電路原理概述

關(guān)于電路原理概述電路和電路模型1.1電阻元件1.5電流和電壓的參考方向1.2電壓源和電流源1.6電功率和能量1.3受控電源1.7電路元件1.4基爾霍夫定律1.8本章內(nèi)容第1章電路模型和電路定律(circuitmodels)

(circuitlaws)

第2頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.基爾霍夫定律(KVL&KCL)

本章重點(diǎn)：1.電壓、電流的參考方向2.電阻元件和電源元件的特性第3頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1電路和電路模型（model)1.實(shí)際電路功能a能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b信息的傳遞與處理。共性建立在同一電路理論基礎(chǔ)上由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流通路裝置。組成電能或電信號(hào)的發(fā)生器用電設(shè)備電源（激勵(lì)或輸入）負(fù)載第4頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

由反映實(shí)際電路部件的主要電磁性質(zhì)的理想電路元件組成。2.電路模型(circuitmodel)導(dǎo)線(xiàn)電池開(kāi)關(guān)燈泡電路圖理想電路元件有某種確定的電磁性能的理想元件電路模型第5頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天幾種基本的電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件注意：基本理想電路元件有三個(gè)特征：

（a）只有兩個(gè)端子；

（b）可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述；（c）不能被分解為其他元件。第6頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.集總參數(shù)電路由集總元件構(gòu)成的電路集總元件假定發(fā)生的電磁過(guò)程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行集總條件注集總參數(shù)電路中u、i可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān)第7頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2電流和電壓的參考方向

(referencedirection)電路主要的物理量：電流、電壓和功率一、電流(current)1.定義帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量第8頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.分類(lèi)恒定電流單位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）kA、mA、A交流電流（Chap.8之后講解）——I（也稱(chēng)為直流電流）第9頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.方向規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向元件(導(dǎo)線(xiàn))中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能:

實(shí)際方向?qū)嶋H方向

AABB問(wèn)題復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷第10頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天參考方向i

參考方向大小方向(正負(fù)）電流(代數(shù)量)任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。ABi

參考方向i

參考方向i>0i<0實(shí)際方向?qū)嶋H方向電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：AABB第11頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天電流參考方向的兩種表示：

用箭頭表示：箭頭的指向?yàn)殡娏鞯膮⒖挤较颉?/p>

用雙下標(biāo)表示：如

iAB

,電流的參考方向由A指向BiABiABAB第12頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.電壓u

單位：V(伏)、kV、mV、V二、電壓(voltage)單位正電荷q從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力做功（W）的大小2.電位v單位正電荷q從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)（v

＝0）時(shí)電場(chǎng)力做功的大小3.分類(lèi)恒定電壓交流電壓（Chap.8之后講解）U（也成為直流電壓）第13頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天例已知：4C正電荷由a點(diǎn)均勻移動(dòng)至b點(diǎn)電場(chǎng)力做功8J，由b點(diǎn)移動(dòng)到c點(diǎn)電場(chǎng)力做功為12J，求：(1)若以b點(diǎn)為參考點(diǎn)，求a、b、c點(diǎn)的電位和電壓Uab、Ubc;(2)若以c點(diǎn)為參考點(diǎn)，再求以上各值解acb(1)以b點(diǎn)為電位參考點(diǎn)第14頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天abc解(2)電路中電位參考點(diǎn)可任意選擇；參考點(diǎn)一經(jīng)選定，電路中各點(diǎn)的電位值就是唯一的；當(dāng)選擇不同的電位參考點(diǎn)時(shí)，電路中各點(diǎn)電位值將改變，但任意兩點(diǎn)間電壓保持不變。結(jié)論以c點(diǎn)為電位參考點(diǎn)第15頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天問(wèn)題復(fù)雜電路或交變電路中，兩點(diǎn)間電壓的實(shí)際方向往往不易判別，給實(shí)際電路問(wèn)題的分析計(jì)算帶來(lái)困難。

電壓(降)的參考方向U>0參考方向U+–+實(shí)際方向+實(shí)際方向參考方向U+–

<0U假設(shè)高電位指向低電位的方向。4.實(shí)際電壓方向電位真正降低的方向第16頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天電壓參考方向的三種表示方式：(1)用箭頭表示(2)用正負(fù)極性表示(3)用雙下標(biāo)表示UU+ABUAB第17頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天元件或支路的u，i采用一致的參考方向稱(chēng)之為關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向三、關(guān)聯(lián)參考方向i+-+-iUU反之，稱(chēng)為非關(guān)聯(lián)參考方向。第18頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天注(1)分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向。(2)

參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注(包括方向和符號(hào)），在計(jì)算過(guò)程中不得任意改變。(3)參考方向不同時(shí)，其表達(dá)式相差一負(fù)號(hào)，但電壓、電流的實(shí)際方向不變。ABABi例＋－U電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問(wèn)：對(duì)A、B兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否？答：A電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；

B電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)。第19頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天功率的單位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的單位：J(焦)(Joule，焦耳)單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。1、功率(power)1.3電功率和能量第20頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.電路吸收或發(fā)出功率的判斷

u,i

取關(guān)聯(lián)參考方向P=ui

表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(實(shí)際吸收)P<0

吸收負(fù)功率(實(shí)際發(fā)出)P=ui

表示元件發(fā)出的功率P>0

發(fā)出正功率(實(shí)際發(fā)出)P<0

發(fā)出負(fù)功率(實(shí)際吸收)

u,i

取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu第21頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天例求圖示電路中各方框所代表的元件消耗或產(chǎn)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564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－對(duì)一完整的電路，滿(mǎn)足：發(fā)出的功率＝吸收的功率第22頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天是電路中最基本的組成單元。一、電路元件5種基本的理想電路元件

注：如果表征元件端子特性的數(shù)學(xué)關(guān)系式是線(xiàn)性關(guān)系，該元件稱(chēng)為線(xiàn)性元件，否則稱(chēng)為非線(xiàn)性元件。1.4~1.5電路元件、電阻元件第23頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2.線(xiàn)性定常電阻元件

電路符號(hào)R對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關(guān)系用u～i平面的一條曲線(xiàn)來(lái)描述：iu任何時(shí)刻端電壓與其電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性二、電阻元件第24頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

u～i

關(guān)系R稱(chēng)為電阻，單位：

(歐)(Ohm，歐姆)滿(mǎn)足歐姆定律(Ohm’sLaw)ui

單位G稱(chēng)為電導(dǎo)，單位：S(西門(mén)子)(Siemens，西門(mén)子)u、i取關(guān)聯(lián)參考方向Rui+－伏安特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)第25頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)注(3)說(shuō)明線(xiàn)性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元件歐姆定律(1)只適用于線(xiàn)性電阻，(R為常數(shù)）則歐姆定律寫(xiě)為u–Rii–Gu公式和參考方向必須配套使用！Rui+-第26頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.功率和能量電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p

ui功率：Rui+-

i2R

u2/R表明第27頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天可用功表示。從t0到t電阻消耗的能量：Riu+–4.電阻的開(kāi)路與短路能量：

短路

開(kāi)路ui0第28頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(shí)際電阻器第29頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

其兩端電壓總能保持恒定值或確定的時(shí)間函數(shù)，電壓值與流過(guò)它的電流i

無(wú)關(guān)的元件。

電路符號(hào)1.理想電壓源

定義i+_

1.6電壓源和電流源第30頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。

通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定。

理想電壓源的電壓、電流關(guān)系ui伏安關(guān)系？例Ri-+外電路電壓源不能短路！第31頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天電壓源的功率電場(chǎng)力做功，電源吸收功率。（1）

電壓、電流的方向非關(guān)聯(lián)；

物理意義：+_iu+_+_iu+_電流（正電荷）由低電位向高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)力作功電源發(fā)出功率。

發(fā)出功率，起電源作用（2）

電壓、電流的方向關(guān)聯(lián)；

物理意義：吸收功率，充當(dāng)負(fù)載第32頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

實(shí)際電壓源也不允許短路。因其內(nèi)阻小，若短路，電流很大，可能燒毀電源。usuiO

實(shí)際電壓源i+_u+_考慮內(nèi)阻伏安特性一個(gè)好的電壓源要求第33頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

其輸出電流總能保持恒定值或確定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u無(wú)關(guān)的元件。

電路符號(hào)2.理想電流源

定義u+_(1)電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)

電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定

理想電流源的電壓、電流關(guān)系ui伏安關(guān)系第34頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天例外電路電流源不能開(kāi)路！Ru-+實(shí)際電流源的產(chǎn)生可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無(wú)關(guān)；光電池在一定光線(xiàn)照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。第35頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天電流源的功率（1）

電壓、電流的方向非關(guān)聯(lián)；

發(fā)出功率，起電源作用（2）

電壓、電流的方向關(guān)聯(lián)；

吸收功率，充當(dāng)負(fù)載u+__u+第36頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天例計(jì)算圖示電路各元件的功率。解發(fā)出吸收滿(mǎn)足：P（發(fā)）＝P（吸）2A+_u+_5Vi第37頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

實(shí)際電流源也不允許開(kāi)路。因其內(nèi)阻大，若開(kāi)路，電壓很高，可能燒毀電源。isuiO

實(shí)際電流源考慮內(nèi)阻伏安特性一個(gè)好的電流源要求u+_i第38頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(shí)際電源干電池鈕扣電池1.干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）

干電池電動(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。第39頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

氫氧燃料電池示意圖2.燃料電池（化學(xué)電源）

電池電動(dòng)勢(shì)1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。第40頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.太陽(yáng)能電池（光能電源）

一塊太陽(yáng)能電池電動(dòng)勢(shì)0.6V。太陽(yáng)光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太?yáng)能電池板。

一個(gè)50cm2太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)0.6V,電流0.1A

太陽(yáng)能電池示意圖太陽(yáng)能電池板第41頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天蓄電池示意圖4.蓄電池（化學(xué)電源）

電池電動(dòng)勢(shì)2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動(dòng)勢(shì)低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。第42頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計(jì)函數(shù)發(fā)生器第43頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天發(fā)電機(jī)組第44頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天草原上的風(fēng)力發(fā)電第45頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓(或電流)控制的電源，稱(chēng)受控源。

電路符號(hào)+–受控電壓源1.定義受控電流源四、受控電源(非獨(dú)立源)(controlledsourceordependentsource)第46頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)電流控制的電流源(CCCS)

:電流放大倍數(shù)

根據(jù)控制量和被控制量是電壓u或電流i

，受控源可分四種類(lèi)型：當(dāng)被控制量是電壓時(shí)，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時(shí)，用受控電流源表示。2.分類(lèi)四端元件bi1+_u2i2_u1i1+輸出：受控部分輸入：控制部分第47頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天g:轉(zhuǎn)移電導(dǎo)

(2)電壓控制的電流源(VCCS)u1gu1+_u2i2_i1+(3)電壓控制的電壓源(VCVS)

u1+_u2i2_u1i1++-

:電壓放大倍數(shù)

第48頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天ri1+_u2i2_u1i1++-(4)電流控制的電壓源(CCVS)r:轉(zhuǎn)移電阻

例電路模型第49頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.受控源與獨(dú)立源的比較(1)獨(dú)立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無(wú)關(guān)，而受控源電壓(或電流)由控制量決定。(2)獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)”作用，在電路中產(chǎn)生電壓、電流，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)”。例求：電壓u2。解5i1+_u2_u1=6Vi1++-3第50頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4基爾霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律(KCL)和基爾霍夫電壓定律(KVL)。它反映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析集總參數(shù)電路的基本定律?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。第51頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、概念電路中通過(guò)同一電流的分支。(b)支路的連接點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。(

n

)b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路(branch)電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路i3i2i1(2)結(jié)點(diǎn)(node)b=5第52頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天由支路組成的閉合路徑。(l)l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3)回路(loop)第53頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、基爾霍夫電流定律(KCL)令流出為“+”，有：例

在集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，對(duì)任意結(jié)點(diǎn)流出或流入該結(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。流進(jìn)的電流等于流出的電流第54頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天1

32例三式相加得：表明KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)的任一閉合面明確（1）KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點(diǎn)處的反映；（2）KCL是對(duì)支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無(wú)關(guān)，與電路是線(xiàn)性還是非線(xiàn)性無(wú)關(guān)；（3）KCL方程是按電流參考方向列寫(xiě)，與電流實(shí)際方向無(wú)關(guān)。第55頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針.–U1–US1+U2+U3+U4+US4=03.基爾霍夫電壓定律(KVL)

在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1）標(biāo)定各元件電壓參考方向U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4第56頁(yè),共63頁(yè)，2024年2月25日，星期天例KVL也