电路 第一章 (邱关源)-2013本8讲

1、电路 (Circuit)孙长平临沂大学理学院一一. .本课程的基本任务：本课程的基本任务：1.性质：性质：入门性技术基础课。入门性技术基础课。2.为什么要学习电路？为什么要学习电路？ 电路是电子信息与科学技术、电子信息工程、电气工程等专业的基础，是许多高级课程的先修课程。二二.本课程的学习要求本课程的学习要求掌握基本概念、基本定理、基本分析方法。掌握基本概念、基本定理、基本分析方法。培养独立分析、解决问题的能力。培养独立分析、解决问题的能力。培养严谨、科学的作风和治学态度。培养严谨、科学的作风和治学态度。1.1 1.1 电路和电路模型电路和电路模型 1.2 1.2 电流和电压的参考方向电流和电

2、压的参考方向 1.3 1.3 电功率和能量电功率和能量 1.4 1.4 电路元件电路元件 1.5 1.5 电阻元件电阻元件 1.6 1.6 电压源和电流源电压源和电流源 1.7 1.7 受控电源受控电源 1.8 1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 第第1 1章章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律第第1章章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律l 重点重点：1. 1. 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向3. 3. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律2. 2. 电阻元件和电源元件的特性电阻元件和电源元件的特性1.1 电路和电路模型电路和电路模型一、电路一、电路(circuit):电源电源(sourc

3、e)：提供能量或信号提供能量或信号.负载负载(load)：将电能转化为其它形式的能量，或对将电能转化为其它形式的能量，或对 信号进行处理信号进行处理.导线导线(line)、开关（开关（switch)等：将电源与负载接成通路等：将电源与负载接成通路. 为了某种需要由某些电工设备和元件按一定方式为了某种需要由某些电工设备和元件按一定方式组合起来的电流通路。组合起来的电流通路。二、电路模型二、电路模型 (circuit model)几种基本的电路元件：几种基本的电路元件：电阻元件电阻元件：表示消耗电能的元件。表示消耗电能的元件。电感元件电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用。表示各种电感

4、线圈产生磁场，储存电能的作用。电容元件电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电能的作用。表示各种电容器产生电场，储存电能的作用。电源元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件。 几个概念：几个概念：激励激励电源或信号源的电压或电流，也称为电源或信号源的电压或电流，也称为 输入。输入。响应响应由激励在电路各部分产生的电压和电流，由激励在电路各部分产生的电压和电流， 也称为输出。也称为输出。电路分析电路分析在已知电路结构和元件参数的条件在已知电路结构和元件参数的条件 下，讨论电路的激励和响应间的关系。下，讨论电路的激励和响应间的关系。电路模型电

5、路模型电路模型是由理想电路元件构成的，能反映实际电路电电路模型是由理想电路元件构成的，能反映实际电路电磁性质。磁性质。10BASE-T wall plate导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡例例RRiUSs一、电流一、电流 (current)电流的大小用电流的大小用电流强度电流强度表示。表示。1. 电流电流：带电质点的定向运动形成电流。：带电质点的定向运动形成电流。单位名称：单位名称：安安（培）（培） 符号：符号：A （Ampere）mA A1.2电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向2. 电流的参考方向电流的参考方向例例I1 = 1A10V10 I1I1 = - -1A10V10 I1参考方

6、向参考方向：任意选定的一个方向作为电流的参考方向：任意选定的一个方向作为电流的参考方向。i 参考方向参考方向i0 表示电流的参考方向与实际方向相同表示电流的参考方向与实际方向相同i 0U 0+实际方向实际方向例例U1 = 10V10V10 +U110V10 +U1U1 = 10V(2) 用箭头表示：箭头指向为电压的参考方向用箭头表示：箭头指向为电压的参考方向U(3) 用双下标表示：如用双下标表示：如 UAB , 由由A指向指向B的方向为电压的方向为电压 的参考方向。的参考方向。ABUAB3. 电压参考方向的三种表示方式电压参考方向的三种表示方式+U(1) 用正负极性表示：由正极指向负极的方向为

7、电压用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压 的参考方向的参考方向三、电位三、电位取恒定电场中的任意一点（取恒定电场中的任意一点（O点）点），设该点的电位为，设该点的电位为零零，称称O点为参考点。则电场中一点点为参考点。则电场中一点A到到O点的电压点的电压UAO称为称为A点的电位，记为点的电位，记为 A 。单位单位 V(伏伏)。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一、一、 电功率电功率：单位时间内电场力所做的功。：单位时间内电场力所做的功。功率功率的单位名称：的单位名称：瓦瓦（特）（特） 符号（符号（

8、W）能量能量的单位名称：的单位名称：焦焦（耳（耳)符号（符号（J）1.3 电功率和能量电功率和能量二、功率的计算二、功率的计算2. u, i 取非取非关联参考方向关联参考方向+iu p发发 = u i或写为或写为元件（支路）发出功率元件（支路）发出功率p = u i1. u, i 取取关联参考方向关联参考方向+iu p吸吸 = u i或写为或写为元件（支路）吸收功率元件（支路）吸收功率p = u iP吸吸= UI = 5 (- -1) = - -5 W例例2：U = 5V， I = - - 1A+IU或或 P发发 = - -UI = - -5 (- -1) = 5WP发发= UI = 4 (-

9、 -2) = - -8 W+IU例例3：U = 4V， I = - - 2A或或 P吸吸= - -UI = - -4 (- -2) = 8W 1.4 电路元件电路元件1.电路元件电路元件电路元件是电路中最基本的组成单元。电路元件是电路中最基本的组成单元。 电路元件通过其端子与外部相连接；元件的特性则通过电路元件通过其端子与外部相连接；元件的特性则通过与端子有关的物理量描述。与端子有关的物理量描述。每一种元件反映某种确定的电磁性质。每一种元件反映某种确定的电磁性质。三、集总参数元件与集总参数电路三、集总参数元件与集总参数电路集总参数元件集总参数元件(lumped parameter elemen

10、t) ：每一个每一个具有两个端钮的元件中有确定的电流，端钮间有确具有两个端钮的元件中有确定的电流，端钮间有确定的电压。定的电压。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。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：即满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电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。路工作频率下的电磁波的波长。元件的分类：元件的分类：线性元件线性元件非线性元件非线性元件时变元件时变元件时不变元件时不变元件有源元件有源元件无源元件无源元件二端元件二端元件多端元件多端元件.例例1：已知电

11、磁波的传播速度已知电磁波的传播速度 v=3105 km/s(1) 若电路的工作频率为若电路的工作频率为 f=50 Hz，则则 周期周期 T = 1/f = 1/50 = 0.02 s 波长波长 = 3105 0.02=6000 km一般电路尺寸远小于一般电路尺寸远小于 ，视为，视为集总参数电路集总参数电路。(2) 若电路的工作频率为若电路的工作频率为 f=50 MHz，则则 周期周期 T = 1/f = 0.02 106 s = 0.02 S 波长波长 = 3105 0.02 106 = 6 m此时一般电路尺寸均与此时一般电路尺寸均与 可比，所以电路视为可比，所以电路视为分分布参数电路布参数电

12、路。2. 欧姆定律欧姆定律 (Ohms Law)(1) 电压与电流取关联参考方向电压与电流取关联参考方向u R i电阻电阻R单位名称：欧单位名称：欧(姆姆) 符号符号: k R+ui1. 符号符号R1.5 电阻电阻(resistor)元件元件 线性电阻线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。是一个与电压和电流无关的常数。 R tg 线性线性电阻元件的伏安特性为电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线一条过原点的直线 ui0令令 G 1/RG称为电导称为电导则则 欧姆定律表示为欧姆定律表示为 i G u单位名称：西单位名称：西(门子门子) 符号符号: S (Siemens)G+ui(2) 电阻的电压

13、和电流的参考方向相反电阻的电压和电流的参考方向相反R (G)+ui则欧姆定律写为则欧姆定律写为u Ri i Gu3. 功率和能量功率和能量p吸吸 ui (R i ) i i 2 R u(u/ R) = u2/ Rp吸吸 ui i 2R u2 / R功率：功率：R+uiR+ui能量：能量：可用功表示。从可用功表示。从t0 到到 t电阻消耗的能量电阻消耗的能量 ttttRiupW00dd Riu+4. 开路与短路开路与短路当当 R = (G = 0)，视其为开路。视其为开路。i = 0 , u由外电路决定由外电路决定ui0开路开路当当 R = 0 (G = )，视其为短路。视其为短路。u = 0

14、, i由外电路决定由外电路决定 ui0短路短路一、理想电压源一、理想电压源电压电压 U由由a点到点到b点的电压点的电压降低降低U= a- b电动势电动势E由由b点到点到a点经电源内部的电压点经电源内部的电压升高升高E= a- b参考方向参考方向电压电压：极到极的：极到极的降低降低电动势电动势：极到极的：极到极的升高升高电路符号电路符号abU(E)U(E)ab1.6 电压源和电流源电压源和电流源1. 特点：特点：(a) 端电压确定不变。由电源本身决定，与外电路无关；端电压确定不变。由电源本身决定，与外电路无关；(b) 通过它的电流是任意的，由外电路决定。通过它的电流是任意的，由外电路决定。IR5

15、V5VuS2. 伏安特性伏安特性(1) 若若uS = US ，即直流电源。则其伏安特性为平行于即直流电源。则其伏安特性为平行于电流轴的直线。电流轴的直线。 (2) 若若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行于电流轴的直线。于电流轴的直线。 uS+_iu+_USui0(3) 电压为零的电压源，伏安曲线与电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合，相当于轴重合，相当于 短路状态短路状态。3. 理想电压源的开路与短路理想电压源的开路与短路uS+_i(1) 开路开路 i=0(2) 短路短路 理想电压源不允许短路理想电压源不允许短路(此时理此时理想电压源模

16、型不存在想电压源模型不存在)。4. 功率功率i , us非关联非关联p发发= uS i p吸吸= - - uSiuS+_ii , uS 关联关联 p吸吸=uSi p发发= uSiuS+_i二二、理想电流源理想电流源1. 特点特点：(a) 电源电流确定不变由电源本身决定的，与外电路无关；电源电流确定不变由电源本身决定的，与外电路无关；电路符号电路符号iS(b) 电流源两端电压电流源两端电压是由外电路决定。是由外电路决定。VUAIR1,1,1 VUAIR10,1,10 UIR1AU2. 伏安特性伏安特性(1) 若若iS= IS ，即直流电源。则其伏安特性曲线为平行于即直流电源。则其伏安特性曲线为平

17、行于电压轴的直线，反映电流与电压轴的直线，反映电流与 端电压无关。端电压无关。 (2) 若若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行于电压轴的直线行于电压轴的直线 ISui0iSiu+_(3) 电流为零的电流源，伏安特性曲线与电流为零的电流源，伏安特性曲线与 u 轴重合，轴重合，相当于开路状态。相当于开路状态。3. 理想电流源的短路与开路理想电流源的短路与开路(2) 开路：理想电流源不允许开路。开路：理想电流源不允许开路。(1) 短路：短路：i= iS ，u=0iSiu+_4. 功率功率p吸吸= uis p发发= uisiSu+_u , iS 关联

18、关联 p发发= u is p吸吸= uisiSu+_u , iS 非非关联关联 一、定义一、定义 电压源电压或电流源电流不是给定函数，而是受电路电压源电压或电流源电流不是给定函数，而是受电路某个支路的电压某个支路的电压(或电流或电流)的控制。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1.7 受控电源受控电源 (非独立源非独立源)(controlled source or dependent source)控制部分控制部分受控部分受控部分ibb b ibic=b b ib例例RcibRbic电流控制的电流源电流控制的电流源(1) 电流控制的电流源电流控制的电流源 ( Cu

19、rrent Controlled Current Source )二、四种类型二、四种类型(2) 电流控制的电压源电流控制的电压源 ( Current Controlled Voltage Source )b b : : 电流放大倍数电流放大倍数 u1=0 i2=b b i1CCCSb b i1+_u2i2+_u1i1r : 转移电阻转移电阻 u1=0u2=r i1i2i1CCVSr i1+_u2+_u1+_(3) 电压控制的电流源电压控制的电流源 ( Voltage Controlled Current Source )(4) 电压控制的电压源电压控制的电压源 ( Voltage Controlled Voltage Source )g: 转移电导转移电导 i1=0i2=gu1VCCSgu1+_u2i2+_u1i1 :电压放大倍数电压放大倍数 i1=0u2= u1VCVS u1+_u2+_u1+_i2i1CCCSb b i1+_u2i2+_u1