第一章电路模型和电路定律ppt课件.ppt

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1、1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律,重点：,第1章 电路模型和电路定律,(circuit model),(circuit laws),2. 电路元件特性,下 页,返 回,1.1 电路和电路模型（model）,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。,下 页,上 页,返 回,功能,a 能量的传输、分配与转换；,b 信息的传递与处理。,共性,建立在同一电路理论基础上,下 页,上 页,返 回,激励电源或信号源的电压或电流，也称为输入。响应由激励在电路各部分产生的电压和电流，也称为 输出。电路分析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。

2、电路理论研究电路中发生的电磁现象，并用电流、电 荷、电压、磁通等物理量描述其过程。 电路理论主要用于计算电路中各器件的端电流和端子间的电压，并不涉及内部发生的物理过程。 本书讨论的电路不是实际电路，而是其电路模型。,下 页,上 页,返 回,2.电路中的几个概念,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,3. 电路模型 (circuit model),电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的假想元件，具有精确的数学定义。,电路模型,下 页,上 页,返 回,理想电路元件主要有：,（1）电阻元件R：只消耗电能，既不储存电能，也不储存磁能,（2）电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的

3、元件,（3）电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件,（4）电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件 a.（独立）电压源 b.（独立）电流源,下 页,上 页,返 回,电路符号,电路符号,电路符号,（5）理想导线 电阻为零，只起连接各种元件的作用,两端元件,建模用理想元件或它们的组合模拟实际器件。建模时应注意的几个问题：（a）必须考虑工作条件，并按不同的精度要求把给定工作情况下的主要物理功能反映出来。（b）不同的实际电路部件，只要具有相同的主要电磁性能，在一定条件下可用同一个模型表示。（c）同一个实际电路部件在不同的应用条件下，它的模型也可以有不同的形式。,（6）建模,下 页,上 页

4、,返 回,例,下 页,上 页,返 回,可见，在不同的条件下，同一实际器件可能采用不同的模型。 模型对电路的分析结果有很大的影响。如果模型取得太复杂，会造成分析的困难。如果取得太简单，就不足以反映所需求解的真实情况。 建模问题需专门研究，本书不作介绍。,1.2 电流和电压的参考方向 (reference direction),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。在进行电路分析时，必须在电路图上指出电压和电流的方向，才能正确列出电路方程。,1. 电流的参考方向 (current reference direction)

5、,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,下 页,上 页,返 回,t时刻导体中的电流强度,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6A,A（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,实际方向,A,A,B,B,问题,(1)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;(2)交流电流的方向随时间而变，在电路图上无法用一个箭标表示它的实际方向。,下 页,上 页,返 回,参考方向,i 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。,A,

6、B,i 0,i 0,电流的参考方向与实际方向的关系：,下 页,上 页,返 回,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。,下 页,上 页,返 回,电压u,单位：V (伏)、kV、mV、V,2. 电压的参考方向 (voltage reference direction),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,电位,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小,实际电压方向,电位真正降低的方向,下 页,上 页,返 回,例,已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，

7、由b点移动到c点电场力做功为12J，(1) 若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、U bc;(2) 若以c点为参考点，再求以上各值,解,(1),以b点为电位参考点,下 页,上 页,返 回,解,(2),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是唯一的；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。,结论,以c点为电位参考点,下 页,上 页,返 回,问题,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,假设的电压降低之方向,下 页,上 页,返 回,电压参考方向的三种

8、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,U,U,+,UAB,下 页,上 页,返 回,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。,关联参考方向,非关联参考方向,3. 关联参考方向,i,+,-,+,-,i,U,U,下 页,上 页,返 回,注,(1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。,(2) 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。,（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际 方向不变。,i,例,U,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

9、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。,下 页,上 页,返 回,1.引入参考方向的意义,2.电流的参考方向,3.电压的参考方向,4.关联参考方向,复习,1.3 电路元件的功率 (power),1. 电功率,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳),单位时间内电场力所做的功。,下 页,上 页,返 回,t-t0时间内，元件吸收的能量为：,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,P0 吸收正功率 (实际吸收),P0 吸收负功率 (实际发出), = ui 表示元

10、件发出的功率,P0 发出正功率 (实际发出),P0 发出负功率 (实际吸收),u, i 取非关联参考方向,下 页,上 页,返 回,例,求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知： U1=1V, U2= -3V,U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3VI1=2A, I2=1A, I3= -1A,解,注,对一完整的电路，发出的功率消耗/吸收的功率,下 页,上 页,返 回,P25 例1-3,下 页,上 页,1.4 电路元件（circuit element）,是电路中最基本的组成单元。,返 回,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，

11、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,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。 每一种元件反映某种确定的电磁性质。,1. 电路元件,由集总元件构成的电路,集总元件,假定元件发生的电磁过程都集中在元件内部进行，这种元件称为集总参数元件。,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；端子间的电压为单值量。,注意,下 页,上 页,返 回,2.集总参数电路,下 页,上 页,返 回,3.电路元件的分类,

12、按与外部连接的端子数目分为二端、三端、四端元件等。,1.5 电阻元件 (resistor),2. 线性定常电阻元件,电路符号,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述：,任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。,1. 定义,伏安特性,下 页,上 页,返 回,ui 关系,R 称为电阻，单位： (欧) (Ohm，欧姆),满足欧姆定律 (Ohms Law),单位,G 称为电导，单位： S(西门子) (Siemens，西门子),u、i 取关联参考方向,伏安特性为一条过原点的直线,下 页,上 页,返 回,(2) 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,注,(3)

13、 说明线性电阻是无记忆、双向性的元件,欧姆定律,(1) 只适用于线性电阻，( R 为常数）,下 页,上 页,返 回,3. 功率和能量,上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p u i (R i) i -i2 R u(u/ R) -u2/ R,p u i i2R u2 / R,功率：,下 页,上 页,返 回,用功率表示。从 t 到t0电阻消耗的能量：,4. 电阻的短路与开路,能量：,短路,开路,下 页,上 页,返 回,电阻元件一般把吸收的电能转换成热能消耗掉。,5.非线性电阻元件,下 页,上 页,返 回,非线性电阻的电压电流关系为：,非线性电阻元件的伏安特性不是一条直线。,6.时变电阻

14、元件,7.负电阻元件,下 页,上 页,返 回,如果一个电阻元件具有以下的电压电流关系：,这里u和i仍是比例关系，但比例系数R是随时间变化的，这种元件称为时变电阻元件。,如果一个线性电阻元件的伏安特性位于第二、四象限，则此元件的电阻为负值，即R0。,线性负电阻元件实际上是个发出电能的元件。获得这种元件一般需要专门设计。,下 页,上 页,返 回,两点说明：（1）为叙述方便，把线性电阻元件简称为电阻。（2）本课程中“电阻”这个术语以及它的相应符号R一方面表示一个电阻元件，另一方面也表示此元件的参数。,实际电阻器,1.6 电源元件 (independent source),其两端电压总能保持定值或一定

15、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,1. 理想电压源,定义,下 页,上 页,返 回,当us为恒定值时，这种电压源称为恒定电压源或直流电压源。 直流电压源电路符号,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,伏安关系,例,外电路,电压源不能短路！,下 页,上 页,返 回,开路,短路,电压源的功率,电场力做功 ， 电源吸收功率。,（1） 电压、电流的参考方向非关联；,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。,发出

16、功率，起电源作用,（2） 电压、电流的参考方向关联；,物理意义：,吸收功率，充当负载,下 页,上 页,返 回,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）,下 页,上 页,返 回,实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,实际电压源,考虑内阻,伏安特性,一个好的电压源要求,下 页,上 页,返 回,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,(1) 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,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定

17、,理想电流源的电压、电流关系,伏安关系,下 页,上 页,返 回,例,外电路,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池被激发产生一定值的电流等。,下 页,上 页,返 回,短路,开路,电流源的功率,（1） 电压、电流的参考方向非关联；,发出功率，起电源作用,（2） 电压、电流的参考方向关联；,吸收功率，充当负载,下 页,上 页,返 回,例,计算图示电路各元件的功率。,解,发出,吸收,满足：P（发）P（吸）,下 页,上 页,返 回,实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。,实际电流源,考虑内阻,

18、伏安特性,一个好的电流源要求,下 页,上 页,返 回,作业,P26 ：1-5,下 页,上 页,返 回,1.7 受控电源 (非独立源)(controlled source or dependent source),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,受控电压源,1. 定义,受控电流源,下 页,上 页,返 回,(1) 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：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。,2. 分类,

19、四端元件,输出：受控部分,输入：控制部分,下 页,上 页,返 回,g: 转移电导,(2) 电压控制的电流源 ( VCCS ),(3) 电压控制的电压源 ( VCVS ),: 电压放大倍数,下 页,上 页,返 回,(4) 电流控制的电压源 ( CCVS ),r : 转移电阻,例,电路模型,下 页,上 页,返 回,3. 受控源与独立源的比较,(1) 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。,(2) 独立源在电路中起“激励”作用，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系，在电路中不能作为“激励”。,例,求：电压u2。

20、,解,下 页,上 页,返 回,1.8 基尔霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws ),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。,下 页,上 页,返 回,1. 几个名词,电路中通过同一电流的分支。(b),三条或三条以上支路的连接点称为节点。( n ),b=3,a,n=2,b,（1）支路 (branch),电路中每一个两端元件就叫一条支路,(2) 结点 (node),b=5,下 页,上 页,返 回,由支路组成的闭合路径。( l

21、),对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。,l=3,3,(3) 回路(loop),(4) 网孔(mesh),网孔是回路，但回路不一定是网孔,下 页,上 页,返 回,2. 基尔霍夫电流定律 (KCL),令流出为“+”，有：,例,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。,流进的电流等于流出的电流,下 页,上 页,返 回,例,三式相加得：,表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面,明确,（1） 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；,（2） KCL是对支路电流加的约束，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；

22、,（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。,下 页,上 页,返 回,（2）选定回路绕行方向， 顺时针或逆时针.,U1US1+U2+U3+U4+US4= 0,3. 基尔霍夫电压定律 (KVL),在集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕行，各支路电压的代数和等于零。,（1）标定各元件电压参考方向,U2+U3+U4+US4=U1+US1,或：,R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4,下 页,上 页,返 回,例,KVL也适用于电路中任一假想的回路,明确,（1） KVL的实质反映了电路遵 从能量守恒定律;,（2） KVL是对回路电压加的约束，与回路各支路上接的是什么元

23、件无关，与电路是线性还是非线性无关；,（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际 方向无关。,下 页,上 页,返 回,4. KCL、KVL小结,(1) KCL是对支路电流的线性约束，KVL是对回路电压的线性约束。,(2) KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。,(3) 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)。,(4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。,下 页,上 页,返 回,思考：,下 页,上 页,返 回,3,3,下 页,上 页,返 回,下 页,上 页,返 回,解,解,下 页,上 页,返 回,解,下 页,上 页,返 回,作业,P27 -30：1-101-121-16(a)1-19,