第1章-电路模型和电路定律

绪论一、课程定位二、电路理论及相关科学技术的发展简史三、电路理论的应用四、电路理论和“电路”课程

电路数字电子技术信号与系统模拟电子技术课程的主要内容一、电阻性电路分析

Chapter1~5二、动态电路分析

Chapter6、7、11、14、16三、正弦稳态电路分析

Chapter8~10、12、13本课程的学习要求掌握基本概念、基本定理、基本分析方法。培养独立分析、解决问题的能力。培养严谨、科学的作风和治学态度。如何学好本课程？抓住三个主要环节处理好四个基本关系

课前预习课堂听课课后复习听课与笔记作业与复习自学与互学理论与实践掌握理论知识，大量演算习题把握电路规律，注意知识内在联系思考，讨论，实验，交流完成课程总结保持良好的课堂秩序认真完成课后作业积极完成实验教学内容知识点小节分析方法小节学习体会第1章电路模型和电路定律(CircuitModelsandLaws)电路和电路模型1.1电阻元件1.5电流和电压的参考方向1.2电压源和电流源1.6电功率和能量1.3受控电源1.7电路元件1.4基尔霍夫定律1.8本章重点1.电压、电流的参考方向4.基尔霍夫定律：KCL、KVL

重点：3.电阻元件和电源元件的特性拓扑约束2.功率计算、功率的吸收和释放元件约束（VCR）难点§1-1电路和电路模型1.实际电路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。1.实际电路功能a能量转换：实现电能的传输、分配与转换；b信号处理：实现电信号的传递、控制与处理。a借助于电压、电流来完成；b建立在同一电路理论基础上。共性组成电源（source）负载（load）电源:激励源(激励)电压、电流:响应、输入、输出例：电池、发电机例：日光灯电力系统发电机升压变压器降压变压器电动机、电炉等输电线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.电路模型理想电路元件具有严格数学定义，用来模拟某一电磁现象的元件。电路模型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：表示将其它形式的能量转变成电能的元件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电路模型表示；2、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干电池

Battery灯泡Lamp开关Switch导线Line负载Load电源Source电路图+_§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、磁通、磁通链、能量、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。电压电流电荷磁通磁通链能量功率UIQΦΨWPuiqφψwp单位1kA=103A1mA=10-3A1

A=10-6AA(安培)、kA、mA、

A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1.电流的参考方向元件(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。方向规定正电荷的运动方向为电流的实际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>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：i

参考方向ABi

参考方向AB电流的参考方向重点电流(代数量)

大小方向(正负）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。i

参考方向ABiABAB电压单位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做功的大小。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。

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+实际方向–+实际方向–重点电压的参考方向与实际方向的关系：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如果指定流过元件的电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称之为关联参考方向。反之，当两者不一致时，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难点习惯：负载取关联参考方向、电源取非关联参考方向例1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。＋－uBAi分析电路前必须指定电压和电流的参考方向，这样电压和电流的正或负值才有意义；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；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；以后的分析中习惯上负载取关联参考方向、电源取非关联参考方向。小结1.3电功率和能量1.电功率单位：W(瓦)(Watt，瓦特)单位时间内电场力所做的功。(PowerandEnergy)2.能量单位：J(焦)(Joule，焦耳)在t0到t的时间内，元件吸收的能量为P>0，W>0

元件确实吸收功率和能量P<0，W<0元件实际释放电能或发出功率3.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

u,i取非关联参考方向+-iu+-iu难点(实际发出)(实际吸收)例已知：U1=1V，U2=-3V，U3=8V，U4=-4V，U5=7V，U6=-3V，I1=2A，I2=1A，I3=-1A。求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－解：对一完整的电路，满足：发出的功率＝吸收的功率(发出)(发出)(发出)(吸收)(发出)(吸收)（CircuitElements）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：表示将其它形式的能量转变成电能的元件。§1-4电路元件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（或元件特性）。集总参数元件：在任何时刻,流入二端元件的一个端子的电流等于从另一个端子流出的电流，且端子间的电压为电流的单值函数。假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。分布参数电路：元件尺寸与工作时电磁波的波长可以比拟的电路。集总参数电路：由集总元件构成的电路，且元件尺寸远小于工作时电磁波的波长。2.电路元件分类①线性元件非线性元件②二端元件多端元件③时不变元件时变元件④无源元件有源元件：表征元件特性的代数关系是一个线性关系。：表征元件特性的代数关系是一个非线性关系。：具有两个引出端。：具有两个以上引出端。：元件参数与时间无关。：元件参数随时间变化。：不依靠外加电源（直流或交流）的存在就能独立表现出其外特性的器件。P(t)>0W(t)>0：必须靠外界的电源供电才能表现出其外特性的器件。P(t)<0W(t)<0（Resistor）电路符号1.线性电阻元件u~i

关系u、i取关联参考方向时，满足欧姆定律Rui+－R称为电阻，单位：

(Ohm)

参数G称为电导，单位：S(Siemens)

G=1/R

§1-5电阻元件如果电阻上的电压与电流参考方向取非关联参考方向，则公式中应冠以负号。则欧姆定律写为u–Rii–Gu公式和参考方向必须配套使用！Rui-+注意2.伏安特性iu0aθUI(1:mu)(1:mi)iu0iu03.电阻的开路与短路短路开路Riu+–Riu+–i11`Riu+–11`iu+–4.功率和能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。p

ui

-Ri2

-u2/R-Gu2-i2/Gp

ui

Ri2

u2/R

Gu2

i2/G功率Rui-+Rui+-从t0

到t电阻消耗的能量：能量5.其它非线性电阻元件或时变电阻元件或负电阻元件：电阻元件的伏安特性曲线位于2、4象限。实际电阻器

§1-6电压源和电流源1.电压源重点电路符号伏安关系ui0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。+_us(Us)i+_Su+_u外电路12us(t1)ui0Us发出功率

(VoltageSourceandCurrentSource)R恒压不恒流（端电压u与i无关，电流i由外电路确定）特点外电路电压源开路不允许例i+_Su电压源短路例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-+2.电流源电路符号伏安关系ui0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。is(t1)ui0Is(发出)+_isui+_u外电路is功率特点恒流不恒压（电流i与u无关，端电压u由外电路确定）R外电路电流源开路不允许电流源短路i+_uis3.正弦电压源（正弦电流源）例：例计算图示电路各元件的功率。解发出吸收满足：P（发）＝P（吸）u2Ai+_5V-+4.实际电源锌-锰干电池(1)干电池和钮扣电池（化学电源）锌-锰干电池电动势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。水银钮扣电池水银钮扣电池用固体化学材料，化学反应也不可逆。蓄电池示意图(2)蓄电池（化学电源）电池电动势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，常要充电，化学反应可逆。(3)太阳能电池（光能电源）一块硅太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到P-N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。硅太阳能电池示意图太阳能电池板直流稳压源变频器频率计函数发生器§1-7受控电源(ControlledSource)2.电路符号+–受控电压源1.定义受控电流源输出的电压或电流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。

IbIc三极管3.分类g:转移电导电压控制电流源(VCCS)电压控制电压源(VCVS)

:电压放大倍数

四端元件输出：受控部分输入：控制部分gu1_u1+i2

u1+_u2_u1++_重点电流控制电流源(CCCS)

:电流放大倍数电流控制电压源(CCVS

)r:转移电阻b

i1i2i1ri1+_u2i1+_4.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，与电路中其它电压、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，是实际电路电能或电信号的“源泉”；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，在电路中不能起“激励”作用，不能独立向外电路提供能量。例+_u15Ω+_u2Ωgu1iiS图中iS=2A，VCCS的控制系数g=2S，求u。解:u1=5

iS=10Vu=2gu1=40V例求图中电压u2。解:u1=6V5i1+_u2_i1++-3§1-8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。重点（Kirchhoff’sLaws）

1.几个名词支路的连接点称为结点。支路电路中每一个两端元件就叫一条支路。结点236145①③④②由支路组成的闭合路径。回路(branch)(node)(loop)2.基尔霍夫电流定律

(KCL)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。根据电流的参考方向，若流出结点的电流前面取“+”号，则流入结点的电流前面取“-”号。重点例①③④②⑤⑥i1i3i2i7i8i5i4i6对结点①应用KCL有也可写为:S对结点②对结点③对闭合面S

通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于零；或者说，流出闭合面的电流总是等于流入同一闭合面的电流。

任意时刻，流出任一结点的支路电流等于流入该结点的支路电流。掌握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；KCL是对结点处支路电流加的约束，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；KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。小结例求电流i?解:3.基尔霍夫电压定律

(KVL) 在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。在指定一个回路的绕行方向后，凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者，该电压前面取“+”号，支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者，前面取“-”号。重点例对指定回路应用KCL有也可写为:236145①③④②-+u4+-u1+-u5-u3++