A基本概念和定律實用教案

1、1.1 電路(dinl)和電路(dinl)模型（model)定義：電器元件或設備按一定方式連接而構(gòu)成的電流的通路。作用：（1）能量轉(zhuǎn)換：實現(xiàn)電能(dinnng)傳送、分配、控制、轉(zhuǎn)換等。 （2）信號處理：實現(xiàn)電信號產(chǎn)生、加工、傳輸、變換等。 1、電路(dinl)：第1頁/共71頁第一頁，共72頁。發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐電力系統(tǒng)電路示意圖輸電線中間環(huán)節(jié)負載放大器話筒揚聲器擴音機電路示意圖信號源（電源）（1）電能(dinnng)的傳輸和轉(zhuǎn)換（2）信號(xnho)的傳遞和處理第2頁/共71頁第二頁，共72頁。（1）電源）電源(dinyun)：供給電能的設備。：供給電能的設備。 （2

2、）負載： 消耗電能(dinnng)的設備。（3）中間環(huán)節(jié)（又稱傳輸(chun sh)控制環(huán)節(jié)）：把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為電能。把電能轉(zhuǎn)換為其它形式的能量。 各種控制電器和導線，起傳輸、分配、控制電能的作用。組 成：第3頁/共71頁第三頁，共72頁。2、電路理論主要研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，并用電流、電荷、電壓、磁通等物理量描述其中(qzhng)的過程。3、電路理論的目標(mbio)是計算電路中各器件的端子電流和端子間的電壓，而不研究器件內(nèi)部發(fā)生的物理過程。第4頁/共71頁第四頁，共72頁。4、電路(dinl)分類：fC線 性非 線 性時 變時 不 變 集中參數(shù)(cnsh)分布參數(shù)(cnsh) 靜

3、 態(tài) 動 態(tài) 激勵與響應(xingyng)滿足疊加性和齊次性的電路。電路元件參數(shù)不隨時間變化。電路幾何尺寸遠小于最小工作波長的電路。含有動態(tài)元件的電路。 f(Hz) 5025k500M30G(m)6x10612k 0.60.01C=3108m/s第5頁/共71頁第五頁，共72頁。UI開關(guān)ER0R干電池電珠實際(shj)電路電路(dinl)模型開關(guān)(kigun)5. 電路模型 (circuit model)v電路模型：理想元件組成的電路。？第6頁/共71頁第六頁，共72頁。 理想元件(yunjin)：為了對實際電路進行分析研究，把各種各樣的實際電路元件(yunjin)根據(jù)其主要物理性質(zhì)，抽象成理

4、想化的電路模型元件(yunjin)，這些元件(yunjin)包括電阻元件(yunjin)、電感元件(yunjin)、電容元件(yunjin)、獨立電源元件(yunjin)、受控源元件(yunjin)、二端口和多端元件(yunjin)等。理想電阻元件：表示(biosh)消耗電能的元件理想電感(din n)元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件理想電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件理想電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能 的元件第7頁/共71頁第七頁，共72頁。注意(zh y):l 具有相同的主要電磁性能的實際電路(dinl)部件，l 在一定條件下可用同一模型表示；l 同一實際電路

5、(dinl)部件在不同的應用條件下，其l 模型可以有不同的形式第8頁/共71頁第八頁，共72頁。例第9頁/共71頁第九頁，共72頁。1.2 電流(dinli)和電壓的參考方向 (reference direction) 電路中的主要物理量有電壓、電流(dinli)、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流(dinli)、電壓和功率。1. 電流的參考(cnko)方向 (current reference direction)l電流定義l電流強度帶電粒子有規(guī)則的定向運動單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量第10頁/共71頁第十頁，共72頁。a. 實際正方向(fngxing

6、)即物理中規(guī)定的方向(fngxing)正電荷移動(ydng)的方向電流(dinli)方向電流方向l 單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、kA、mA、Al 方向第11頁/共71頁第十一頁，共72頁。E1ABRE2IR電路分析中的假設正方向(fngxing)（參考方向(fngxing)）問題的提出：在復雜電路中難于判斷元件中物理量 的實際方向，電路如何(rh)求解？電流(dinli)方向AB？電流方向BA？第12頁/共71頁第十二頁，共72頁。b. 參考(cnko)正方向:1.任意(rny)假定; 2.若實際方向與參考(cnko)正方向相同, 則I為正值; 3.若實

7、際方向與參考正方向相反, 則I為負值;I=1AI= - 1A第13頁/共71頁第十三頁，共72頁。箭 頭雙下標(xi bio)Iab 電流(dinli)：c. 表示(biosh)方法 在分析電路時,首先要假定電流的參考正方向,并以此為準去分析計算,最后從答案的正負來判定電流的實際方向.= - IbabaIR第14頁/共71頁第十四頁，共72頁。l單位(dnwi)l方向(fngxing)a. 實際(shj)方向規(guī)定:從高電位點指向低電位點，即電壓降 的方向。b.參考正方向： ；若實際方向與參考正方向相同,則為正值；否則為負值任意假定2. 電壓的參考方向 (voltage reference di

8、rection)l電壓定義單位正電荷q 從電路中一點移至另一點時電場力做功（W）的大小V (伏)、kV、mV、V第15頁/共71頁第十五頁，共72頁。c. 表示(biosh)方法u_+正負號abUab（高電位在前， 低電位在后） 雙下標箭 頭uab電壓 元件的電壓和電流(dinli)取一致的參考方向；即滿足“水”往低處流的方向。3. 關(guān)聯(lián)參考(cnko)方向u第16頁/共71頁第十六頁，共72頁。支路電壓(diny)表達式書寫RIU關(guān)聯(lián)(gunlin)方向U=IRRIU非關(guān)聯(lián)(gunlin)方向U=IR電阻上電壓電流參考方向不同時，歐姆定律有不同的表達式第17頁/共71頁第十七頁，共72頁。R

9、IUU sU=IRUsRIUU sU=IRUs支路(zh l)電壓表達式（各串聯(lián)元件電壓降之和）abcbcabacUUU第18頁/共71頁第十八頁，共72頁。U=IRUsU=IRUsRIUU sRIUU s熟練書寫(shxi)一段支路的電壓表達式是書寫(shxi)各種電路方程的基礎(chǔ)，必須熟練掌握！第19頁/共71頁第十九頁，共72頁。注意：參考方向是電路課程的重要概念，電路中電壓及電流(dinli)的描述和計算都是在一定參考方向下進行，電壓及電流(dinli)的表達式、數(shù)值和電路中電壓及電流(dinli)的參考方向是密切相關(guān)的。電路作業(yè)(zuy)解題計算必須畫出電路圖并標注電壓電流參考方向！第

10、20頁/共71頁第二十頁，共72頁。關(guān)于電路(dinl)中物理量的方向 實際（正）方向：是一種物理現(xiàn)象（實際存在的）。 電流：正電荷移動的方向。 電壓：高電位指向(zh xin)低電位。 關(guān)聯(lián)參考方向(fngxing)：電壓、電流的參考方向(fngxing)相互關(guān)聯(lián)，即只能任意假定兩個量中的一個量的參考（正）方向(fngxing)，另一個物理量的參考（正）方向(fngxing)必須以該物理量的方向(fngxing)來確定。 參考（正）方向：為分析電路模型而任意假設的電流、電壓方向?？蓮挠嬎憬Y(jié)果驗證所取參考（正）方向是否為實際（正）方向。第21頁/共71頁第二十一頁，共72頁。1.3 電路(di

11、nl)元件的功率 (power)1. 電功率功率的單位(dnwi)：W (瓦) (Watt，瓦特)能量的單位(dnwi)： J (焦) (Joule，焦耳)單位時間內(nèi)電場力所做的功。aiRub如果u、 i方向不一致結(jié)果如何？功率有無正負？第22頁/共71頁第二十二頁，共72頁。2. 電路(dinl)吸收或發(fā)出功率的判斷u u, i 取關(guān)聯(lián)(gunlin)參考方向, p = uiu u, i 取非關(guān)聯(lián)參考(cnko)方向, p = - ui+-iu p=ui 0 表示該器件吸收功率； p=ui 0 表示該器件吸收功率； P= -ui 0 5）無記憶元件：u(t)=Ri(t)第29頁/共71頁第二

12、十九頁，共72頁。3. 功率(gngl)和能量上述結(jié)果說明電阻元件(yunjin)在任何時刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R u(u/ R) u2/ Rp u i i2R u2 / R功率(gngl)：Rui+-Rui+-第30頁/共71頁第三十頁，共72頁。Riu+從 t 到t0電阻消耗(xioho)的能量： ttttRuipW00dd4. 電阻的開路(kil)與短路能量(nngling)：l 短路0 0 ui G or R0l 開路00 ui 0 G or Rui第31頁/共71頁第三十一頁，共72頁。5. 其它(qt)電阻元件l 時變(sh bin)：)()()(tR

13、titul 負電阻(dinz)：ui隨時間變化伏安特性在二、四象限；實際為一個發(fā)出電能的元件；一般需要專門設計。第32頁/共71頁第三十二頁，共72頁。iuS+_abuab伏安特性iuabuS(t1) 1.5 電源(dinyun)元件 (independent source)1. 理想電壓(diny)源(簡稱電壓(diny)源)能獨立向外電路提供恒定電壓(diny)的二端元件。伏安特性iuabUSiUS+_abuab第33頁/共71頁第三十三頁，共72頁。特點(tdin)：(1）輸出電 壓不變，其值恒等于電動勢。 即 uab uS (或uab US)； （3）電壓源可以開路(kil)，但不能短

14、路； （4）電壓源可以(ky)串聯(lián)使用。（2）電源中的電流由外電路決定；第34頁/共71頁第三十四頁，共72頁。+US1 -+US2 -+US -US=US1 + US2+US1 -US2 +US=US1 -US2第35頁/共71頁第三十五頁，共72頁。電壓(diny)源中的電流由外電路決定設: US=10V當R1 R2 同時(tngsh)接入時： I=10AR22 當R1接入時 ： I=5A則：IUS+_abUab2R1第36頁/共71頁第三十六頁，共72頁。電壓(diny)源特點（續(xù)）5 5、電壓、電壓(diny)(diny)源可能發(fā)出功率源可能發(fā)出功率, ,也可能電壓也可能電壓(diny

15、)(diny)源吸收功率。源吸收功率。第37頁/共71頁第三十七頁，共72頁。IE+_abUR1 R求I、U與R1支路(zh l)無關(guān)。(6)與電壓源并聯(lián)的電路對其它(qt)部分電路來說相當于開路.第38頁/共71頁第三十八頁，共72頁。解:+abU25V(a)+abU5V(c)+(a)a+5V32U+a+-2V5VU+-b2(c)+第39頁/共71頁第三十九頁，共72頁。2.理想(lxing)電流源(簡稱電流源)能獨立(dl)向外電路提供恒定電流的二端元件。abiuabisiuabiS(t1)伏安特性abiuabIsiuabIS伏安特性第40頁/共71頁第四十頁，共72頁。特點：（1）輸出(

16、shch)電流不變，其值恒等于電 流源電流 IS； （2）輸出(shch)電壓由外電路決定；（4）電流源可以(ky)并聯(lián)使用；（3）電流源不可以開路，但可以短路；（5）電流源可能發(fā)出功率也可能吸收功率。第41頁/共71頁第四十一頁，共72頁。IS1IS2IS1IS2ISIS=IS1+IS2IS=IS1 - IS2第42頁/共71頁第四十二頁，共72頁。電流(dinli)源兩端電壓由外電路決定IUIsR設: IS=1 A R=10 時， U =10 V R=1 時， U =1 V則:第43頁/共71頁第四十三頁，共72頁。電壓源中的電流如何決定？電流源兩端的電壓等于多少？IUS R_+abUab

17、=?Is原則(yunz)：Is不能變，US不能變。abSUIR U電壓(diny)源中的電流 I= IS電流(dinli)源兩端的電壓 當IS=1A,US=2V,R=1 時,電路中各元件功率消耗情況?若R=2 ,4 時又怎樣?例題第44頁/共71頁第四十四頁，共72頁。IUIS求I、U？I、 U 與R1無關(guān)(wgun)。R1（6）與電流源串聯(lián)的電路(dinl)對其它部分電路(dinl)來說相當于短路.第45頁/共71頁第四十五頁，共72頁。解:aU 5A23b+a5AbU3(b)+第46頁/共71頁第四十六頁，共72頁。電壓(diny)源與電流源特性比較電壓源電流源不 變 量變 化 量US+_

18、abIUabUab = US （常數(shù)）Uab的大小、方向均為恒定(hngdng)，外電路負載對 Uab 無影響。IabUabIsI = Is （常數(shù)）I 的大小、方向均為恒定(hngdng)，外電路負載對 I 無影響。輸出電流 I 可變 - I 的大小、方向均由外電路決定端電壓Uab 可變 -Uab 的大小、方向均由外電路決定第47頁/共71頁第四十七頁，共72頁。 1、定義：受控電壓源的電壓和受控電流源的電流都不是給定的時間函數(shù)，而是受電路(dinl)中某部分的電壓或電流控制的，故受控源又稱為非獨立電源。2、電路結(jié)構(gòu)特征：具有兩條支路： 受控電流源或電壓源所在(suzi)支路 受控支路 控制

19、電流或電壓所在(suzi)支路 控制支路1.6 受控電源(dinyun) (非獨立源)(controlled source or dependent source)第48頁/共71頁第四十八頁，共72頁。3、受控源電路模型（四端(s dun)元件）： （1） 電壓電壓(diny)控制電壓控制電壓(diny)源源（2） 電壓(diny)控制電流源U1gU1Voltage Controlled Voltage SourceU1U1i + _ + _ （VCVS) + _（VCCS)Voltage Controlled Current SourceU2= U1I2= gU1例:電子三極管例:場效應管

20、g: 轉(zhuǎn)移電導 （具有電導量綱）: 電壓放大倍數(shù) （量綱為一）+U2 _I2 第49頁/共71頁第四十九頁，共72頁。（3） 電流控制(kngzh)電壓源（4） 電流(dinli)控制電流(dinli)源I1I1I1I1Current Controlled Voltage Source（CCVS)i + _ + U1 -+U2 _ + U1 - I2 （CCCS)Current Controlled Current SourceU2= I1I2= I1例:直流發(fā)電機例:晶體(jngt)三極管: 電流放大倍數(shù)（量綱為一）r : 轉(zhuǎn)移電阻 （具有電阻的量綱）第50頁/共71頁第五十頁，共72頁。4

21、、受控源特點(tdin)： （1） 非獨立非獨立(dl)的電源：不能獨立的電源：不能獨立(dl)向外向外電路提供能量。電路提供能量。（2） 具有兩重性：電源(dinyun)性、電阻性。注意：獨立電源在電路中可以獨立地起“激勵”作用，是實際電路電能或電信號的“源泉”。 受控源是描述電子器件中某一支路對另一支路控制作用的理想模型，表示一處的電路變量與另一處電路變量之間的耦合關(guān)系，本身不直接起“激勵”作用。第51頁/共71頁第五十一頁，共72頁。支路：流過同一電流的分支。節(jié)點：兩條以上支路的交 匯點?；芈罚喝舾蓷l支路組成的 閉合(b h)路徑。6條支路 4個節(jié)點(ji din) 8個回路 Us1 1

22、Us2 2R5R4R6I2I4I6I5I1R3I31 12 23 3支路(zh l)、節(jié)點、回路的概念1.7 基爾霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )第52頁/共71頁第五十二頁，共72頁。(一) 基爾霍夫電流(dinli)定律（KCL） 對任何集總參數(shù)電路的任何節(jié)點，在任一瞬間，流入節(jié)點的電流(dinli)等于由節(jié)點流出的電流(dinli),基爾霍夫電流定律(dngl)的依據(jù)：電流的連續(xù)性 I =0即：例 或者說，在任一瞬間，一個節(jié)點上電流的代數(shù)和為 0。 I 入= I 出即：Us1 1Us2 2R5R4R6I2I4I6I5I1R3I3u節(jié)點1： I1I2I3=0u節(jié)點2：I3I

23、4I5=0u節(jié)點3： I2I4I6=0u節(jié)點4： I1I5I6 =0*正負號約定第53頁/共71頁第五十三頁，共72頁。電流定律還可以擴展到電路的任意(rny)封閉面。例I1+I2=I3例I=0基爾霍夫電流(dinli)定律的擴展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R第54頁/共71頁第五十四頁，共72頁。(二) 基爾霍夫電壓(diny)定律（KVL）在集總參數(shù)電路中，對電路中的任一回(y hu)路，沿任意循行方向轉(zhuǎn)一周，其電位升等于電位降?；蚋麟妷旱拇鷶?shù)和為 0。即：0 U U 升= U 降Us1 1Us2 2R5R4R6I2I4I6I5I1R3I31 12 23 3u回路1：

24、 I3R3+I4R4+US2=0u回路2： - I3R3-I5R5+US1=0u回路3: I4R4+I6R6-I5R5=0u 注意：支路電壓方向與支路電流(dinli)方向盡量選取一致。*正負號約定第55頁/共71頁第五十五頁，共72頁。基爾霍夫電壓定律(dngl)的推廣：可應用于回路的部分電路+-ABC-UABUAUBER+-+-UIUUAUBUAB=0或 UABUAUB E=U+RI或 UERI注列方程時，要先在電路圖上標出電流、電壓或電動勢的參考(cnko)方向。第56頁/共71頁第五十六頁，共72頁。Rui第二類是元件連接(linji)關(guān)系(拓撲約束) 基爾霍夫定律 0i0u第57頁/

25、共71頁第五十七頁，共72頁。+-+-E3E1E2-R1RRRI1I2I3I4I5I6求各支路電流？ 例題(lt)第58頁/共71頁第五十八頁，共72頁。圖示電路，求電壓(diny)U和電流I及受控源的功率。解：-2-2I -2I -6U +10=0由KVL，有-4I -6U = - 8又有U = 2I+2聯(lián)立解得U = 1.5vI = - 0.25A受控源:(具有(jyu)電源性)P = 6UI= - 2.25W若受控源: 6UU UU = 4V I=1A(具有(jyu)電阻性)例題P = UI= 4W第59頁/共71頁第五十九頁，共72頁。例：電路及參考(cnko)方向如圖，已知R1=R2

26、=R3=10 ，Us1=Us2=Us3=12 V, Is1=1A, Is2=2A, Is3=3A, 求Uad。解：Uad=U1U2U3 U1=Us1+I1R1 =Us1Is1R1 =12110=22 V a ab bc cd dIs1Us1 1R1U1R2Is2R3Is3I1I2I3Us2 2Us3 3U2U3例題(lt)第60頁/共71頁第六十頁，共72頁。U2=I2R2Us2 =Is2R2+Us2 =21012=8 VU3=Us3I3R3 =Us3Is3R3 =12310=18 VUad =U1U2U3 = 22(8) (18) =12 Va ab bc cd dIs1Us1 1R1U1R

27、2Is2R3Is3I1I2I3Us2 2Us3 3U2U3第61頁/共71頁第六十一頁，共72頁。例：電路及參考(cnko)方向如圖，求Uab。解：I2=0 I3=5A I1=20/(12+8)=1A Uab=8I1+2I2+2-3I3 =-5 V 例題(lt)12823+20V-5A+2V-abI2I3I1第62頁/共71頁第六十二頁，共72頁。KCL、KVL小結(jié)(xioji)：(1) KCL是對支路電流的線性約束，KVL是對回路(hul)電壓的線性約束。(2) KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)(cnsh)無關(guān)。(3) KCL表明在每一節(jié)點上電荷是守恒的；KVL是能量守恒的具體體現(xiàn)(電壓與路徑無關(guān))。(4) KCL、KVL只適用于集總參數(shù)的電路。第63頁/共71頁第六十三頁，共72頁。Ai523 )(A3A2 ? i 3 3 5 1 41。Vu1552010 V5