西安交大電路課件

ElectriccircuitXianJiaotonguniversity電路引言課程的意義工程意義理論電工路場電路磁路集中參數(shù)電路分布參數(shù)電路分析綜合理論意義下頁電氣和電子工程是將物理學(xué)家的自然現(xiàn)象模型和數(shù)學(xué)家的數(shù)學(xué)工具結(jié)合在一起構(gòu)成電系統(tǒng)，并運(yùn)用電系統(tǒng)以滿足實(shí)際生產(chǎn)和生活的需要。上頁下頁產(chǎn)生、傳送和分配電力電力對電信號進(jìn)行處理信號處理用電信號控制生產(chǎn)過程控制產(chǎn)生、傳送和分配信息通訊用電信號處理信息計(jì)算機(jī)5個主要的電系統(tǒng)上頁下頁注意5種系統(tǒng)之間的學(xué)科相互聯(lián)系和相互作用，是電氣與電子工程成為具有挑戰(zhàn)性和令人興奮的專業(yè)的原因之一；上頁電氣與電子工程師的任務(wù)是不斷改善和精煉目前的系統(tǒng)，并為滿足不斷變化的社會需求去設(shè)計(jì)開發(fā)新系統(tǒng)，并把它們?nèi)诤蠟橐惑w。下頁上頁下頁上頁課程的性質(zhì)和地位電類專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)方法參考書講課學(xué)時：64h；實(shí)驗(yàn)學(xué)時:16h（實(shí)驗(yàn)與上機(jī)）掌握必要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識。聯(lián)立方程組的求解；線性常微分方程的求解；復(fù)數(shù)運(yùn)算；傅立葉變換。系統(tǒng)性強(qiáng)，前后內(nèi)容聯(lián)系緊密。及時總結(jié)、牢固掌握所學(xué)內(nèi)容。多研究例題，從解題過程總結(jié)電路分析方法。重視電路實(shí)驗(yàn)。MATLAB、OrCAD/PSpice、Multisim軟件的使用。做一定數(shù)量的習(xí)題。學(xué)好電路課程的基本要求下頁上頁返回下頁上頁電路模型已知條件分析的問題確定分析方案進(jìn)行分析最后結(jié)論驗(yàn)證結(jié)果yesno電路模型已知條件分析的問題確定分析方案進(jìn)行分析最后結(jié)論驗(yàn)證結(jié)果yesno電路分析下頁上頁電路設(shè)計(jì)弄清問題形成目標(biāo)找出各種可能方案最后結(jié)論goodno判斷證明選擇方案修正改進(jìn)方案弄清問題形成目標(biāo)找出各種可能方案最后結(jié)論goodno判斷證明選擇方案修正改進(jìn)方案分析試驗(yàn)下頁什么是大學(xué)求學(xué)時最重要的東西上頁1.用人單位對應(yīng)聘者最看重的因素能力(解決問題的能力、社會實(shí)踐和實(shí)習(xí)兼職情況)專業(yè)、畢業(yè)的院校。英語、計(jì)算機(jī)水平。性格、愛好、特長。下頁2.走過大學(xué)該收獲什么？基本要求：學(xué)好知識，做好學(xué)問（會學(xué)習(xí)）。課堂學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、圖書館學(xué)習(xí)、互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)，抓住一切機(jī)會盡可能多的接受最新學(xué)術(shù)成果。

學(xué)會不斷提問

為什么要如此做呢？為什么答案是這樣的？為什么書里是這樣說的這樣寫的？多問幾遍才能了解真正的問題。只有了解了真正的問題，才能解決這個問題。下頁上頁要培養(yǎng)敢于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的素質(zhì)遇到問題，不是人家讓你怎么做你就怎么做，而是要有一種創(chuàng)新的思想。在技術(shù)領(lǐng)域有很多失敗，但是通過失敗再試驗(yàn)才能成功。社會工作需要：培養(yǎng)能力、增長才干。b.理論用于實(shí)踐的能力。c.組織、協(xié)調(diào)、合作的能力。a.對知識的理解和消化能力。d.克服困難、承受壓力能力。下頁大學(xué)的最終目標(biāo)：錘煉人格、學(xué)會做人。責(zé)任意識（對自己、家人、社會負(fù)責(zé)）、誠信意識。與人友好相處，和諧共事。首先做人，其次成才。參考書幾點(diǎn)要求第1章電路模型和電路定律電路和電路模型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首頁本章重點(diǎn)1.電壓、電流的參考方向3.基爾霍夫定律

重點(diǎn)：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(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。下頁上頁共性返回下頁上頁返回2.電路模型負(fù)載電源電源負(fù)載電路圖下頁上頁返回電路圖負(fù)載電源反映實(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。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：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。理想基本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(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(qiáng)度帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量下頁上頁返回方向規(guī)定正電荷的運(yùn)動方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向單位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(導(dǎo)線)中電流流動的實(shí)際方向只有兩種可能:

實(shí)際方向AB實(shí)際方向AB對于復(fù)雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。下頁上頁問題返回參考方向大小方向(正負(fù)）電流(代數(shù)量)任意假定一個正電荷運(yùn)動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：下頁上頁i

參考方向ABi

參考方向ABi

參考方向AB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?yàn)殡娏鞯膮⒖挤较?。用雙下標(biāo)表示：如iAB

,

電流的參考方向由A指向B。下頁上頁i

參考方向ABiABAB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(diǎn)移至另一點(diǎn)時電場力做功（W）的大小。

電位單位正電荷q

從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)（＝0）時電場力做功的大小。

實(shí)際電壓方向

電位真正降低的方向。下頁上頁V(伏)、kV、mV、V返回例已知：4C正電荷由a點(diǎn)均勻移動至b點(diǎn)電場力做功8J，由b點(diǎn)移動到c點(diǎn)電場力做功為12J，若以b點(diǎn)為參考點(diǎn)，求a、b、c點(diǎn)的電位和電壓Uab、U

bc;若以c點(diǎn)為參考點(diǎn)，再求以上各值。解(1)下頁上頁acb返回acb解(2)下頁上頁結(jié)論電路中電位參考點(diǎn)可任意選擇；參考點(diǎn)一經(jīng)選定，電路中各點(diǎn)的電位值就唯一確定；當(dāng)選擇不同的電位參考點(diǎn)時，電路中各點(diǎn)電位值將改變，但任意兩點(diǎn)間電壓保持不變。返回復(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。

電壓(降)的參考方向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。下頁上頁問題+實(shí)際方向–+實(shí)際方向–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(fù)極性表示(3)用雙下標(biāo)表示UU+ABUAB下頁上頁返回元件或支路的u，i

采用相同的參考方向稱之為關(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+-+-iuu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(biāo)注(包括方向和符號)，在計(jì)算過程中不得任意改變參考方向不同時，其表達(dá)式相差一負(fù)號，但電壓、電流的實(shí)際方向不變。例電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問：對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)。下頁上頁注意＋－uBAi返回1.3電功率和能量1.電功率功率的單位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的單位：J(焦)(Joule，焦耳)單位時間內(nèi)電場力所做的功。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(shí)際吸收)P<0

吸收負(fù)功率(實(shí)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(shí)際發(fā)出)P<0

發(fā)出負(fù)功率(實(shí)際吸收)

u,i

取非關(guān)聯(lián)參考方向下頁上頁+-iu+-iu返回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。下頁上頁已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－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564123I2I3I1++++++－－－－－U6U5U4U3U2U1－注意返回下頁上頁1.4電路元件電路元件是電路中最基本的組成單元。理想基本電路元件有三個特征：只有兩個端子；可以用與端子有關(guān)的電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述（稱為端子特性）；不能被分解為其他元件。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：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。下頁上頁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。返回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(jìn)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(biāo)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；端子間的電壓為單值量。注意返回下頁上頁例iiz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iiz++--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：返回下頁上頁返回喬治·西蒙·歐姆(1787～1854年)德國物理學(xué)家。

歐姆：1803年考入埃爾蘭根大學(xué)，未畢業(yè)就在一所中學(xué)教書。1811年又回到埃爾蘭根完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，于1813年獲得哲學(xué)博士學(xué)位。1817年，他的《幾何學(xué)教科書》一書出版。同年應(yīng)聘在科隆大學(xué)預(yù)科教授物理學(xué)和數(shù)學(xué)。在該校設(shè)備良好的實(shí)驗(yàn)室里，作了大量實(shí)驗(yàn)研究，完成了一系列重要發(fā)明。他最主要的貢獻(xiàn)是通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電流公式，后來被稱為歐姆定律。其定義是：在電路中兩點(diǎn)間，當(dāng)通過1安培穩(wěn)恒電流時，如果這兩點(diǎn)間的電壓為1伏特，那么這兩點(diǎn)間導(dǎo)體的電阻便定義為1歐姆。

1.5電阻元件2.線性時不變電阻元件電路符號R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：iu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0返回

u～i

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)參考方向下頁上頁伏安特性為一條過原點(diǎn)的直線ui0Rui+－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(fù)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Rui-+返回3.功率和能量電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。p

ui(–Ri)i–i2R-

u2/Rp

uii2Ru2/R功率Rui+-下頁上頁表明Rui-+返回ui從

t0到t電阻消耗的能量：4.電阻的開路與短路能量短路開路ui下頁上頁Riu+–u+–i00返回下頁上頁可調(diào)電阻返回固定電阻貼片電阻分流電阻可調(diào)電阻

1.6電壓源和電流源電路符號1.理想電壓源定義i+_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。返回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ui直流電壓源的伏安關(guān)系下頁上頁例Ri-+外電路電壓源不能短路！0返回電壓源的功率電壓、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，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+_iu+_電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；

物理意義：電場力做功，電源吸收功率吸收功率，充當(dāng)負(fù)載返回例計(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）下頁上頁i+_+_10V5V-+返回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u+_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。ui直流電流源的伏安關(guān)系下頁上頁0例Ru-+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(fù)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(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）下頁上頁u2Ai+_5V-+返回下頁上頁1.實(shí)際電壓源實(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。usui0考慮內(nèi)阻伏安特性：一個好的電壓源要求i+_u+_注意返回實(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。isui02.實(shí)際電流源考慮內(nèi)阻伏安特性：一個好的電流源要求下頁上頁注意返回ui+_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）干電池電動勢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1.35V，用固體化學(xué)材料，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）電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?shí)驗(yàn)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0.6V。太陽光照射到P-N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?/p>

一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A太陽能電池示意圖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(jī)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)場下頁上頁返回水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下頁上頁返回1.7受控電源(非獨(dú)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)，而是受電路中某個地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。下頁上頁返回電流控制的電流源(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，用受控電壓源表示；當(dāng)被控制量是電流時，用受控電流源表示。2.分類四端元件輸出：受控部分輸入：控制部分下頁上頁b

i1+_u2i2_u1i1+返回g: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+下頁上頁i1u1+_u2i2_u1++_返回電流控制的電壓源(CCVS)r

:轉(zhuǎn)移電阻

例電路模型ibicib下頁上頁ri1+_u2i2_u1i1++_返回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”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”。下頁上頁返回例求：電壓u2解5i1+_u2_i1++-3u1=6V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?；鶢柣舴蚨膳c元件特性構(gòu)成了電路分析的基礎(chǔ)。下頁上頁返回德國物理學(xué)家基爾霍夫（GustavRobertKirchhoff）于1845年提出了現(xiàn)以他名字命名的電路定律，當(dāng)時他還只是一位在讀的大學(xué)生，相對于歐姆定律，他給出的定律從根本上解決了復(fù)雜電路的求解問題。GustavRobertKirchhoff（1824-1887）下頁上頁返回1.幾個名詞電路中通過同一電流的分支。元件的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路電路中每一個兩端元件就叫一條支路。i3i2i1結(jié)點(diǎn)b=5下頁上頁或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。n=2注意兩種定義分別用在不同的場合。返回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。下頁上頁+_R1uS1+_uS2R2R3注意返回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下頁上頁返回例三式相加得：KCL可推廣應(yīng)用于電路中包圍多個結(jié)點(diǎn)的任一閉合面。下頁上頁1

32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(diǎn)處的反映；KCL是對結(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)。下頁上頁明確返回3.基爾霍夫電壓定律

(KVL)U3U1U2U4下頁上頁標(biāo)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.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_ 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–U1–US1+U2+U3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1

或：–R1I1+R2I2–R3I3+R4I4=US1–US4下頁上頁U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也適用于電路中任一假想的回路。注意返回例KVL的實(shí)質(zhì)反映了電路遵從能量守恒定律;KVL是對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關(guān)，與電路是線性還是非線性無關(guān)；KVL方程是按電壓參考方向列寫，與電壓實(shí)際方向無關(guān)。下頁上頁明確aUsb__