電路原理(電路模型和電路定律)

1、電路原理(電路模型和電路定律)第1頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六1.1 電路和電路模型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、控制與處理。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)成的電流的通路。下 頁(yè)上 頁(yè)共性返 回第2頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六 反映實(shí)際電路部件的主要電磁 性質(zhì)的理想電路元件及其組合。2. 電路模型導(dǎo)線電池開(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。電路模型下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第3頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六5種基本的理想電路元件：電阻元件

2、：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)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。5種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。下 頁(yè)上 頁(yè)注意返 回第4頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件， 在一定條件下可用同一電路模型表示；同一實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用條件下，其電路模型可以有不同的形式。下 頁(yè)上 頁(yè)例電感線圈的電路模型注意返 回第5頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，

3、星期六1.2 電流和電壓的參考方向 電路中的主要物理量有電壓、電流、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、電壓和功率。1.電流的參考方向電流電流強(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第6頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六方向 規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向單位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(導(dǎo)線)中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能: 實(shí)際方向AB實(shí)際方向AB 對(duì)于復(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。下 頁(yè)上 頁(yè)問(wèn)

4、題返 回第7頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六參考方向 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。i 0i 0參考方向U+參考方向U+ 0 吸收正功率 (實(shí)際吸收)P0 發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出)P0 發(fā)出負(fù)功率 (實(shí)際吸收) u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向下 頁(yè)上 頁(yè)+-iu+-iu返 回第18頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六例 求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。下 頁(yè)上 頁(yè)已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3

5、= -1A 564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1返 回第19頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六解對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率下 頁(yè)上 頁(yè)564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意返 回第20頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六下 頁(yè)上 頁(yè)1.4 電路元件是電路中最基本的組成單元。1. 電路元件返 回5種基本的理想電路元件：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)能量的元件電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。注意 如果表征元件端子特性

6、的數(shù)學(xué)關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。第21頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六2.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。集總條件下 頁(yè)上 頁(yè) 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)。因此，任何時(shí)刻，流入兩端元件一個(gè)端子的電流等于從另一端子流出的電流；端子間的電壓為單值量。注意返 回集總電路（Lumped circuit）：在一般的電路分析中,電路的所有參數(shù),如阻抗、容抗、感抗都集中于空間的各個(gè)點(diǎn)上,各個(gè)元件上,各點(diǎn)之間的信號(hào)是瞬間傳遞的,這種理想化的電路模型稱為集總電路。 這類電路所涉及

7、電路元件的電磁過(guò)程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行。 第22頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六1.5 電阻元件2.線性時(shí)不變電阻元件 電路符號(hào)R電阻元件對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來(lái)描述：iu任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。1.定義伏安特性下 頁(yè)上 頁(yè)0返 回第23頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六 ui 關(guān)系R 稱為電阻，單位： (Ohm)滿足歐姆定律 單位G 稱為電導(dǎo)，單位：S (Siemens) u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向下 頁(yè)上 頁(yè)伏安特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線ui0Rui+返 回第24頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31

8、分，星期六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)；說(shuō)明線性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元 件。歐姆定律只適用于線性電阻( R 為常數(shù)）；則歐姆定律寫(xiě)為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！下 頁(yè)上 頁(yè)注意Rui-+返 回第25頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六3.功率和能量電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R - u2/ Rp u i i2R u2 / R 功率Rui+-下 頁(yè)上 頁(yè)表明Rui-+返 回第26頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六ui從 t0 到 t 電阻消耗的能量：4.電阻的開(kāi)路與

9、短路 能量 短路 開(kāi)路ui下 頁(yè)上 頁(yè)Riu+u+i00返 回第27頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六下 頁(yè)上 頁(yè)實(shí)際電阻器返 回第28頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六 1.6 電壓源和電流源電路符號(hào)1.理想電壓源定義i+_下 頁(yè)上 頁(yè)其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電流 i 無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。返 回第29頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六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直流電壓源的伏安

10、關(guān)系下 頁(yè)上 頁(yè)例Ri-+外電路電壓源不能短路！0返 回第30頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六電壓源的功率電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；+_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，起電源作用物理意義：下 頁(yè)上 頁(yè)+_iu+_電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：電場(chǎng)力做功，電源吸收功率吸收功率，充當(dāng)負(fù)載返 回第31頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六例計(jì)算圖示電路各元件的功率解發(fā)出吸收吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）下 頁(yè)上 頁(yè)i+_+_10V5V-+返 回第32頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，

11、星期六其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。 電路符號(hào)2.理想電流源 定義u+_下 頁(yè)上 頁(yè) 理想電流源的電壓、電流關(guān)系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)。返 回第33頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。ui直流電流源的伏安關(guān)系下 頁(yè)上 頁(yè)0例Ru-+外電路電流源不能開(kāi)路！返 回第34頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六 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)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。下

12、 頁(yè)上 頁(yè)實(shí)際電流源的產(chǎn)生： 電流源的功率u+_電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；發(fā)出功率，起電源作用電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；u+_吸收功率，充當(dāng)負(fù)載返 回第35頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六例計(jì)算圖示電路各元件的功率解發(fā)出吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）下 頁(yè)上 頁(yè)u2Ai+_5V-+返 回第36頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六實(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。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第37頁(yè)

13、，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六 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。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第38頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六3. 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)能電池板下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第39頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)3

14、1分，星期六蓄電池示意圖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。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第40頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計(jì)函數(shù)發(fā)生器下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第41頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六發(fā)電機(jī)組下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第42頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六草原上的風(fēng)力發(fā)電下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第43頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六休息三分鐘第44頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六

15、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，稱受控源。1.7 受控電源(非獨(dú)立源) 電路符號(hào)+受控電壓源1.定義受控電流源下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第45頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六電流控制的電流源 ( 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.分類四端元件輸出：受控部分輸入：控制部分下 頁(yè)上 頁(yè)b i1+_u2i2_u1i1+返 回第46頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六g:

16、轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 電壓控制的電流源 ( VCCS )電壓控制的電壓源 ( VCVS ): 電壓放大倍數(shù) gu1+_u2i2_u1i1+下 頁(yè)上 頁(yè)i1u1+_u2i2_u1+_返 回第47頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六電流控制的電壓源 ( CCVS )r : 轉(zhuǎn)移電阻 例電路模型ibicib下 頁(yè)上 頁(yè)ri1+_u2i2_u1i1+_返 回第48頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六3.受控源與獨(dú)立源的比較獨(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。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，

17、而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對(duì)另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)”。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第49頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六例求：電壓u2解5i1+_u2_i1+-3u1=6V下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第50頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六1.8 基爾霍夫定律 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)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第51頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31

18、分，星期六1.幾個(gè)名詞電路中通過(guò)同一電流的分支。b=3ab+_R1uS1+_uS2R2R3支路i3i2i1結(jié)點(diǎn)下 頁(yè)上 頁(yè)三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。n=2返 回第52頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六由支路組成的閉合路徑。兩結(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成對(duì)平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3123路徑回路網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。下 頁(yè)上 頁(yè)+_R1uS1+_uS2R2R3注意返 回第53頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六2.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

19、）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下 頁(yè)上 頁(yè)返 回第54頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六例三式相加得：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。下 頁(yè)上 頁(yè)1 3 2表明返 回第55頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六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；KCL是對(duì)結(jié)點(diǎn)處支路電流加的約束，與支路上接的是什么元件無(wú)關(guān)，與電路是線性還是非線性無(wú)關(guān)；KCL方程是按電流參考方向列寫(xiě)的，與電流實(shí)際方向無(wú)關(guān)。下 頁(yè)上 頁(yè)明確返 回第56頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六3.基爾霍夫電壓定律 (

20、KVL)U3U1U2U4下 頁(yè)上 頁(yè)標(biāo)定各元件電壓參考方向 選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。返 回第57頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六U1US1+U2+U3+U4+US4= 0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 頁(yè)上 頁(yè)U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也適用于電路中任一假想的回路。注意返 回第58頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期六例KVL的實(shí)質(zhì)反映了電路遵從能量守恒定律;KVL是對(duì)回路中的支路電壓加的約束，與回路各支路上接的是什么元件無(wú)關(guān)，與電路是線性還是非線性無(wú)關(guān)；KVL方程是按電壓參考方向列寫(xiě)，與電壓實(shí)際方向無(wú)關(guān)。下 頁(yè)上 頁(yè)明確aUsb_-+U2U1返 回第59頁(yè)，共67頁(yè)，2022年，5月20日，0點(diǎn)31分，星期