電路模型與電路定律2012PPT課件

1、1.1 電路和電路模型（電路和電路模型（model)1. 實(shí)際電路實(shí)際電路功能功能a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b 信息的傳遞與處理。信息的傳遞與處理。共性共性建立在同一電路理論基礎(chǔ)上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。第1頁/共50頁 反映實(shí)際電路部件的主要電磁反映實(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。性質(zhì)的理想電路元件及其組合。10BASE-T wall plate導(dǎo)線導(dǎo)線電池電池開關(guān)開關(guān)燈泡燈泡2. 電路模型電路模型 (circuit model)LRsRsU電路圖l理想電路元件理想電路元件有某種確定的電磁性能的

2、理想元件有某種確定的電磁性能的理想元件l電路模型電路模型第2頁/共50頁幾種基本的電路元件：幾種基本的電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件電阻元件：表示消耗電能的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲(chǔ)存磁場能量的元件電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲(chǔ)存磁場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲(chǔ)存電場能量的元件電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲(chǔ)存電場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)變成電能的元件注注l 具有相同的主要電磁性能的實(shí)際電路部件，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模型表示；在一定條件下可用同一模型表示；l 同一實(shí)際電路部

3、件在不同的應(yīng)用條件下，其同一實(shí)際電路部件在不同的應(yīng)用條件下，其 模型可以有不同的形式模型可以有不同的形式第3頁/共50頁例例3. 集總參數(shù)電路集總參數(shù)電路:由集總元件構(gòu)成的電路由集總元件構(gòu)成的電路集總元件集總元件:假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行假定發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行注注集總參數(shù)電路中集總參數(shù)電路中 u、i 可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無關(guān)間坐標(biāo)無關(guān)集總條件:元件的尺寸遠(yuǎn)小于正常工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長元件的尺寸遠(yuǎn)小于正常工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長 第4頁/共50頁1.2 電流和電壓的參考方向 (reference direction) 電路中的主要物理量

4、有電壓、電流、電荷、磁鏈、能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)心的物理量是是電流、電壓和功率電流、電壓和功率。1. 電流的參考方向電流的參考方向 (current reference direction)l電流電流l電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)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)體橫截面的電荷量單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量第5頁/共50頁l 方向方向規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。規(guī)定正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。l 單位單位1kA=103A1mA=10-3A1

5、A=10-6Aq 單位：庫侖；單位：庫侖；t 單位：秒單位：秒;i 單位：安培（單位：安培（ A）。）。元件元件 ( 導(dǎo)線導(dǎo)線 ) 中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能: 實(shí)際方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向 AABB問題問題復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的復(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。實(shí)際方向往往很難事先判斷。第6頁/共50頁l參考方向參考方向i 參考方向參考方向大小大小方向方向電流電流 ( 代數(shù)量代數(shù)量 )任意假定任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。方向。ABi 參考方向參

6、考方向i 參考方向參考方向i 0i 0參考方向參考方向U+實(shí)際方向?qū)嶋H方向+實(shí)際方向?qū)嶋H方向參考方向參考方向U+ 0 吸收正功率吸收正功率 (實(shí)際吸收實(shí)際吸收)P0 發(fā)出正功率發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出實(shí)際發(fā)出)P0 發(fā)出負(fù)功率發(fā)出負(fù)功率 (實(shí)際吸收實(shí)際吸收)l u, i 取非取非關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu第18頁/共50頁例：例：求圖示電路中各方框所代表求圖示電路中各方框所代表的元件消耗或產(chǎn)生的功率。的元件消耗或產(chǎn)生的功率。已知：已知： U1=1V, U2= -3V, U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V I1=2A, I2=1A, I3= -1A 解解（發(fā)

7、發(fā)出出）WIUP221111 （發(fā)發(fā)出出）WIUP62)3(122 （消消耗耗）WIUP1628133 （消消耗耗）WIUP3)1()3(366 （發(fā)發(fā)出出）WIUP7)1(7355 （發(fā)發(fā)出出）WIUP41)4(244 對(duì)一完整的電路，發(fā)出的功率消耗的功率，對(duì)一完整的電路，發(fā)出的功率消耗的功率，功率平衡功率平衡U6U3U1564123I2I3I1+-U5U4U2-第19頁/共50頁1.5 電阻元件電阻元件 (resistor)2. 線性定常電阻元件線性定常電阻元件l 電路符號(hào)電路符號(hào)R電阻元件電阻元件對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關(guān)系用對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其伏安關(guān)系用ui平面平面的一條曲線來

8、描述：的一條曲線來描述：0 ),(iufiu任何時(shí)刻元件的端電壓與流過的電流成正比的元件。1. 定義定義伏安特性第20頁/共50頁l元件的元件的ui 關(guān)系，稱元件的關(guān)系，稱元件的伏安關(guān)系伏安關(guān)系， ui 平面上的曲平面上的曲線稱元件的線稱元件的伏安特性伏安特性R 稱為電阻，單位：稱為電阻，單位： (歐歐) ( Ohm，歐姆，歐姆 )線性定常電阻伏安關(guān)系滿足歐姆定律 ( Ohms Law )uGRui iuR uil 單位單位G 稱為電導(dǎo)，單位：S(西門子) ( Siemens，西門子 ) u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向Rui+-伏安特性為一條過原點(diǎn)的直線Riu 第21頁/共50頁(2) 如電阻上的電壓

9、與電流參考方向非關(guān)聯(lián)如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián) 公式中應(yīng)加負(fù)號(hào)；公式中應(yīng)加負(fù)號(hào)；注注(3) 線性電阻是無記憶的、雙向性的元件。線性電阻是無記憶的、雙向性的元件。歐姆定律歐姆定律(1) 只適用于線性電阻，只適用于線性電阻，( R 為常數(shù)）；為常數(shù)）；則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u R i i G u公式和參考方向必須配套使用！Rui+-電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián):第22頁/共50頁3. 功率和能量功率和能量上述結(jié)果說明電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。上述結(jié)果說明電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。p u i (R i) i i2 R u(u/ R)

10、u2/ Rp u i i2R u2 / R功率：功率：Rui+-Rui+-用功率表示從用功率表示從 t0 到到 t 時(shí)刻電阻消耗的能量：時(shí)刻電阻消耗的能量： ttttRuipW00dd能量：能量：第23頁/共50頁Riu+4. 電阻的開路與短路電阻的開路與短路l 短路短路00 ui G or R0l 開路開路00 ui 0 G or Rui第24頁/共50頁 1.6 電源元件電源元件 (independent source)l 理想電壓源兩個(gè)基本性質(zhì)理想電壓源兩個(gè)基本性質(zhì)l 電路符號(hào)電路符號(hào)1. 理想電壓源理想電壓源l 定義定義iSu+_（1）它的端電壓定值）它的端電壓定值U時(shí)間函數(shù)時(shí)間函數(shù)U

11、(t)與流過的電流無關(guān)。與流過的電流無關(guān)。（2）電壓源自身電壓是確定的，流過它的電流由外電路確定。）電壓源自身電壓是確定的，流過它的電流由外電路確定。 端電壓在任何情況下都能保持為某給定的值或時(shí)間函數(shù)端電壓在任何情況下都能保持為某給定的值或時(shí)間函數(shù)us(t)，而與通過它的電流無關(guān)的二端元件稱為理想電壓源，而與通過它的電流無關(guān)的二端元件稱為理想電壓源 。第25頁/共50頁l 理想電壓源的伏安關(guān)系理想電壓源的伏安關(guān)系ui)(tuS伏安特性例：例：Ri-+Su外電路RuiS )( Ri0)( 0 Ri電壓源不能短路！電壓源不能短路！Suu 試討論試討論R為零、無窮大、常數(shù)時(shí)電壓源中的電流為零、無窮大

12、、常數(shù)時(shí)電壓源中的電流i。第26頁/共50頁l電壓源的功率電壓源的功率 電流（正電荷電流（正電荷 ）由高電位向低電位移）由高電位向低電位移動(dòng)，電場力做功動(dòng)，電場力做功 ， 電源吸收功率。電源吸收功率。（1） 電壓源、電流的參考方向電壓源、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)非關(guān)聯(lián)；物理意義：+_iu+_SuiuPS 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電位向高電位移）由低電位向高電位移動(dòng)，外力克服電場力作功電源發(fā)出功率。動(dòng)，外力克服電場力作功電源發(fā)出功率。0 iuPS發(fā)出功率，起發(fā)出功率，起電源作用電源作用（2） 電壓源、電流的參考方向電壓源、電流的參考方向關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)；物理意義：0 iuPS吸收功率，充當(dāng)吸收功率，

13、充當(dāng)負(fù)載負(fù)載i+_u+_Su第27頁/共50頁例例 5R+10V+_i+_Ru_5V計(jì)算圖示電路各元件的功率。計(jì)算圖示電路各元件的功率。解解VuR5510 )(ARuiR155 WRiPR5152 WiuPSV1011010 WiuPSV5155 （發(fā)出）（發(fā)出）（吸收）（吸收）（吸收）（吸收）滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸）第28頁/共50頁 實(shí)際電壓源也不允許短路，因其內(nèi)阻小，若短路，電流實(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。很大，可能燒毀電源。usuiOl 實(shí)際電壓源實(shí)際電壓源i+_u+_SuSR考慮內(nèi)阻伏安關(guān)系伏安關(guān)系iRuuSS 一個(gè)性能好的電壓源

14、要求一個(gè)性能好的電壓源要求0SR伏安特性第29頁/共50頁其輸出電流總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值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與它的兩端電壓u 無關(guān)的元件叫理想電流源。無關(guān)的元件叫理想電流源。l 電路符號(hào)電路符號(hào)2. 理想電流源理想電流源l 定義定義uSi+_(1) 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。兩端電壓方向、大小無關(guān)。(2) 電流源兩端的電壓由電流源及外電路共同決定。電流源兩端的電壓由電流源及外電路共同決定。l 理想電流源的兩個(gè)基本性質(zhì)理想電流源的兩個(gè)基本性質(zhì)第30

15、頁/共50頁例例外電路)( 00 Ru)( Ru電流源不能開路！電流源不能開路！Ru-+SiSRiu ui)(tiS伏安特性l 理想電流源的伏安關(guān)系理想電流源的伏安關(guān)系Sii 試討論試討論R為零、無窮大、常數(shù)時(shí)電流源兩端的電壓為零、無窮大、常數(shù)時(shí)電流源兩端的電壓u。第31頁/共50頁l電流源的功率電流源的功率（1）電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)非關(guān)聯(lián)；SuiP 發(fā)出功率，起發(fā)出功率，起電源作用電源作用（2）電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)；吸收功率，充當(dāng)吸收功率，充當(dāng)負(fù)載負(fù)載u+_Si0 SuiP0 SuiPu+_Si第32頁/共50頁例例計(jì)算圖示電路各元件的功

16、率。計(jì)算圖示電路各元件的功率。解：解：Ai2 Vu5 WuiPSA10522 WiuPSV10255 )(發(fā)出發(fā)出發(fā)出發(fā)出滿足滿足：P（發(fā)）（發(fā)）P（吸）（吸）2A+_u+_5Vi第33頁/共50頁iu+_SiSR 實(shí)際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若開路，電壓實(shí)際電流源也不允許開路。因其內(nèi)阻大，若開路，電壓很高，可能燒毀電源。很高，可能燒毀電源。isuiOl 實(shí)際電實(shí)際電流流源源考慮內(nèi)阻伏安關(guān)系伏安關(guān)系SSRuii 一個(gè)性能好的電流源要求一個(gè)性能好的電流源要求 SR伏安特性第34頁/共50頁1.8 受控電源受控電源 (非獨(dú)立源非獨(dú)立源)(controlled source or depen

17、dent source) 電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是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)地方的電壓受電路中某個(gè)地方的電壓( (或電流或電流) )控制的電源，稱受控源?？刂频碾娫?，稱受控源。l 電路符號(hào)電路符號(hào)+受控電壓源受控電壓源1. 定義定義受控電流源受控電流源第35頁/共50頁(1) (1) 電流控制電流源電流控制電流源 ( ( CCCS ) ) : : 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù) 根據(jù)控制量和被控制量是電壓根據(jù)控制量和被控制量是電壓u u 或電流或電流i i ，受控源可分，受控源可分四種類型：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)被當(dāng)被

18、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?？刂屏渴请娏鲿r(shí)，用受控電流源表示。2. 分類分類四端元件 i1+_u2i2_u1i1+12ii 輸出：受控部分輸入：控制部分第36頁/共50頁g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo)轉(zhuǎn)移電導(dǎo) (2) (2) 電壓控制電流源電壓控制電流源 ( ( VCCS )12gui (3) (3) 電壓控制電壓源電壓控制電壓源 ( ( VCVS ) ) u1+_u2i2_u1i1+-12uu : 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) i2i1gu1+_u2_u1+第37頁/共50頁(4) (4) 電流控制電壓源電流控制電壓源 ( ( CCVS ) )12riu r : 轉(zhuǎn)移

19、電阻轉(zhuǎn)移電阻 ri1+_u2i2_u1i1+-第38頁/共50頁3. 3. 受控源與獨(dú)立源的比較受控源與獨(dú)立源的比較(1) (1) 獨(dú)立源電壓獨(dú)立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電路中其它電壓、由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無關(guān)；而受控源電壓電流無關(guān)；而受控源電壓( (或電流或電流) )由控制量決定。由控制量決定。(2) (2) 獨(dú)立源在電路中起獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)激勵(lì)”作用，產(chǎn)生電壓、電流；而受作用，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，在電路中不能作為作為“激勵(lì)激勵(lì)”。例例求圖示電路電壓u2。解

20、解Ai2361 Viu46106512 +-5i1+_u2_u1=6Vi1+3 第39頁/共50頁1.9 1.9 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 ( Kirchhoff( Kirchhoffs Laws )s Laws )基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流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和基爾霍夫電壓定律( ( KVL ) )?；鶢柣舴蚨煞从沉穗娐分兴兄冯妷夯鶢柣舴蚨煞从沉穗娐分兴兄冯妷汉碗娏魉裱幕疽?guī)律，是分析集總參數(shù)電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)成路的基本定律。基爾霍夫定律與元件特性構(gòu)成了電

21、路分析的基礎(chǔ)。了電路分析的基礎(chǔ)。第40頁/共50頁1. 1. 幾個(gè)名詞幾個(gè)名詞電路中通過相同電流的分支叫一條之路電路中通過相同電流的分支叫一條之路 (b) 。三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)點(diǎn) ( n ) 。b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路）支路 (branch)電路中每一個(gè)兩端元件叫一條支路（電路中每一個(gè)兩端元件叫一條支路（b）。）。i3i2i1（2） 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) (node)b=5第41頁/共50頁由支路組成的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。( ( l ) )對(duì)對(duì)平面電路平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔

22、?；芈贩Q網(wǎng)孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123（3 3）回路）回路(loop)(loop)（4 4）網(wǎng)孔）網(wǎng)孔(mesh)(mesh)網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔第42頁/共50頁2. 2. 基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律 ( (KCL) )令電流流出為令電流流出為 “+” ，有：，有：例例 在任意一個(gè)集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)流出在任意一個(gè)集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，對(duì)任意節(jié)點(diǎn)流出或流入該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零?；蛄魅朐摴?jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和等于零。 mkti10)( 出入iior 流進(jìn)的電流等于流出的電流1i5i4i3i2i054321 ii

23、iii54321iiiii 某節(jié)點(diǎn)支路電流參考方向如圖所示，試列寫某節(jié)點(diǎn)支路電流參考方向如圖所示，試列寫KCL方程。方程。第43頁/共50頁1 3 25i6i4i1i3i2i0641 iii例例0542 iii0653 iii三式相加得：三式相加得：0321 iii 表明表明KCL可推廣應(yīng)用于電路可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)節(jié)點(diǎn)的任一閉合面中包圍多個(gè)節(jié)點(diǎn)的任一閉合面明確明確（1） KCL是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任 意節(jié)點(diǎn)處的反映；意節(jié)點(diǎn)處的反映；（2） KCL是對(duì)支路電流加的約束，與支路上接的是是對(duì)支路電流加的約束，與支路上接的是 什么元件無關(guān)，與電

24、路是線性還是非線性無關(guān)；什么元件無關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；（3） KCL方程是按電流參考方向列寫，與電流實(shí)際方程是按電流參考方向列寫，與電流實(shí)際 方向無關(guān)。方向無關(guān)。第44頁/共50頁（2 2）選定回路繞行方向，順時(shí)）選定回路繞行方向，順時(shí)針或逆時(shí)針針或逆時(shí)針. .U1US1+U2+U3+U4+US4= 03.3.基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 ( (KVL) ) 在任意一個(gè)在任意一個(gè)集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一閉沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零。 mktu10)( 升升降降uuor （1 1）標(biāo)定各元件電壓參考方向）標(biāo)定各元件電壓參考方向 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4U1+U2+U4+U3+令電壓降與回路繞行方向一致令電壓降與回路繞行方向一致為為“+”，有：，有：I