第1章-電路模型和電路定律

緒論一、課程定位二、電路理論及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史三、電路理論的應(yīng)用四、電路理論和“電路”課程

電路數(shù)字電子技術(shù)信號(hào)與系統(tǒng)模擬電子技術(shù)課程的主要內(nèi)容一、電阻性電路分析

Chapter1~5二、動(dòng)態(tài)電路分析

Chapter6、7、11、14、16三、正弦穩(wěn)態(tài)電路分析

Chapter8~10、12、13本課程的學(xué)習(xí)要求掌握基本概念、基本定理、基本分析方法。培養(yǎng)獨(dú)立分析、解決問題的能力。培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的作風(fēng)和治學(xué)態(tài)度。如何學(xué)好本課程？抓住三個(gè)主要環(huán)節(jié)處理好四個(gè)基本關(guān)系

課前預(yù)習(xí)課堂聽課課后復(fù)習(xí)聽課與筆記作業(yè)與復(fù)習(xí)自學(xué)與互學(xué)理論與實(shí)踐掌握理論知識(shí)，大量演算習(xí)題把握電路規(guī)律，注意知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系思考，討論，實(shí)驗(yàn)，交流完成課程總結(jié)保持良好的課堂秩序認(rèn)真完成課后作業(yè)積極完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)小節(jié)分析方法小節(jié)學(xué)習(xí)體會(huì)第1章電路模型和電路定律(CircuitModelsandLaws)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本章重點(diǎn)1.電壓、電流的參考方向4.基爾霍夫定律：KCL、KVL

重點(diǎn)：3.電阻元件和電源元件的特性拓?fù)浼s束2.功率計(jì)算、功率的吸收和釋放元件約束（VCR）難點(diǎn)§1-1電路和電路模型1.實(shí)際電路由電工設(shè)備和電氣器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路。1.實(shí)際電路功能a能量轉(zhuǎn)換：實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b信號(hào)處理：實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞、控制與處理。a借助于電壓、電流來完成；b建立在同一電路理論基礎(chǔ)上。共性組成電源（source）負(fù)載（load）電源:激勵(lì)源(激勵(lì))電壓、電流:響應(yīng)、輸入、輸出例：電池、發(fā)電機(jī)例：日光燈電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電動(dòng)機(jī)、電爐等輸電線反映實(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.電路模型理想電路元件具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義，用來模擬某一電磁現(xiàn)象的元件。電路模型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1、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；2、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。例電感線圈的電路模型注意干電池

Battery燈泡Lamp開關(guān)Switch導(dǎo)線Line負(fù)載Load電源Source電路圖+_§1-2電流和電壓的參考方向(ReferenceDirection)

電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁通、磁通鏈、能量、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。電壓電流電荷磁通磁通鏈能量功率UIQΦΨWPuiqφψwp單位1kA=103A1mA=10-3A1

A=10-6AA(安培)、kA、mA、

A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)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量1.電流的參考方向元件(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。方向規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向任意假定一個(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：i

參考方向ABi

參考方向AB電流的參考方向重點(diǎn)電流(代數(shù)量)

大小方向(正負(fù)）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B。i

參考方向ABiABAB電壓?jiǎn)挝?.電壓的參考方向單位正電荷q

從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力做功的大小。實(shí)際電壓方向電位真正降低的方向V(伏特)、kV、mV、

V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)際電路問題的分析計(jì)算帶來困難。

參考方向U>0參考方向U+–參考方向U+–<0U假設(shè)高電位指向低電位的方向+實(shí)際方向–+實(shí)際方向–重點(diǎn)電壓的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：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如果指定流過元件的電流的參考方向是從標(biāo)以電壓正極性的一端指向負(fù)極性的一端，即兩者的參考方向一致，則把電流和電壓的這種參考方向稱之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，當(dāng)兩者不一致時(shí)，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向3.關(guān)聯(lián)參考方向i+-+-iuu難點(diǎn)習(xí)慣：負(fù)載取關(guān)聯(lián)參考方向、電源取非關(guān)聯(lián)參考方向例1電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問：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)。＋－uBAi分析電路前必須指定電壓和電流的參考方向，這樣電壓和電流的正或負(fù)值才有意義；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)算過程中不得任意改變；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；以后的分析中習(xí)慣上負(fù)載取關(guān)聯(lián)參考方向、電源取非關(guān)聯(lián)參考方向。小結(jié)1.3電功率和能量1.電功率單位：W(瓦)(Watt，瓦特)單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。(PowerandEnergy)2.能量單位：J(焦)(Joule，焦耳)在t0到t的時(shí)間內(nèi)，元件吸收的能量為P>0，W>0

元件確實(shí)吸收功率和能量P<0，W<0元件實(shí)際釋放電能或發(fā)出功率3.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

u,i取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu難點(diǎn)(實(shí)際發(fā)出)(實(shí)際吸收)例已知：U1=1V，U2=-3V，U3=8V，U4=-4V，U5=7V，U6=-3V，I1=2A，I2=1A，I3=-1A。求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－解：對(duì)一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率＝吸收的功率(發(fā)出)(發(fā)出)(發(fā)出)(吸收)(發(fā)出)(吸收)（CircuitElements）是電路中最基本的組成單元。1.電路元件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。§1-4電路元件元件的兩個(gè)端子的電路物理量之間的代數(shù)函數(shù)關(guān)系稱為元件的端子特性（或元件特性）。集總參數(shù)元件：在任何時(shí)刻,流入二端元件的一個(gè)端子的電流等于從另一個(gè)端子流出的電流，且端子間的電壓為電流的單值函數(shù)。假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行。分布參數(shù)電路：元件尺寸與工作時(shí)電磁波的波長(zhǎng)可以比擬的電路。集總參數(shù)電路：由集總元件構(gòu)成的電路，且元件尺寸遠(yuǎn)小于工作時(shí)電磁波的波長(zhǎng)。2.電路元件分類①線性元件非線性元件②二端元件多端元件③時(shí)不變?cè)r(shí)變?cè)軣o源元件有源元件：表征元件特性的代數(shù)關(guān)系是一個(gè)線性關(guān)系。：表征元件特性的代數(shù)關(guān)系是一個(gè)非線性關(guān)系。：具有兩個(gè)引出端。：具有兩個(gè)以上引出端。：元件參數(shù)與時(shí)間無關(guān)。：元件參數(shù)隨時(shí)間變化。：不依靠外加電源（直流或交流）的存在就能獨(dú)立表現(xiàn)出其外特性的器件。P(t)>0W(t)>0：必須靠外界的電源供電才能表現(xiàn)出其外特性的器件。P(t)<0W(t)<0（Resistor）電路符號(hào)1.線性電阻元件u~i

關(guān)系u、i取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，滿足歐姆定律Rui+－R稱為電阻，單位：

(Ohm)

參數(shù)G稱為電導(dǎo)，單位：S(Siemens)

G=1/R

§1-5電阻元件如果電阻上的電壓與電流參考方向取非關(guān)聯(lián)參考方向，則公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)。則歐姆定律寫為u–Rii–Gu公式和參考方向必須配套使用！Rui-+注意2.伏安特性iu0aθUI(1:mu)(1:mi)iu0iu03.電阻的開路與短路短路開路Riu+–Riu+–i11`Riu+–11`iu+–4.功率和能量電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p

ui

-Ri2

-u2/R-Gu2-i2/Gp

ui

Ri2

u2/R

Gu2

i2/G功率Rui-+Rui+-從t0

到t電阻消耗的能量：能量5.其它非線性電阻元件或時(shí)變電阻元件或負(fù)電阻元件：電阻元件的伏安特性曲線位于2、4象限。實(shí)際電阻器

§1-6電壓源和電流源1.電壓源重點(diǎn)電路符號(hào)伏安關(guān)系ui0其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過它的電流i

無關(guān)的元件叫理想電壓源。+_us(Us)i+_Su+_u外電路12us(t1)ui0Us發(fā)出功率

(VoltageSourceandCurrentSource)R恒壓不恒流（端電壓u與i無關(guān)，電流i由外電路確定）特點(diǎn)外電路電壓源開路不允許例i+_Su電壓源短路例計(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）i+_+_10V5V-+2.電流源電路符號(hào)伏安關(guān)系ui0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無關(guān)的元件叫理想電流源。is(t1)ui0Is(發(fā)出)+_isui+_u外電路is功率特點(diǎn)恒流不恒壓（電流i與u無關(guān)，端電壓u由外電路確定）R外電路電流源開路不允許電流源短路i+_uis3.正弦電壓源（正弦電流源）例：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）u2Ai+_5V-+4.實(shí)際電源鋅-錳干電池(1)干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）鋅-錳干電池電動(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。水銀鈕扣電池水銀鈕扣電池用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)也不可逆。蓄電池示意圖(2)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。(3)太陽(yáng)能電池（光能電源）一塊硅太陽(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)殡娔埽食Ｓ锰?yáng)能電池板。硅太陽(yáng)能電池示意圖太陽(yáng)能電池板直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計(jì)函數(shù)發(fā)生器§1-7受控電源(ControlledSource)2.電路符號(hào)+–受控電壓源1.定義受控電流源輸出的電壓或電流不是給定的時(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。

IbIc三極管3.分類g:轉(zhuǎn)移電導(dǎo)電壓控制電流源(VCCS)電壓控制電壓源(VCVS)

:電壓放大倍數(shù)

四端元件輸出：受控部分輸入：控制部分gu1_u1+i2

u1+_u2_u1++_重點(diǎn)電流控制電流源(CCCS)

:電流放大倍數(shù)電流控制電壓源(CCVS

)r:轉(zhuǎn)移電阻b

i1i2i1ri1+_u2i1+_4.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，是實(shí)際電路電能或電信號(hào)的“源泉”；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，在電路中不能起“激勵(lì)”作用，不能獨(dú)立向外電路提供能量。例+_u15Ω+_u2Ωgu1iiS圖中iS=2A，VCCS的控制系數(shù)g=2S，求u。解:u1=5

iS=10Vu=2gu1=40V例求圖中電壓u2。解:u1=6V5i1+_u2_i1++-3§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)。重點(diǎn)（Kirchhoff’sLaws）

1.幾個(gè)名詞支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。支路電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路。結(jié)點(diǎn)236145①③④②由支路組成的閉合路徑?；芈?branch)(node)(loop)2.基爾霍夫電流定律

(KCL)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。根據(jù)電流的參考方向，若流出結(jié)點(diǎn)的電流前面取“+”號(hào)，則流入結(jié)點(diǎn)的電流前面取“-”號(hào)。重點(diǎn)例①③④②⑤⑥i1i3i2i7i8i5i4i6對(duì)結(jié)點(diǎn)①應(yīng)用KCL有也可寫為:S對(duì)結(jié)點(diǎn)②對(duì)結(jié)點(diǎn)③對(duì)閉合面S

通過一個(gè)閉合面的支路電流的代數(shù)和總是等于零；或者說，流出閉合面的電流總是等于流入同一閉合面的電流。

任意時(shí)刻，流出任一結(jié)點(diǎn)的支路電流等于流入該結(jié)點(diǎn)的支路電流。掌握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關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電流實(shí)際方向無關(guān)。小結(jié)例求電流i?解:3.基爾霍夫電壓定律

(KVL) 在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。在指定一個(gè)回路的繞行方向后，凡支路電壓的參考方向與回路的繞行方向一致者，該電壓前面取“+”號(hào)，支路電壓的參考方向與回路的繞行方向相反者，前面取“-”號(hào)。重點(diǎn)例對(duì)指定回路應(yīng)用KCL有也可寫為:236145①③④②-+u4+-u1+-u5-u3++