工学电路教案-电路模型和电路定理.doc

重点：1. 电压、电流的参考方向2. 电阻元件和电源元件的特性3. 基尔霍夫定律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。功能：a 能量的传输、分配与转换；b 信息的传递、控制与处理。共性：建立在同一电路理论基础上。2. 电路模型电路模型：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。理想电路元件：有某种确定的电磁性能的理想元件。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。注意：1. 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。2. 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；3. 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。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：带电粒子有规则的定向运动电流强度：单位时间内通过导体横截面的电荷量。单位：A（安培）、kA、mA、mA。方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能: 与假设方向相同、与假设方向相反。（作图示意）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。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。表明（将电流量看成）：电流(代数量)，大小、方向(正负）电流参考方向的两种表示：l 用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。l 用双下标表示：如 iAB , 电流的参考方向由A指向B。2. 电压的参考方向电位j：单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（j0）时电场力做功的大小。电压U：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。实际电压方向：电位真正降低的方向。单位：V (伏)、kV、mV、mV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， 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、U bc; 若以c点为参考点，再求以上各值。解：1. ，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。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：假设高电位指向低电位的方向。（阐述同电流）电压参考方向的三种表示方式：用箭头表示、用正负极性表示、用双下标UAB表示3. 关联参考方向元件或支路的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。(作图示意)例：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。注意：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。1.3 电功率和能量1.电功率单位时间内电场力所做的功。定义：。由此可推得： 功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特)；能量的单位：J (焦) (Joule，焦耳)2. 电路吸收或发出功率的判断l 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)l u, i 取非关联参考方向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)例：求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。已知：U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 解：注意：对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率1.4 电路元件1. 电路元件电路中最基本的组成单元。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。（含受控源）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。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：注意：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；端子间的电压为单值量。1.5 电阻元件1. 定义电阻元件：对电流呈现阻力的元件。其特性可用ui平面上的一条曲线来描述：，伏安特性：2. 线性时不变电阻元件任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。l 电路符号（作电阻元件图）l ui 关系“满足欧姆定律”（公式书写）l 单位：R 称为电阻，单位：W (Ohm)；G 称为电导，单位：S (Siemens) 注意欧姆定律只适用于线性电阻( R 为常数）；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。3. 功率和能量功率： p = u i= i2R =u2 / R表明：电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。能量：从 t0 到 t 电阻消耗的能量：4. 电阻的开路与短路开路： ；或 短路： ；或 1.6 电压源和电流源 电容元件和电感元件的特性我们在第六章讨论，下面介绍电源。1.理想电压源定义：其两端电压总能保持定值或给定的时间函数，其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。 电路符号：（如右图）理想电压源的电压、电流关系：l 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。l 通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。l 电压源不能短路！l 直流电压源的伏安关系如右图。l 电压源的功率a. 电压、电流参考方向非关联； 物理意义：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。b. 电压、电流参考方向关联； 物理意义：电场力做功，电源吸收功率例：计算图示电路各元件的功率解： （发出功率） （吸收） （吸收）可见：满足：P（发）P（吸）2. 理想电流源定义：其输出电流总能保持定值或给定的时间函数，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：理想电流源的电压、电流关系l 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。l 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。直流电流源的伏安关系如右图。注意：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光电子被激发产生一定值的电流等。l 电流源的功率：a. 电压、电流的参考方向非关联；>0为发出功率，起电源作用。b. 电压、电流的参考方向关联；>0为吸收功率，充当负载。例：计算图示电路各元件的功率解： （发出）（发出）可见：满足：P（发）P（吸）实际电源：干电池和钮扣电池（化学电源）、燃料电池（化学电源）、太阳能电池（光能电源）、蓄电池（化学电源）、发电机组、风力发电等。1.7 受控电源(非独立源)1. 定义电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源，称受控源。电路符号2.分类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：电流控制的电流源、电压控制的电流源、当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。受控源是一种四端元件，由输入两端口控制部分和输出两端口受控部分所构成。 电流控制的电流源 ( CCCS ) ，b : 电流放大倍数 电压控制的电流源 ( VCCS )，g: 转移电导 电压控制的电压源 ( VCVS )，m: 电压放大倍数 电流控制的电压源 ( CCVS )，r : 转移电阻 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，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”。例：求电压u2解：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。1. 名词解释l 支路：电路中每一个两端元件就叫一条支路。或电路中通过同一电流的分支。两种定义分别用在不同的场合。通常用b表示。l 结点：元件的连接点称为结点。或三条以上支路的连接点称为结点。通常用n表示。l 路径：两结点间的一条通路。由支路构成.l 回路：由支路组成的闭合路径。通常用l表示。l 网孔：对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。注意：网孔是回路，但回路不一定是网孔。如右图，b=3（或根据第一定义5），n=2（或根据第一定义=4），l=32. 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。 KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。（虚拟节点）清楚阐明： l 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；l 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；l KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。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。 公式使用注意事项：l 标定各元件电压参考方向。l 选定回路绕行方向，顺时针或逆时针。l KVL也适用于电路中任一假想的回路。 明确指出（使学生清楚）：l KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律;l KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路各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；l KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。4. KCL、KVL小结：l KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。l KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。l KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒的具体体现(电压与路径无关)。l KCL、KVL只适用于集总参数的电路。思考题：1. 2. 图2中，UA=UB?(不等)；i1=i2?(不等！i1=1,i2=0.8,计算可得)3.4.5.6.7.