電路分析基礎(chǔ)~~第一章_電路的基本概念與基本定律

1、1-1-1 1-1-1 實(shí)際電路實(shí)際電路 實(shí)際電路是由各種電器元件按一定的方式連實(shí)際電路是由各種電器元件按一定的方式連接起來的電流通路接起來的電流通路一、電路的定義一、電路的定義二、電路的組成二、電路的組成電源中間環(huán)節(jié)負(fù)載1-1 1-1 實(shí)際電路和電路模型實(shí)際電路和電路模型電源電源: : 提供電能和電信號的裝置提供電能和電信號的裝置中間環(huán)節(jié)：中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用傳遞、分配和控制電能的作用負(fù)載負(fù)載: : 將電能轉(zhuǎn)化成其它形式能的裝置將電能轉(zhuǎn)化成其它形式能的裝置三、電路的功能三、電路的功能 歸納起來主要包括電能和電信號的產(chǎn)生、歸納起來主要包括電能和電信號的產(chǎn)生、傳輸、變換、和處理等

2、幾方面。傳輸、變換、和處理等幾方面。1-1-2 1-1-2 電路模型電路模型 對實(shí)際電路的分析通常是很復(fù)雜的，會受對實(shí)際電路的分析通常是很復(fù)雜的，會受到很多因素的制約。為了便于對實(shí)際電路進(jìn)行到很多因素的制約。為了便于對實(shí)際電路進(jìn)行分析，常將電路中的元件理想化，即在一定的分析，常將電路中的元件理想化，即在一定的條件下，突出元件的主要性質(zhì)，忽略它的次要條件下，突出元件的主要性質(zhì)，忽略它的次要性質(zhì)。性質(zhì)。 理想電路元件主要包括：理想電路元件主要包括： 電阻、電感、電容、電壓源、電流源電阻、電感、電容、電壓源、電流源 電阻電阻R R電感電感L L電容電容C C電壓源電壓源U US S電流源電流源I I

3、S S電路模型：電路模型： 由理想電路元件組成的電路稱為實(shí)際電路的電由理想電路元件組成的電路稱為實(shí)際電路的電路模型。我們在本書里討論的電路都是從實(shí)際電路路模型。我們在本書里討論的電路都是從實(shí)際電路中抽象出來的電路模型。中抽象出來的電路模型。電路分析的任務(wù)：電路分析的任務(wù)：就是研究電路中的電流、電壓、就是研究電路中的電流、電壓、功率這些物理量之間的關(guān)系。功率這些物理量之間的關(guān)系。1-2 1-2 電路的基本變量電路的基本變量1-2-1 1-2-1 電流電流 一、電流的定義一、電流的定義 電荷的定向移動形成電流，電流的大小電荷的定向移動形成電流，電流的大小用電流強(qiáng)度來描述，符號為用電流強(qiáng)度來描述，符

4、號為I I或或i i。電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度定義為電位時間流過導(dǎo)體橫截面的電量，即定義為電位時間流過導(dǎo)體橫截面的電量，即tqidd 如果電流的大小方向隨時間變化，稱為交流電如果電流的大小方向隨時間變化，稱為交流電流；若電流的大小方向不隨時間變化，稱為直流電流；若電流的大小方向不隨時間變化，稱為直流電流。在這種情況下，通過導(dǎo)體橫截面的電量流。在這種情況下，通過導(dǎo)體橫截面的電量Q Q與時間與時間t t呈正比，即呈正比，即tQI 在國際單位制中，電流的單位為安培（在國際單位制中，電流的單位為安培（A A）。）。對對于較小的電流可以用毫安（于較小的電流可以用毫安（mAmA）、）、微安（微安（AA）、）、納納

5、安（安（nAnA）來描述，他們之間的關(guān)系是來描述，他們之間的關(guān)系是 1 1A = 10A = 103 3 mA = 10mA = 106 6A = 10A = 109 9 nA nA 二、電流的方向二、電流的方向 電流的方向規(guī)定為正電荷移動的方向。但在實(shí)際電流的方向規(guī)定為正電荷移動的方向。但在實(shí)際電路中，往往出現(xiàn)多個電源同時工作的情況，所以電路中，往往出現(xiàn)多個電源同時工作的情況，所以電流的實(shí)際方向有時很難確定，為此引入了一個新電流的實(shí)際方向有時很難確定，為此引入了一個新的概念的概念電流的參考方向電流的參考方向。 在電路分析過程中在電路分析過程中電流的參考方向是可以任意電流的參考方向是可以任意假

6、定的假定的，通常將選定的參考方向稱為電流的正方，通常將選定的參考方向稱為電流的正方向。向。I =2A 在求解電路中的電流時，應(yīng)該在求解電路中的電流時，應(yīng)該首先選定電流的首先選定電流的參考方向參考方向（正方向），然后根據(jù)假設(shè)的電流方向進(jìn)（正方向），然后根據(jù)假設(shè)的電流方向進(jìn)行分析求解。行分析求解。若求得若求得I I 0 0，則電流的實(shí)際方向與參考方向一致則電流的實(shí)際方向與參考方向一致若求得若求得I I 0 0 0時，表示電路時，表示電路吸收功率吸收功率 當(dāng)當(dāng)p p 0 0 0時，表示電路時，表示電路產(chǎn)生功率產(chǎn)生功率 當(dāng)當(dāng)p p 0 0 0，則則PU I5I130 I16A 元件元件B B上的電壓、

7、電流也為關(guān)聯(lián)參考方向，且為吸收功上的電壓、電流也為關(guān)聯(lián)參考方向，且為吸收功率，所以率，所以P P 0 0，則則 PU I(5)I215 I23A元件元件C C上的電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，且為產(chǎn)生功上的電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，且為產(chǎn)生功率，所以率，所以P P 0 0R 0，所以所以p p總為正值，這表總為正值，這表明電阻是一種耗能元件明電阻是一種耗能元件 5.5.電阻的額定電壓、額定電流和額定功率電阻的額定電壓、額定電流和額定功率 對理想電阻元件，電壓和電流可以無限制地滿足歐姆對理想電阻元件，電壓和電流可以無限制地滿足歐姆定律。但對于任意的實(shí)際電阻元件，使用時均不能超過它定律。但對于任意

8、的實(shí)際電阻元件，使用時均不能超過它的額定電壓、額定電流和額定功率值的額定電壓、額定電流和額定功率值 電阻的標(biāo)稱值電阻的標(biāo)稱值: 1k 1/2W 在使用電阻時一定要注意其額定值，以保證其能安在使用電阻時一定要注意其額定值，以保證其能安全工作。全工作。三、非線性電阻三、非線性電阻 如果一個電阻的伏安特性是過原點(diǎn)的一條曲線如果一個電阻的伏安特性是過原點(diǎn)的一條曲線, ,則該電則該電阻為非線性電阻阻為非線性電阻 uiuiQ二極管的伏安關(guān)系二極管的伏安關(guān)系 非線性電阻的阻值有兩種表征方法非線性電阻的阻值有兩種表征方法: （1）靜態(tài)電阻）靜態(tài)電阻 （2）動態(tài)電阻。）動態(tài)電阻。靜態(tài)電阻（直流電阻）：靜態(tài)電阻（

9、直流電阻）：是指過曲線某一點(diǎn)是指過曲線某一點(diǎn)Q Q上電壓和上電壓和 電流的比值，即電流的比值，即RQ= uQ / iQuiuiQ二極管的伏安關(guān)系二極管的伏安關(guān)系 動態(tài)電阻（交流電阻）：動態(tài)電阻（交流電阻）： 它是指過曲線某一點(diǎn)它是指過曲線某一點(diǎn)Q Q 電壓微電壓微變量變量u u和電流微變量和電流微變量i i之比的極之比的極限值，即限值，即工作點(diǎn)不同，靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻的阻值也不同工作點(diǎn)不同，靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻的阻值也不同 iuruQ0lim在同一工作點(diǎn)，動態(tài)電阻和靜態(tài)電阻也不相等在同一工作點(diǎn)，動態(tài)電阻和靜態(tài)電阻也不相等 1-3-2 1-3-2 理想電源理想電源 理想電源是實(shí)際電源在一定條件下的

10、理想化模型，包括理想電源是實(shí)際電源在一定條件下的理想化模型，包括理想電壓源和理想電流源理想電壓源和理想電流源 一、理想電壓源一、理想電壓源 2.2.電路符號電路符號 1.1.定義定義 如果一個二端元件其輸出電壓恒定不變，則稱這個如果一個二端元件其輸出電壓恒定不變，則稱這個二端元件為理想電壓源二端元件為理想電壓源 uS3.3.伏安關(guān)系伏安關(guān)系 uSiu從其伏安特性可知，理想電壓源具有如下基本性質(zhì)：從其伏安特性可知，理想電壓源具有如下基本性質(zhì)： （1 1）理想電壓源的輸出電壓恒定不變，）理想電壓源的輸出電壓恒定不變，與外接電路無關(guān)。與外接電路無關(guān)。 （2 2）理想電壓源流過的電流可以是任）理想電壓

11、源流過的電流可以是任意的，由外接電路決定。意的，由外接電路決定。 10VR二、理想電流源二、理想電流源 2.2.電路符號電路符號 1.1.定義定義 如果一個二端元件其輸出電流恒定不變，則稱這個如果一個二端元件其輸出電流恒定不變，則稱這個二端元件為理想電流源二端元件為理想電流源 iS3.3.伏安關(guān)系伏安關(guān)系 iSui從其伏安特性可知，理想電流源具有如下基本性質(zhì)：從其伏安特性可知，理想電流源具有如下基本性質(zhì)： （1 1）理想電流源的輸出電流恒定不變，與外接電路無）理想電流源的輸出電流恒定不變，與外接電路無關(guān)。關(guān)。 （2 2）理想電流源兩端的電壓可以是任意的，由外接）理想電流源兩端的電壓可以是任意的

12、，由外接電路決定。電路決定。 綜上所述，綜上所述，理想電壓源理想電壓源具具有恒壓不恒流有恒壓不恒流的性質(zhì)，而的性質(zhì)，而理想電理想電流源流源具有具有恒流不恒壓恒流不恒壓的性質(zhì)，所以在電路理論中也稱理想電的性質(zhì)，所以在電路理論中也稱理想電壓源為恒壓源，理想電流源為恒流源。電壓源、電流源均可壓源為恒壓源，理想電流源為恒流源。電壓源、電流源均可以獨(dú)立向外電路提供能量，所以也稱其為以獨(dú)立向外電路提供能量，所以也稱其為獨(dú)立源獨(dú)立源。1-3-3 1-3-3 實(shí)際電源實(shí)際電源一、實(shí)際電壓源一、實(shí)際電壓源 1. 1. 實(shí)際電壓源的電路模型實(shí)際電壓源的電路模型uSRSui2. 2. 實(shí)際電壓源的伏安關(guān)系實(shí)際電壓源

13、的伏安關(guān)系由實(shí)際電壓源的電路模型可以得出其伏安關(guān)系為由實(shí)際電壓源的電路模型可以得出其伏安關(guān)系為 SSiRuuuSui 由實(shí)際電壓源的伏安特性曲線，由實(shí)際電壓源的伏安特性曲線，可以看出：可以看出： 實(shí)際電壓源的輸出電壓（即端電壓）是隨著它上面流過電實(shí)際電壓源的輸出電壓（即端電壓）是隨著它上面流過電流的增大而逐漸減小的。其內(nèi)阻流的增大而逐漸減小的。其內(nèi)阻R RS S越小，曲線越平坦，就越接越小，曲線越平坦，就越接近理想電壓源。近理想電壓源。 在實(shí)際使用中，希望電壓源的內(nèi)阻在實(shí)際使用中，希望電壓源的內(nèi)阻R RS S越小越好越小越好 3. 3. 實(shí)際電壓源的三種工作狀態(tài)實(shí)際電壓源的三種工作狀態(tài)加載：加

14、載： 開路：開路： 短路：短路： 端電壓端電壓SSiRuuuSRSui開路電壓開路電壓SOCuu短路電流短路電流SSSCRui/二、實(shí)際電流源二、實(shí)際電流源 1. 1. 實(shí)際電流源的電路模型實(shí)際電流源的電路模型2. 2. 實(shí)際電流源的伏安關(guān)系實(shí)際電流源的伏安關(guān)系由實(shí)際電壓源的電路模型可以得出其伏安關(guān)系為由實(shí)際電壓源的電路模型可以得出其伏安關(guān)系為 iSui 由實(shí)際電流源的伏安特性曲線，由實(shí)際電流源的伏安特性曲線，可以看出：可以看出： RSuiSiSSRuii/ 實(shí)際電流源的輸出電流是隨著它兩端電壓的增大而逐漸減實(shí)際電流源的輸出電流是隨著它兩端電壓的增大而逐漸減小的。其內(nèi)阻小的。其內(nèi)阻R RS S

15、越大，曲線越平坦，就越接近理想電壓源。越大，曲線越平坦，就越接近理想電壓源。 在實(shí)際使用中，希望電流源的內(nèi)阻在實(shí)際使用中，希望電流源的內(nèi)阻R RS S越大越好越大越好 三、實(shí)際電源的等效變換三、實(shí)際電源的等效變換 實(shí)際電壓源和實(shí)際電流源其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，但其外特實(shí)際電壓源和實(shí)際電流源其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，但其外特性在一定條件下可以相同。當(dāng)兩種實(shí)際電源外特性相同時，性在一定條件下可以相同。當(dāng)兩種實(shí)際電源外特性相同時，對外電路來說，他們就是完全等效的，即它們之間可以進(jìn)對外電路來說，他們就是完全等效的，即它們之間可以進(jìn)行等效變換。行等效變換。 實(shí)際電壓源的伏安關(guān)系為：實(shí)際電壓源的伏安關(guān)系為：) 1 (SSi

16、Ruu實(shí)際電流源的伏安關(guān)系為：實(shí)際電流源的伏安關(guān)系為：) 2(/SSRuii) 3 (SSSRiRiu上式可改寫為：上式可改寫為： 比較（比較（1 1）式和（）式和（3 3）式，如果要兩者伏安關(guān)系完全相同，）式，如果要兩者伏安關(guān)系完全相同，則必須滿足：則必須滿足： SSSRiuSSRR或或SSSRui/SSRR uSRSiSSRSSSRui/SSSRiu注意：注意：實(shí)際電源的等效變換只是對外電路而言，其電源內(nèi)實(shí)際電源的等效變換只是對外電路而言，其電源內(nèi)部并不等效。對理想電源因其伏安關(guān)系不可能相同，故不部并不等效。對理想電源因其伏安關(guān)系不可能相同，故不能進(jìn)行等效變換。能進(jìn)行等效變換。 例例1-2

17、1-2 如圖（如圖（a a）所示電路，求電流所示電路，求電流I I。 2A523VI（a）523VI4V（b）解：解：利用實(shí)際電源等效的概念可將圖（利用實(shí)際電源等效的概念可將圖（a a）所示電路所示電路等等效變效變換為圖（換為圖（b b）所示電路，由圖（所示電路，由圖（b b）電路可得電路可得A15234I1-3-4 1-3-4 受控受控電源電源一、受控源的性質(zhì)一、受控源的性質(zhì) （1 1）受控電源與獨(dú)立電源一樣可以為電路提供功率。）受控電源與獨(dú)立電源一樣可以為電路提供功率。 （2 2）是非獨(dú)立的，其輸出電壓或電流的大小和方向均受）是非獨(dú)立的，其輸出電壓或電流的大小和方向均受電路中某條支路的電壓

18、或電流控制。電路中某條支路的電壓或電流控制。二、受控源的類型二、受控源的類型 電壓控制電壓源（電壓控制電壓源（VCVSVCVS） 電流控制電壓源（電流控制電壓源（CCVSCCVS）；）；電壓控制電流源（電壓控制電流源（VCCSVCCS） 電流控制電流源（電流控制電流源（CCCSCCCS） 三、受控源的符號三、受控源的符號 u11uu11u1ii11gii1電壓控制電壓源電壓控制電壓源電壓控制電流源電壓控制電流源電流控制電壓源電流控制電壓源電流控制電流源電流控制電流源1-4 1-4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 在電路理論中，電路元件的電壓、電流受自身伏安關(guān)系的在電路理論中，電路元件的電壓、電流受自

19、身伏安關(guān)系的約束。當(dāng)各元件聯(lián)接成一個電路以后，電路中的電壓、電流除約束。當(dāng)各元件聯(lián)接成一個電路以后，電路中的電壓、電流除了必須滿足元件自身的約束方程以外，還必須同時滿足電路結(jié)了必須滿足元件自身的約束方程以外，還必須同時滿足電路結(jié)構(gòu)的約束。這種約束體現(xiàn)為基爾霍夫的兩個定律，即構(gòu)的約束。這種約束體現(xiàn)為基爾霍夫的兩個定律，即基爾霍夫基爾霍夫電流定律電流定律（KirchhoffKirchhoffs Current Law)s Current Law)，簡寫為簡寫為KCLKCL）和和基爾基爾霍夫電壓定理霍夫電壓定理（KirchhoffKirchhoffs Voltage Law)s Voltage La

20、w)，簡寫為簡寫為KVLKVL。 支路：支路：每一個二端元件構(gòu)成一個支路。每一個二端元件構(gòu)成一個支路。1-4-1 1-4-1 電路分析中的幾個概念電路分析中的幾個概念 網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路稱為網(wǎng)孔。內(nèi)部不含支路的回路稱為網(wǎng)孔。節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)：兩條或兩條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。兩條或兩條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)?；芈罚夯芈罚河芍窐?gòu)成的閉合路徑稱為回路。由支路構(gòu)成的閉合路徑稱為回路。 在實(shí)際電路分析中，為了方在實(shí)際電路分析中，為了方便起見，常把通過同一電流的路便起見，常把通過同一電流的路徑定義為支路，把三條或三條以徑定義為支路，把三條或三條以上支路的連接點(diǎn)定義為節(jié)點(diǎn)。支上支路的連接點(diǎn)定義

21、為節(jié)點(diǎn)。支路上流過的電流稱為支路電流，路上流過的電流稱為支路電流，支路兩端的電壓稱為支路電壓，支路兩端的電壓稱為支路電壓，它們是電路分析的主要對象。它們是電路分析的主要對象。R1R3R2R4R5R6i1i2i3i4i6i5US1US2US312341-4-2 1-4-2 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCLKCL）基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律：在任一集總參數(shù)電路中，任何時刻流入：在任一集總參數(shù)電路中，任何時刻流入任一節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：任一節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 01nkki4R1R3R2R4R5R6i1i2i3i4i6i5US1US2US3123節(jié)

22、點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1 1 0321iii節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)2 2 0541iii節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)3 3 0642iii節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)4 4 0653iii物理實(shí)質(zhì)：物理實(shí)質(zhì)：是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在任一節(jié)點(diǎn)上的具是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在任一節(jié)點(diǎn)上的具體反映體反映 KCLKCL的推廣的推廣：流入封閉面的電流等于流出封閉面的電流流入封閉面的電流等于流出封閉面的電流 i1i2i30321iii例：例：對如圖所示的封閉面，應(yīng)用對如圖所示的封閉面，應(yīng)用KCLKCL，有有1-4-2 1-4-2 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律（KVLKVL）基爾霍夫電壓定律：基爾霍夫電壓定律：在任一集總參數(shù)電路中，任何時刻沿在任一集總參數(shù)電路中，

23、任何時刻沿任一回路，各支路電壓降的代數(shù)和等于零，即任一回路，各支路電壓降的代數(shù)和等于零，即01nkku 支路電壓的正負(fù)號支路電壓的正負(fù)號隨元件電壓參考方向和回路繞行方向隨元件電壓參考方向和回路繞行方向而定。當(dāng)支路電壓的參考方向與繞行方向一致時取正號，支而定。當(dāng)支路電壓的參考方向與繞行方向一致時取正號，支路電壓參考方向與繞行方向相反時取負(fù)號路電壓參考方向與繞行方向相反時取負(fù)號 R1R2iuS1uS2例：例：如圖所示回路，若如圖所示回路，若繞行方向?yàn)轫槙r針方向繞行方向?yàn)轫槙r針方向，則，則KVLKVL方程為方程為 02211iRuiRuSS 若若繞行方向?yàn)槟鏁r針方向繞行方向?yàn)槟鏁r針方向，則，則KVL

24、KVL方程為方程為 02211iRuiRuSS上式還可改寫為上式還可改寫為iRuiRuSS2211沿繞行方向電壓降之和等于電壓升之和沿繞行方向電壓降之和等于電壓升之和 nkknkkuu11升降物理實(shí)質(zhì)：物理實(shí)質(zhì)：是能量守恒定理和電位單值性在電路中的具是能量守恒定理和電位單值性在電路中的具體體現(xiàn)。體體現(xiàn)。 應(yīng)用條件：應(yīng)用條件：基爾霍夫電壓和電流定律闡明了電路中各元基爾霍夫電壓和電流定律闡明了電路中各元件電流、電壓之間的關(guān)系，這種關(guān)系與元件自身的特性件電流、電壓之間的關(guān)系，這種關(guān)系與元件自身的特性無關(guān)，無關(guān)，體現(xiàn)的是電路結(jié)構(gòu)上的內(nèi)在聯(lián)系體現(xiàn)的是電路結(jié)構(gòu)上的內(nèi)在聯(lián)系。因此不論電路。因此不論電路中元件

25、是線性、非線性、時變、非時變，基爾霍夫定律中元件是線性、非線性、時變、非時變，基爾霍夫定律均適用。均適用。1-4-3 1-4-3 基爾霍夫定律的應(yīng)用基爾霍夫定律的應(yīng)用 電路中的元件構(gòu)成電路時，要受兩類約束，電路中的元件構(gòu)成電路時，要受兩類約束，一類是元一類是元件自身伏安關(guān)系的約束件自身伏安關(guān)系的約束，另一類是電路結(jié)構(gòu)的約束另一類是電路結(jié)構(gòu)的約束，即各，即各元件的電壓、電流要滿足元件的電壓、電流要滿足KVLKVL和和KCLKCL。元件約束和結(jié)構(gòu)約束元件約束和結(jié)構(gòu)約束是電路分析的依據(jù)。是電路分析的依據(jù)。電路的基本分析方法電路的基本分析方法就是根據(jù)元件的就是根據(jù)元件的伏安關(guān)系和基爾霍夫定律列方程，然后進(jìn)行求解。這種思伏安關(guān)系和基爾霍夫定律列方程，然后進(jìn)行求解。這種思想方法貫穿于電路分析的始終。想方法貫穿于電路分析的始終。 例例1-41-4 求圖示電路中