第一章电路模型和电路定律演示文稿

第一章电路模型和电路定律演示文稿当前第1页\共有114页\编于星期六\14点优选第一章电路模型和电路定律当前第2页\共有114页\编于星期六\14点1-1电路和电路模型1.实际电路功能(a)

能量的传输、分配与转换；(b)

信息的传递、控制与处理。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。共性当前第3页\共有114页\编于星期六\14点

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.电路模型导线电池开关白炽灯电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件。电路模型当前第4页\共有114页\编于星期六\14点5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。电压源和电流源：表示将其他形式的能量转变成电能的元件。5种基本理想电路元件有三个特征：

（a）只有两个端子；

（b）可以用电压或电流按数学方式描述；（c）不能被分解为其他元件。注意当前第5页\共有114页\编于星期六\14点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电路模型表示。同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。例电感线圈的电路模型注意当前第6页\共有114页\编于星期六\14点1-2电流和电压的参考方向

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当前第7页\共有114页\编于星期六\14点方向

规定正电荷的运动方向为电流的实际方向单位1kA=103A1mA=10-3A1A=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AB实际方向AB

对于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。问题当前第8页\共有114页\编于星期六\14点参考方向

大小方向(正负）电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。i>0i<0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：表明i

参考方向ABi

参考方向ABi

参考方向AB当前第9页\共有114页\编于星期六\14点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。iABABi

参考方向AB当前第10页\共有114页\编于星期六\14点电压u

单位2.电压的参考方向单位正电荷q

从电路中一点移至另一点时电场力作功（W）的大小。

电位

单位正电荷q

从电路中一点移至参考点（＝0）时电场力作功的大小。

实际电压方向

电位真正降低的方向。V(伏[特])、kV、mV、V当前第11页\共有114页\编于星期六\14点例1-1已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力作功8J，由b点移动到c点电场力作功为12J，若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压uab、ubc;若以c点为参考点，再求以上各值。解(1)acb当前第12页\共有114页\编于星期六\14点acb解(2)结论

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唯一确定；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。当前第13页\共有114页\编于星期六\14点在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u>0参考方向u+–参考方向u+–<0u假设高电位指向低电位的方向。问题+实际方向–+实际方向–当前第14页\共有114页\编于星期六\14点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+ABuAB当前第15页\共有114页\编于星期六\14点

元件或支路的u，i

采用相同的参考方向称为关联参考方向。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关联参考方向非关联参考方向当前第16页\共有114页\编于星期六\14点分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。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)，在计算中不得任意改变。例1-2电压、电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压、电流参考方向是否关联？A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。注意＋－uBAi解参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。当前第17页\共有114页\编于星期六\14点1-3电功率和能量1.电功率功率的单位：W(瓦[特])能量的单位：J(焦[耳])单位时间内电场力所作的功。当前第18页\共有114页\编于星期六\14点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+-iu+-iu当前第19页\共有114页\编于星期六\14点例1-3

求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的功率。已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A。564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－当前第20页\共有114页\编于星期六\14点解对一完整的电路，满足：发出的功率＝吸收的功率注意564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－当前第21页\共有114页\编于星期六\14点1-4电路元件是电路中最基本的组成单元。1.电路元件5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。电压源和电流源：表示将其他形式的能量转变成电能的元件。注意

如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。当前第22页\共有114页\编于星期六\14点2.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

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。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流；端子间的电压为确定值。注意当前第23页\共有114页\编于星期六\14点例iiz集总参数电路两线传输线的等效电路。当两线传输线的长度l与电磁波的波长满足：+-当前第24页\共有114页\编于星期六\14点iiz分布参数电路当两线传输线的长度l与电磁波的波长满足：等效电路为：++--++--++--当前第25页\共有114页\编于星期六\14点1-5电阻元件2.线性时不变电阻元件

电路符号R电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可用u-i平面上的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。1.定义伏安特性O当前第26页\共有114页\编于星期六\14点

u-i

关系R

称为电阻，单位：

(欧[姆])满足欧姆定律

单位G

称为电导，单位：S(西[门子])u、i取关联参考方向伏安特性曲线为一条过原点的直线uiORui+－当前第27页\共有114页\编于星期六\14点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。说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。欧姆定律只适用于线性电阻(

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！注意Rui-+当前第28页\共有114页\编于星期六\14点3.功率和能量电阻元件在任何时刻总是吸收功率的。p

ui(–Ri)i–i2R-

u2/Rp

uii2Ru2/R

功率Rui+-表明Rui-+当前第29页\共有114页\编于星期六\14点ui从t0

到t电阻吸收的能量：4.电阻的开路与短路

能量

短路

开路uiRiu+–u+–iOO当前第30页\共有114页\编于星期六\14点实际电阻器当前第31页\共有114页\编于星期六\14点

1-6电压源和电流源电路符号1.理想电压源定义i+_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。当前第32页\共有114页\编于星期六\14点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ui直流电压源的伏安特性曲线例Ri-+外电路电压源不能短路！O当前第33页\共有114页\编于星期六\14点+_iu+_电压源的功率电压、电流参考方向非关联。

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，起电源作用物理意义：+_iu+_电压、电流参考方向关联。物理意义：电场力作功，电源吸收功率。吸收功率，充当负载。当前第34页\共有114页\编于星期六\14点例1-4计算图示电路各元件的功率。解发出吸收吸收满足：P（发）＝P（吸）i+_+_10V5V-+当前第35页\共有114页\编于星期六\14点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u+_

理想电流源的电压、电流关系电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压的方向、大小无关。当前第36页\共有114页\编于星期六\14点电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。ui直流电流源的伏安特性曲线O例Ru-+外电路电流源不能开路！当前第37页\共有114页\编于星期六\14点

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子被激发产生一定值的电流等。实际电流源的产生：

电流源的功率u+_电压、电流的参考方向非关联。发出功率，起电源作用。电压、电流的参考方向关联。u+_吸收功率，充当负载。当前第38页\共有114页\编于星期六\14点例1-5计算图示电路各元件的功率。解发出发出（实际吸收10W）满足：P（发）＝P（吸）u2Ai+_5V-+当前第39页\共有114页\编于星期六\14点实际电源干电池钮扣电池1.干电池和钮扣电池（化学电源）

干电池电动势为1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，化学反应不可逆。

钮扣电池电动势为1.35V，用固体化学材料制成，化学反应不可逆。当前第40页\共有114页\编于星期六\14点

氢氧燃料电池示意图2.燃料电池（化学电源）

燃料电池电动势为1.23V。以氢、氧作为燃料。约40%45%的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。当前第41页\共有114页\编于星期六\14点3.太阳能电池（光能电源）

一块太阳能电池电动势为0.6V。太阳光照射到PN结上，形成一个从N区流向P区的电流。约11%的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。

一个50cm2太阳能电池的电动势为0.6V,电流为0.1A。太阳能电池板当前第42页\共有114页\编于星期六\14点蓄电池示意图4.蓄电池（化学电源）

电池电动势为2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于2V，常需要充电，化学反应可逆。当前第43页\共有114页\编于星期六\14点直流稳压源当前第44页\共有114页\编于星期六\14点发电机组当前第45页\共有114页\编于星期六\14点风力发电当前第46页\共有114页\编于星期六\14点工业风力发电现场当前第47页\共有114页\编于星期六\14点1-7受控电源(非独立源)

电路符号受控电压源1.定义受控电流源

电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某处的电压(或电流)控制的电源，称为受控电源。+–四端元件当前第48页\共有114页\编于星期六\14点电流控制的电流源(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：电压控制电流源、电压控制电压源、电流控制电流源、电流控用电压源。2.分类输出：受控部分输入：控制部分b

i1+_u2i2_u1i1+当前第49页\共有114页\编于星期六\14点g:转移电导

电压控制的电流源(VCCS)电压控制的电压源(VCVS):电压放大倍数

gu1+_u2i2_u1i1+i1u1+_u2i2_u1++_当前第50页\共有114页\编于星期六\14点电流控制的电压源(CCVS)r

:转移电阻

例电路模型ibicibri1+_u2i2_u1i1++_当前第51页\共有114页\编于星期六\14点3.受控源与独立源的比较独立源电压(或电流)由电源本身决定，与电路中其他电压、电流无关，而受控源电压(或电流)由控制量决定。独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源是反映电路中某处的电压或电流对另一处的电压或电流的控制关系，在电路中不能作为“激励”。当前第52页\共有114页\编于星期六\14点例1-6求电压u2。解5i1+_u2_i1++-3u1=6V当前第53页\共有114页\编于星期六\14点1-8-1电容元件电容器在外电源作用下，正、负电极上分别带上等量异号电荷，撤去电源，电极上的电荷仍可长久地聚集下去，是一种储存电能的元件。_+qqU电导体由绝缘材料分开就可以产生电容。注意1-8储能元件当前第54页\共有114页\编于星期六\14点1.定义电容元件储存电能的两端元件。任何时刻其储存的电荷q与其两端的电压

u能用q-u

平面上的一条曲线来描述。库伏特性uqo当前第55页\共有114页\编于星期六\14点任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电压u成正比。q-u

特性曲线是过原点的直线。quo2.线性时不变电容元件电容器的电容当前第56页\共有114页\编于星期六\14点电路符号C＋－u+q-qF(法拉),常用F，pF等表示。单位1F=106

F1F

=106pF当前第57页\共有114页\编于星期六\14点3.电容的电压-电流关系电容元件VCR的微分形式u、i

取关联参考方向C＋－ui当前第58页\共有114页\编于星期六\14点当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。表明C＋－u+q-q某一时刻电容电流i的大小取决于电容电压

u

的变化率，而与该时刻电压

u

的大小无关。电容是动态元件。当前第59页\共有114页\编于星期六\14点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。tuo当前第60页\共有114页\编于星期六\14点某一时刻的电容电压值与-∞到该时刻的所有电流值有关，即电容元件有记忆电流的作用，故称电容元件为记忆元件。表明研究某一初始时刻t0

以后的电容电压，需要知道t0时刻开始作用的电流i

和t0时刻的电压u(t0)。电容元件VCR的积分形式当前第61页\共有114页\编于星期六\14点当电容的u，i

为非关联参考方向时，上述微分和积分表达式前要冠以负号。注意上式中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。当前第62页\共有114页\编于星期六\14点4.电容的功率和储能当电容充电时，p>0,

电容吸收功率。当电容放电时，p<0,电容发出功率。功率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，因此电容元件是储能元件，它本身不消耗能量。u、i取关联参考方向表明当前第63页\共有114页\编于星期六\14点从t0到t

电容储能的变化量为电容的储能0当前第64页\共有114页\编于星期六\14点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。电容储存的能量一定大于或等于零。表明当前第65页\共有114页\编于星期六\14点例1-7求电容电流i、功率p(t)和储能W(t)。21t/s2ouS/V电源波形解uS(t)的函数表示式为＋－C0.5Fi当前第66页\共有114页\编于星期六\14点解得电流21t/s1i/A-1o当前第67页\共有114页\编于星期六\14点21t/s2op/W-2吸收功率发出功率当前第68页\共有114页\编于星期六\14点21t/s1oWC/J21t/s1oWC/J21t/s1oWC/J当前第69页\共有114页\编于星期六\14点21t/s1i/A-1若已知电流求电容电压，有o当前第70页\共有114页\编于星期六\14点实际电容器的模型_q+qiC＋－uiC＋－uGiC＋－uGi当前第71页\共有114页\编于星期六\14点实际电容器当前第72页\共有114页\编于星期六\14点电力电容器当前第73页\共有114页\编于星期六\14点冲击电压发生器当前第74页\共有114页\编于星期六\14点1-8-2

电感元件+－u(t)电感线圈把金属导线绕在一骨架上可构成一实际电感线圈。当电流通过线圈时，将产生磁通，是一种抵抗电流变化、储存磁能的元件。(t)＝N(t)i(t)当前第75页\共有114页\编于星期六\14点1.定义电感元件储存磁能的两端元件。任何时刻，其特性可用-i

平面上的一条曲线来描述。韦安特性iof(,i)=0当前第76页\共有114页\编于星期六\14点任何时刻，通过电感元件的电流i

与其磁链

成正比。-i

特性为过原点的直线。2.线性时不变电感元件io当前第77页\共有114页\编于星期六\14点电路符号H(亨利)，常用H，mH表示。单位电感器的自感1H=103

mH1mH=103H+-u(t)iL当前第78页\共有114页\编于星期六\14点3.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的微分关系根据电磁感应定律与楞次定律+-u(t)iL当前第79页\共有114页\编于星期六\14点电感电压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。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。表明+-u(t)iL当前第80页\共有114页\编于星期六\14点电感元件VCR的积分关系表明某一时刻的电感电流值与-∞到该时刻的所有电压值有关，即电感元件有记忆电压的作用，电感元件也是记忆元件。研究某一初始时刻t0

以后的电感电流，不需要了解t0以前的电流，只需知道t0时刻开始作用的电压u

和t0时刻的电流i(t0)。当前第81页\共有114页\编于星期六\14点注意当电感的u，i

为非关联参考方向时，上述微分和积分表达式前要冠以负号;上式中i(t0)称为电感电压的初始值，它反映电感初始时刻的储能状况，也称为初始状态。当前第82页\共有114页\编于星期六\14点4.电感的功率和储能功率u、i取关联参考方向当电流增大，p>0,

电感吸收功率。当电流减小，p<0,电感发出功率。电感能在一段时间内吸收外部供给的能量并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、储能元件，它本身不消耗能量。表明当前第83页\共有114页\编于星期六\14点从t0到t

电感储能的变化量为电感的储能0当前第84页\共有114页\编于星期六\14点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。电感储存的能量一定大于或等于零。表明当前第85页\共有114页\编于星期六\14点实际电感线圈的模型+-u(t)iLG+-u(t)iLCG+-u(t)iL当前第86页\共有114页\编于星期六\14点贴片型功率电感贴片电感当前第87页\共有114页\编于星期六\14点贴片型空心线圈可调式电感环形线圈立式功率型电感当前第88页\共有114页\编于星期六\14点电抗器当前第89页\共有114页\编于星期六\14点1-8-3

电容、电感元件的串联与并联1.电容的串联u1uC2C1u2+++--i等效电容当前第90页\共有114页\编于星期六\14点iu+-C等效u1uC2C1u2+++--i当前第91页\共有114页\编于星期六\14点串联电容的分压u1uC2C1u2+++--iiu+-C当前第92页\共有114页\编于星期六\14点i2i1u+-C1C2i等效2.电容的并联等效电容iu+-C当前第93页\共有114页\编于星期六\14点并联电容的分流i2i1u+-C1C2iiu+-C当前第94页\共有114页\编于星期六\14点3.电感的串联等效等效电感u1uL2L1u2+++--iiu+-L当前第95页\共有114页\编于星期六\14点串联电感的分压u1uL2L1u2+++--iiu+-L当前第96页\共有114页\编于星期六\14点等效4.电感的并联等效电感iu+-Lu+-L1L2i2i1i当前第97页\共有114页\编于星期六\14点并联电感的分流iu+-Lu+-L1L2i2i1i当前第98页\共有114页\编于星期六\14点注意以上虽然是关于两个电容或两个电感的串联和并联等效，但其结论可以推广到n

个电容或n

个电感的串联和并联等效。当前第99页\共有114页\编于星期六\14点电梯按钮前视图C1电容模型侧视图实例C1C3C2未触摸时触摸时按钮结构当前第100页\共有114页\编于星期六\14点u(t)+-uS(t)+-固定电容C1Cu(t)+-uS(t)+-输出电压：0当前第101页\共有114页\编于星期六\14点C1Cu(t)+-uS(t)+-C2C2输出电压：控制计算机检测到输出电压的下降，导致电梯到达相应楼层。0当前第102页\共有114页\编于星期六\14点1-9基尔霍夫定律

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。当前第103页\共有114页\编于星期六\14点+_R1uS1+_uS2R2R31.几个名词电路中通过同一电流的分支。元件的连接点称为结点。b=3an=4b支路电路中每一个两端元件就称为一条支路。i3i2i1结点b=5或三条以上支路的连接点称为结点。n=2注意

两种定义分别用在不同的场合。当前第104页\共有114页\编于星期六\14点由支路组成的闭合路径。两结点间的一条通路。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=3123路径