電路元件和電路定律

1、電路元件和電路定律第1頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1.1 電路和電路模型（model)1. 實(shí)際電路功能a 能量的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換；b 信息的傳遞與處理。共性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2頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五 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 (circuit model)導(dǎo)線電池開關(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第3頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五幾種基本的電路元件：電阻元件：表示消耗電能

2、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 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； 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第4頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五例3. 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(jìn)行注集總參數(shù)電路中u、i可以是時(shí)間的函數(shù)，但與空間坐標(biāo)無關(guān)第5頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1.2 電流和電壓的參考方向 (reference direc

3、tion) 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 (current reference direction)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)體橫截面的電荷量第6頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五 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?qū)嶋H方向AABB問題復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先

4、判斷第7頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五參考方向i 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。ABi 參考方向i 參考方向i 0i 0參考方向U+實(shí)際方向+實(shí)際方向參考方向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，d u/d t0，則i0，q ， p0, 電容吸收功率。當(dāng)電容放電，u0，d u/d t0，則i0，q ，p0，d i/d t0，則u0， p0, 電感吸收功率。當(dāng)電流減小，i0，d i/d t0，則u0，p0, 電感發(fā)出功率。 功率表明 電感能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量

5、儲(chǔ)存起來，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電感元件是無源元件、是儲(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。u、 i 取關(guān)聯(lián)參考方向第38頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五（1）電感的儲(chǔ)能只與當(dāng)時(shí)的電流值有關(guān)，電感 電流不能躍變，反映了儲(chǔ)能不能躍變；（2）電感儲(chǔ)存的能量一定大于或等于零。從t0到 t 電感儲(chǔ)能的變化量： 電感的儲(chǔ)能表明第39頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五電容元件與電感元件的比較：電容 C電感 L變量電流 i磁鏈 關(guān)系式電壓 u 電荷 q (1) 元件方程的形式是相似的；(2) 若把 u-i，q- ，C-L， i-u互換,可由電容元件的方程得

6、到電感元件的方程；(3) C 和 L稱為對偶元件, 、q等稱為對偶元素。* 顯然，R、G也是一對對偶元素:I=U/R U=I/GU=RI I=GU結(jié)論第40頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五 1.7 電源元件 (independent source) 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。 電路符號(hào)1. 理想電壓源 定義i+_第41頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五 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

7、壓、電流關(guān)系ui伏安關(guān)系例Ri-+外電路電壓源不能短路！第42頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五電壓源的功率電場力做功 ， 電源吸收功率。（1） 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；物理意義：+_iu+_+_iu+_電流（正電荷 ）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。發(fā)出功率，起電源作用（2） 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；物理意義：吸收功率，充當(dāng)負(fù)載或：發(fā)出負(fù)功第43頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五例+_i+_+_10V5V計(jì)算圖示電路各元件的功率。解發(fā)出發(fā)出吸收滿足：P（發(fā)）P（吸）第44頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分

8、，星期五 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。usuiO 實(shí)際電壓源i+_u+_考慮內(nèi)阻伏安特性一個(gè)好的電壓源要求第45頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五 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。 電路符號(hào)2. 理想電流源 定義u+_(1) 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān) 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定 理想電流源的電壓、電流關(guān)系ui伏安關(guān)系第46頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五例外電路電流源不能開路！Ru-+實(shí)際電流源的

9、產(chǎn)生可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負(fù)載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。第47頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五電流源的功率（1） 電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；發(fā)出功率，起電源作用（2） 電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；吸收功率，充當(dāng)負(fù)載或：發(fā)出負(fù)功u+_u+_第48頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五例計(jì)算圖示電路各元件的功率。解發(fā)出發(fā)出滿足：P（發(fā)）P（吸）+_u+_2A5Vi第49頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五 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。isui

10、O 實(shí)際電流源考慮內(nèi)阻伏安特性一個(gè)好的電流源要求u+_i第50頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1.8 受控電源 (非獨(dú)立源)(controlled source or dependent source) 電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。 電路符號(hào)+受控電壓源1. 定義受控電流源第51頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五(1) 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

11、制量是電流時(shí)，用受控電流源表示。2. 分類四端元件b i1+_u2i2_u1i1+輸出：受控部分輸入：控制部分第52頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五g: 轉(zhuǎn)移電導(dǎo) (2) 電壓控制的電流源 ( VCCS )u1gu1+_u2i2_i1+(3) 電壓控制的電壓源 ( VCVS )u1+_u2i2_u1i1+-: 電壓放大倍數(shù) 第53頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五ri1+_u2i2_u1i1+-(4) 電流控制的電壓源 ( CCVS )r : 轉(zhuǎn)移電阻 例電路模型第54頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五3. 受控源與獨(dú)立源的比

12、較(1) 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。(2) 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，而受控源只是反映輸出端與輸入端的受控關(guān)系，在電路中不能作為“激勵(lì)”。例求：電壓u2。解5i1+_u2_u1=6Vi1+-3第55頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1.9 基爾霍夫定律 ( Kirchhoffs Laws )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

13、構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。第56頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1. 幾個(gè)名詞電路中通過同一電流的分支。(b)三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。( n )b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路 (branch)電路中每一個(gè)兩端元件就叫一條支路i3i2i1(2) 節(jié)點(diǎn) (node)b=5第57頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五由支路組成的閉合路徑。( l )兩節(jié)點(diǎn)間的一條通路。由支路構(gòu)成。對平面電路，其內(nèi)部不含任何支路的回路稱網(wǎng)孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3) 路徑(path)(4) 回路(loop)(5) 網(wǎng)

14、孔(mesh)網(wǎng)孔是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔第58頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五2. 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。流進(jìn)的電流等于流出的電流第59頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1 3 2例三式相加得：表明KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個(gè)結(jié)點(diǎn)的任一閉合面明確（1） 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；（2） KCL是對支路電流加的約束，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)；（3）KCL方程是按電流參考方向列

15、寫，與電流實(shí)際 方向無關(guān)。第60頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五（2）選定回路繞行方向， 順時(shí)針或逆時(shí)針.U1US1+U2+U3+U4+US4= 03. 基爾霍夫電壓定律 (KVL) 在集總參數(shù)電路中，任一時(shí)刻，沿任一閉合路徑繞行，各支路電壓的代數(shù)和等于零。I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4（1）標(biāo)定各元件電壓參考方向 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4第61頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五例KVL也適用于電路中任一假想的回路aUsb_-+U2U1明確（

16、1） KVL的實(shí)質(zhì)反映了電路遵 從能量守恒定律;（2） KVL是對回路電壓加的約束，與回路各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)；（3）KVL方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實(shí)際 方向無關(guān)。第62頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五4. KCL、KVL小結(jié)：(1) KCL是對支路電流的線性約束，KVL是對回路電壓的線性約束。(2) KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關(guān)。(3) KCL表明在每一節(jié)點(diǎn)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69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五思考：i1=i2?3.AB+_1111113+_2i2i1UA =UB?I = 01.？AB+_1111113+_22.i1第64頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五1.2.+-4V5Vi =?3.+-4V5V1A+-u =?4.33第65頁，共69頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)42分，星期五10V+-1A-10VI =?105.4V+-10AU =?26.+-3AI1