, i 的实际方向的实际方向 ABT/4t0 吸收功率吸收功率例例3图示电路中方框代表电源和电阻参考方向已标出，已知：图示电路中方框代表电源和电阻参考方向已标出，已知：I1=2A, I2=1A, I3= -1AU1=1V, U2= -3V, U

9、3=8V, U4=-4V, U5=7V, U6= -3V164235+U1+U6+U3+U2+U4+U5cbaedI1I3I2+求：求：1. 标出标出U，I 的实际方向的实际方向2. Uab1. 1，2#, 3#元件的功率并注明吸收或发出。元件的功率并注明吸收或发出。解：解：1. 图中标出（红色）图中标出（红色）2. UabUacUcbU1+U2= (1)+(3)= 4V(ab电位升电位升4V，与标出的实际方向一致。注意计算时，与标出的实际方向一致。注意计算时用参考方向。用参考方向。)3. 1 U1, I1非关联非关联 P1=U1I1=12=2W0 发出发出 2 U2, I1关联关联 P2=U

10、2I1= (3) 2= 6 W0 吸收吸收补充作业补充作业：在本例中计算：在本例中计算(1) Ude(7V), Udb(1V), Uce(5V)(2) P4(发发4W), P5(发发7W), P6(发发3W)并验证功率平衡并验证功率平衡164235+U1+U6+U3+U2+U4+U5cbaedI1I3I2+1.4 电路元件电路元件几个概念：几个概念：1、电路元件的分类：、电路元件的分类： 线性和非线性；线性和非线性； 时变和非时变；时变和非时变； 有源和无源、二端有源和无源、二端/三端等三端等3. 时不变元件：时不变元件：元件的参数不随时间变化的元件。元件的参数不随时间变化的元件。4. 时变元

11、件：时变元件：元件的参数按一定规律随时间变化的元件。元件的参数按一定规律随时间变化的元件。如变频器的变频跨导如变频器的变频跨导g。2、线性元件：线性元件：元件某两个参数之间的关系曲线是通过原点元件某两个参数之间的关系曲线是通过原点 的一条直线。的一条直线。1.5 电阻元件电阻元件 (resistor)1. 线性电阻元件线性电阻元件 定义：在定义：在电压与电流取关联参考方向时，其伏安关系服从电压与电流取关联参考方向时，其伏安关系服从 欧姆定律欧姆定律R+uiiuRdef 电路符号：电路符号： 电导电导: : G G 1/ 1/R R 单位名称：西门子单位名称：西门子 (S)R和和G都是电阻元件的

12、参数，是正实常数。都是电阻元件的参数，是正实常数。 ui02. 线性线性电阻的线性电阻的线性 伏安特性为过原点的直线伏安特性为过原点的直线 注意：注意：电流电压为非关联参考方向时欧姆定律：电流电压为非关联参考方向时欧姆定律： u Ri 或或 i GuRi+u功率：功率：p吸吸 ui (R i ) i i 2 R u(u/ R) = u2/ R0R+ui3. 功率和能量功率和能量能量：可用功表示。从能量：可用功表示。从t0 到到 t电阻消耗的能量电阻消耗的能量 ttttRiRpW00dd2说明电阻元件是无源、耗能元件说明电阻元件是无源、耗能元件Riu+4. 开路与短路开路与短路当当 R = (G

13、 = 0 )，视其为开路。，视其为开路。 无论无论u为何值时，为何值时，i = 0。当当 R = 0 (G = )，视其为短路。，视其为短路。 无论无论 i为何值时，为何值时，u = 0。1.线性电容线性电容定义：电荷和电压满足定义：电荷和电压满足q=Cu的的二端元件二端元件。6.1 电容元件电容元件 (capacitor)在电压正（负）极性与极板上储存电在电压正（负）极性与极板上储存电荷荷q（q）极性一致时，有）极性一致时，有Ciu+qq电路符号电路符号单位：单位：F（法），（法）， F，pFuqCdef q =Cu2.电容的线性电容的线性： 库伏（库伏（qu） 特性是一条通过原点的直线特性

14、是一条通过原点的直线qu0 3.线性电容的电压、电流关系线性电容的电压、电流关系电压电流关联参考方向下：电压电流关联参考方向下：tuCtqidddd )(00d1d 1)( tttiCuiCtutttiqtqt00d)( )( 电容是一种动态电容是一种动态元件，也是一种元件，也是一种“记忆记忆”元件元件4. 电容的储能电容的储能tuCuuipdd 吸吸)(21)(2121ddd220)()()(2tqCtCuCuuCuWutuutC 若若)()()(21)(21dddu1212220tWtWtCutCuCuWccttc当电容充电时，当电容充电时，Wc0，元件吸收能量。，元件吸收能量。当电容放电

15、时，当电容放电时，Wc0，元件吸收能量。，元件吸收能量。当电流当电流|i|减小时，减小时，WL0，元件释放其储存的能量。，元件释放其储存的能量。电感元件是一种电感元件是一种储能元件，储能元件，又是一种又是一种无源元件无源元件。(1) u的大小与的大小与 i 的的变化率变化率成正比，与成正比，与 i 的大小无关；的大小无关；(3) 电感元件是一种记忆元件；电感元件是一种记忆元件；(2)电感在直流电路中相当于短路；电感在直流电路中相当于短路；(4) 当当 u，i 为关联方向时，为关联方向时，u=L di / dt； u，i 为为非非关联方向时，关联方向时，u= L di / dt 。小结：小结：

16、1.6 电压源和电流源电压源和电流源 1.1.理想电压源定义：理想电压源定义：2. 特点：特点：(a) 电压源电压源端电压由电源本身决定，与外电路无关；与电源中端电压由电源本身决定，与外电路无关；与电源中通过的电流无关通过的电流无关(b) 电压源中的电流由外电路决定。电压源中的电流由外电路决定。电路符号电路符号uS(c) 电压源的功率是任意的电压源的功率是任意的端电压总保持为给定的时间函数，而与流过它的电流无关的端电压总保持为给定的时间函数，而与流过它的电流无关的二端元件。二端元件。3. 伏安特性伏安特性USui0以直流电压源为例以直流电压源为例注意：注意：一般用大写字母表示直流量、常量。用小

17、写字一般用大写字母表示直流量、常量。用小写字母表示交流量、时变量。母表示交流量、时变量。4. 理想电压源的开路与短路理想电压源的开路与短路(1) 开路开路 i=0， uus(2) 理想电压源不允许理想电压源不允许短路。短路。(3) 零值零值电压源相当于短路。电压源相当于短路。uS+_iu+_5. 功率功率 i , us非关联非关联 p发发= uS i i , uS 关联关联 uS+_iu+_多电源电路中，有些电源也可多电源电路中，有些电源也可吸收吸收能量，相当于能量，相当于“负载负载”p吸吸=uS i1.理想电流源的定义：理想电流源的定义：如果一个二端发出的电流总为给定的时如果一个二端发出的电

18、流总为给定的时间函数，而与它两端的电压无关。间函数，而与它两端的电压无关。2. 特点：特点：(a) 电流源电流由电源本身决定，与外电路无关；与电电流源电流由电源本身决定，与外电路无关；与电流源两端电压无关。流源两端电压无关。(b) 电流源两端电压电流源两端电压是由是由外电路外电路决定。决定。电路符号电路符号iS(c) 电压源的功率是任意的电压源的功率是任意的3. 伏安特性伏安特性iISu+_ISui0以直流电压源为例以直流电压源为例:4. 理想电流源的短路与开路理想电流源的短路与开路(2) 理想电流源不允许开路。理想电流源不允许开路。(1) 短路：短路：i= iS ，u=0 iiSu+_5.

19、实际电流源的产生：实际电流源的产生：(3) 零值电流源相当于开路零值电流源相当于开路 稳流电子设备，如光电池，晶体三极管稳流电子设备，如光电池，晶体三极管6. 功率功率p发发= u isu , iS 非非关联关联 iSu+_p吸吸= u is u , iS 关联关联 iSu解：解：1）没有）没有1电阻时电阻时 PV =11=1W 吸收吸收PI =11=1W 发出发出功率平衡功率平衡 +_1V1 A例：求电源吸收或发出的功率。例：求电源吸收或发出的功率。 1）没有）没有1电阻时电阻时 2）有）有1电阻时电阻时 1V+_1 A1V+_1 1 A+_UI+_1V1 I1 A+_1V1 I1 APV

20、=11=1W 吸收吸收PI =21=2W 发出发出功率平衡功率平衡 PV =12=2W 发出发出PI =11=1W 吸收吸收功率平衡功率平衡 UI =11+1=2VPR =11=1W 吸收吸收I =1/1=1AIV =1+1=2A2）有）有1电阻时电阻时 1V+_1 1 A+_UIPR=12/1=1W 吸收吸收1.7 受控电源受控电源 (非独立源非独立源)(controlled source /dependent source)一一. . 定义定义：电压源电压或电流源电流不是给定函数，而电压源电压或电流源电流不是给定函数，而是受电路中某个支路的电压是受电路中某个支路的电压(或电流或电流)的控制

21、。的控制。电路符号电路符号受控电压源受控电压源+受控电流源受控电流源(1) 电流控制的电流源电流控制的电流源 ( Current Controlled Current Source ) ：电流放大倍数电流放大倍数, 纯数纯数 u1=0 i2= i1二二. 四种类型四种类型+CCCS i1+_u2i2_u1i1+r : 转移电阻转移电阻 u1=0u2=r i1(2) 电流控制的电压源电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source )i2i1CCVSr i1+_u2+_u1+_g: 转移电导转移电导 i1=0i2=gu1(3) 电压控制的电流源电压控制的电

22、流源 ( Voltage Controlled Current Source )VCCS gu1+_u2i2+_u1i1 :电压放大倍数电压放大倍数, 纯数纯数 i1=0u2= u1(4) 电压控制的电压源电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source )VCVS u1+_u2+_u1+_i2i1注意：注意：2) 控制系数（控制系数（, , r, g)为常数时，受控源为线性受控源。为常数时，受控源为线性受控源。1) 受控源是为反映电路中某处的电压、电流控制另一处的电压受控源是为反映电路中某处的电压、电流控制另一处的电压、电流而引入的理想元件。、电流而引

23、入的理想元件。3) 特有的菱形符号和控制系数的量纲。特有的菱形符号和控制系数的量纲。4) 控制量控制量u或或i为零，则受控源为零为零，则受控源为零开路或短路。开路或短路。5) 电路中无独立源时，受控源不能单独对电路起激励作电路中无独立源时，受控源不能单独对电路起激励作 用，这是称其为非独立源的原因。用，这是称其为非独立源的原因。1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )基尔霍夫基尔霍夫电流定律电流定律 (Kirchhoffs Current LawKCL )基尔霍夫基尔霍夫电压定律电压定律(Kirchhoffs Voltage LawKVL )定律发表于定律发表于

24、1845年，德国物理学家基尔霍夫还是个年仅年，德国物理学家基尔霍夫还是个年仅23岁的大学生。岁的大学生。基尔霍夫定律是基尔霍夫定律是集总电路集总电路的基本定律，通常称为的基本定律，通常称为“拓扑拓扑”(支路间的联接关系支路间的联接关系) 约束；另一类约束与支路上元件的类型约束；另一类约束与支路上元件的类型、连接有关，称为、连接有关，称为元件特性元件特性约束，简记约束，简记VCR(Voltage Current Relation)，两类约束共同构成了电路分析的出发点，两类约束共同构成了电路分析的出发点。一一 . 几个名词几个名词b=3l=3n=2_2R2ab+R1uS1+_uS2R3123131

25、、支路、支路 (branch)： 电路中流过同一电流电路中流过同一电流 的每个分支。的每个分支。 (b)2、 结点结点 (node): 支路的连接点称为节点。支路的连接点称为节点。( n )4、 回路回路(loop)：由支路组成的闭合路径由支路组成的闭合路径, 但除起点与终点外，但除起点与终点外， 其余结点只能经过一次。其余结点只能经过一次。( l )3、 路径路径(path)：两节点间的一条通路。路径由支路构。两节点间的一条通路。路径由支路构。有时也定义为：有时也定义为：每个二端元件每个二端元件称为一条支路。称为一条支路。二二. 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律 (KCL)：物理基础物理基础

26、: 电荷守恒，电流连续性。电荷守恒，电流连续性。i1i4i2i3例例i1+ i2 i3+ i4= 0i1+ i3= i2+ i4出出入入即即ii 0)(ti代数和：规定电流参考方向流入代数和：规定电流参考方向流入(出出)为正。为正。内容：内容：在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有流出结点的支路电流的代数和恒等于零。结点的支路电流的代数和恒等于零。上式表明，在任何时刻流出某一结点的支路电流等于流入上式表明，在任何时刻流出某一结点的支路电流等于流入该结点的支路电流。该结点的支路电流。7A4Ai110A- -12Ai2i1+i210(12)=0 i2=1A 47i1= 0 i1= 3A 例例KCL通常用于结点，但对包围多个结点的闭合面也是适用的通常用于结点，但对包围多个结点的闭合面也是适用的KCL的推广：定律也适用于广义结点或闭合面的推广：定律也适用于广义结点或闭合面。ABi只有一条支路相连，则只有一条支路相连，则 i=0。ABii两条支路电流大小相等，两条支路电流大小相等，一个流入，一个流出。一个流入，一个流出。？i3 =i4? A = B?2.AB+_1111113+_2i4i31.1AB+_111