電路第五版 邱關(guān)源 ppt.ppt

第一章電路模型和電路定律 本章重點 1 電壓 電流的參考方向 3 基爾霍夫定律 重點 2 電阻元件和電源元件的特性 返回 1 1電路和電路模型 1 實際電路 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 由電路部件和電路器件按預(yù)期目的連接構(gòu)成的電流的通路 下頁 上頁 共性 返回 一些新名詞 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 電源 激勵源 激勵 輸入 負載 響應(yīng) 輸出 電路 網(wǎng)絡(luò) 反映實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 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 上頁 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 儲存磁場能量的元件 電容元件 表示產(chǎn)生電場 儲存電場能量的元件 電壓源和電流源 表示將其他形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件 5種基本理想電路元件有三個特征 a 只有兩個端子 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 上頁 注意 返回 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件 在一定條件下可用同一電路模型表示 同一實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 上頁 例 電感線圈的電路模型 注意 返回 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 電流強度 帶電粒子有規(guī)則的定向運動 單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷 下頁 上頁 返回 方向 規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向 單位 1ka 103a1ma 10 3a1 a 10 6a a 安 培 ka ma a 元件 導(dǎo)線 中電流流動的實際方向只有兩種可能 對于復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時 電流的實際方向往往很難事先判斷 下頁 上頁 問題 返回 參考方向 任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向 i 0 i 0 實際方向 實際方向 電流的參考方向與實際方向的關(guān)系 下頁 上頁 表明 返回 電流參考方向的兩種表示 用箭頭表示 箭頭的指向為電流的參考方向 用雙下標表示 如iab 電流的參考方向由a指向b 下頁 上頁 返回 電壓u 單位 2 電壓的參考方向 單位正電荷q從電路中一點移至另一點時電場力作功 w 的大小 實際電壓方向 電位真正降低的方向 下頁 上頁 v 伏 特 kv mv v 返回 例2 1 已知 4c正電荷由a點均勻移動至b點電場力作功8j 由b點移動到c點電場力作功為12j 若以b點為參考點 求a b c點的電位和電壓uab ubc 若以c點為參考點 再求以上各值 解 1 下頁 上頁 返回 解 2 下頁 上頁 結(jié)論 電路中電位參考點可任意選擇 參考點一經(jīng)選定 電路中各點的電位值就唯一確定 當(dāng)選擇不同的電位參考點時 電路中各點電位值將改變 但任意兩點間電壓保持不變 返回 在復(fù)雜電路或交變電路中 兩點間電壓的實際方向往往不易判別 給實際電路問題的分析 計算帶來困難 電壓 降 的參考方向 假設(shè)高電位指向低電位的方向 下頁 上頁 問題 返回 電壓參考方向的三種表示方式 1 用箭頭表示 2 用正 負極性表示 3 用雙下標表示 u u uab 下頁 上頁 返回 元件或支路的u i采用相同的參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向 反之 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 i u u 下頁 上頁 返回 分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向 參考方向一經(jīng)選定 必須在圖中相應(yīng)位置標注 包括方向和符號 在計算中不得任意改變 例2 2 電壓 電流參考方向如圖中所標 問 對a b兩部分電路電壓 電流參考方向是否關(guān)聯(lián) 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) 下頁 上頁 注意 返回 解 參考方向不同時 其表達式相差一負號 但電壓 電流的實際方向不變 1 3電功率和能量 1 電功率 功率的單位 w 瓦 特 能量的單位 j 焦 耳 單位時間內(nèi)電場力所作的功 下頁 上頁 返回 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 實際吸收 p 0吸收負功率 實際發(fā)出 p ui表示元件發(fā)出的功率 p 0發(fā)出正功率 實際發(fā)出 p 0發(fā)出負功率 實際吸收 p12 u i取非關(guān)聯(lián)參考方向 下頁 上頁 返回 例3 1 求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或發(fā)出的功率 下頁 上頁 已知 u1 1v u2 3v u3 8v u4 4v u5 7v u6 3v i1 2a i2 1a i3 1a 返回 解 對一完整的電路 滿足 發(fā)出的功率 吸收的功率 下頁 上頁 注意 返回 下頁 上頁 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 儲存磁場能量的元件 電容元件 表示產(chǎn)生電場 儲存電場能量的元件 電壓源和電流源 表示將其他形式的能量轉(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 例如電阻 電感 電容 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)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進行 集總條件 下頁 上頁 集總參數(shù)電路中u i可以是時間的函數(shù) 但與空間坐標無關(guān) 因此 任何時刻 流入兩端元件一個端子的電流等于從另一端子流出的電流 端子間的電壓為確定值 注意 返回 下頁 上頁 例 集總參數(shù)電路 兩線傳輸線的等效電路 當(dāng)兩線傳輸線的長度l與電磁波的波長滿足 返回 下頁 上頁 分布參數(shù)電路 當(dāng)兩線傳輸線的長度l與電磁波的波長滿足 返回 等效電路為 1 5電阻元件 2 線性時不變電阻元件 電路符號 電阻元件 對電流呈現(xiàn)阻力的元件 其特性可用u i平面上的一條曲線來描述 任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件 1 定義 伏安特性 下頁 上頁 o 返回 u i關(guān)系 r稱為電阻 單位 歐 姆 滿足歐姆定律 單位 g稱為電導(dǎo) 單位 s 西 門子 u i取關(guān)聯(lián)參考方向 下頁 上頁 伏安特性曲線為一條過原點的直線 返回 如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián) 公式中應(yīng)冠以負號 說明線性電阻是無記憶 雙向性的元件 歐姆定律 只適用于線性電阻 r為常數(shù) 則歐姆定律寫為 u rii gu 公式和參考方向必須配套使用 下頁 上頁 注意 返回 3 功率和能量 電阻元件在任何時刻總是吸收功率的 是無源元件 p ui ri i i2r u2 r p ui i2r u2 r 功率 下頁 上頁 表明 返回 0 0 從t0到t電阻吸收的能量 4 電阻的開路與短路 能量 短路 開路 下頁 上頁 o o 返回 下頁 上頁 實際電阻器 返回 1 6電壓源和電流源 電路符號 抽象的電路模型 二端有源元件1 理想電壓源 定義 下頁 上頁 其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù) 其值與流過它的電流i無關(guān)的元件叫理想電壓源 電源兩端電壓由電源本身決定 與外電路無關(guān) 與流經(jīng)它的電流方向 大小無關(guān) 通過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 直流電壓源的伏安特性曲線 下頁 上頁 例 外電路 電壓源不能短路 o 返回 電壓源的功率 電壓 電流參考方向非關(guān)聯(lián) 電流 正電荷 由低電位向高電位移動 外力克服電場力作功 電源發(fā)出功率 發(fā)出功率 起電源作用 物理意義 下頁 上頁 電壓 電流參考方向關(guān)聯(lián) 物理意義 電場力作功 電源吸收功率 吸收功率 充當(dāng)負載 返回 例6 1 計算圖示電路各元件的功率 解 下頁 上頁 電壓 電流參考方向如圖所示 注意 r是關(guān)聯(lián)參考方向 其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù) 其值與它的兩端電壓u無關(guān)的元件叫理想電流源 電路符號 2 理想電流源 定義 下頁 上頁 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 與外電路無關(guān) 與它兩端電壓的方向 大小無關(guān) 返回 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定 直流電流源的伏安特性曲線 下頁 上頁 o 例 外電路 電流源不能開路 返回 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載無關(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 下頁 上頁 實際電流源的產(chǎn)生 電流源的功率 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) 吸收功率 充當(dāng)負載 返回 例6 2 計算圖示電路各元件的功率 解 吸收 實際發(fā)出10w 發(fā)出 實際吸收10w 滿足 p 發(fā) p 吸 下頁 上頁 返回 實際電源 干電池 鈕扣電池 1 干電池和鈕扣電池 化學(xué)電源 干電池電動勢為1 5v 僅取決于 糊狀 化學(xué)材料 其大小決定儲存的能量 化學(xué)反應(yīng)不可逆 鈕扣電池電動勢為1 35v 用固體化學(xué)材料制成 化學(xué)反應(yīng)不可逆 下頁 上頁 返回 氫氧燃料電池示意圖 2 燃料電池 化學(xué)電源 燃料電池電動勢為1 23v 以氫 氧作為燃料 約40 45 的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?實驗階段加燃料可繼續(xù)工作 下頁 上頁 返回 3 太陽能電池 光能電源 一塊太陽能電池電動勢為0 6v 太陽光照射到pn結(jié)上 形成一個從n區(qū)流向p區(qū)的電流 約11 的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?故常用太陽能電池板 一個50cm2太陽能電池的電動勢為0 6v 電流為0 1a 太陽能電池板 下頁 上頁 返回 蓄電池示意圖 4 蓄電池 化學(xué)電源 電池電動勢為2v 使用時 電池放電 當(dāng)電解液濃度小于一定值時 電動勢低于2v 常需要充電 化學(xué)反應(yīng)可逆 下頁 上頁 返回 直流穩(wěn)壓源 下頁 上頁 返回 發(fā)電機組 下頁 上頁 返回 風(fēng)力發(fā)電 下頁 上頁 返回 工業(yè)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)場 下頁 上頁 返回 1 7受控電源 非獨立源 電路符號 受控電壓源 1 定義 受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù) 而是受電路中某處的電壓 或電流 控制的電源 稱為受控電源 下頁 上頁 返回 四端元件 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 電壓控制電流源 電壓控制電壓源 電流控制電流源 電流控用電壓源 2 分類 下頁 上頁 返回 輸出 受控部分 輸入 控制部分 g 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) 2 電壓控制的電流源 vccs 下頁 上頁 返回 3 電流控制的電流源 cccs 電流放大倍數(shù) 4 電流控制的電壓源 ccvs r 轉(zhuǎn)移電阻 例 電路模型 下頁 上頁 返回 3 受控源與獨立源的比較 獨立源電壓 或電流 由電源本身決定 與電路中其他電壓 電流無關(guān) 而受控源電壓 或電流 由控制量決定 獨立源在電路中起 激勵 作用 在電路中產(chǎn)生電壓 電流 而受控源是反映電路中某處的電壓或電流對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 可以看做電源進行處理 但注意其激勵源是取決于控制量 課本例題p20 下頁 上頁 返回 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 基爾霍夫定律與元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ) 下頁 上頁 返回 1 幾個名詞 元件的連接點稱為結(jié)點 a n 4 b 支路 電路中每一個兩端元件就稱為一條支路 結(jié)點 b 5 下頁 上頁 或三條以上支路的連接點稱為結(jié)點 n 2 返回 由支路組成的閉合路徑 兩結(jié)點間的一條通路 由支路構(gòu)成 l 3 3 路徑 回路 下頁 上頁 返回 2 基爾霍夫電流定律 kcl 令流出為 流入為 在集總參數(shù)電路中 任意時刻 對任意結(jié)點流出該結(jié)點電流的代數(shù)和等于零 流進的電流等于流出的電流 下頁 上頁 返回 例 例寫出各節(jié)點的kcl方程 三式相加得 kcl可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個結(jié)點的任一閉合面 下頁 上頁 表明 返回 kcl是電荷守恒和電流連續(xù)性原理在電路中任意結(jié)點處的反應(yīng) kcl是對結(jié)點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 與電流實際方向無關(guān) 下頁 上頁 明確 返回 3 基爾霍夫電壓定律 kvl 下頁 上頁 標定各元件電壓參考方向 選定回路繞行方向 順時針或逆時針 在集總參數(shù)電路中 任一時刻 沿任一回路 所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零 返回 元件電壓參考方向與回路繞行方向一致 電壓為 u1 us1 u2 u3 u4 us4 0 u2 u3 u4 us4 u1 us1 或 下頁 上頁 kvl也