电路课件第1章（第五版邱关源高等教育出版社）

电路原理 主讲 周国鹏教材 电路 第五版 邱关源高等教育出版社 课程介绍 定位 专业基础课目标 通过本课程的学习 掌握电路的基本理论知识 电路的基本分析方法和初步的实验技能 为进一步学习计算机专业课打下良好的基础 第一章电路模型和电路定律 1 电压 电流的参考方向 4 基尔霍夫定律 3 电路元件特性 重点 2 功率计算 1 1电路和电路模型 电路是电流的通路 实际电路是由电气器件相互联接而构成的 由电源 负载和中间环节组成 一 电路 二 电路的作用 1 实现电能的传输 分配与转换 2 传递和处理信号 2 电路的组成部分 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 直流电源 直流电源 提供能源 负载 信号源 提供信息 2 电路的组成部分 放大器 扬声器 话筒 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 信号处理 放大 调谐 检波等 1 激励 电源或信号源的电压或电流 2 响应 由于激励在电路各部分产生的电压和电流 3 电路分析 在已知电路结构和元件参数的条件下 讨论电路的激励与响应之间的关系 三 电路分析 1 实际元件 组成实际电路的元件 2 理想元件 将实际元件理想化 即在一定条件下突出其主要的电磁性质 忽略其次要因素 电阻R 电压源 3 电路模型 理想电路元件组成的电路 四 电路模型 电感L 电容C 电流源 电路图 手电筒的电路模型 电池是电源元件 其参数为电动势E和内阻Ro 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻R 筒体用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 今后分析的都是指电路模型 简称电路 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 例 注 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件 在一定条件下可用同一模型表示 同一实际电路部件在不同的应用条件下 其模型可以有不同的形式 1 2电流和电压的参考方向 一 问题的引入 考虑电路中每个电阻的电流方向 电流方向 1 2电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 2 电路基本物理量的参考方向 箭标 a b R I 正负极性 a b U 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 任意指定一个方向作为电流的方向 把电流看成代数量 若电流的参考方向与它的实际方向一致 则电流为正值 若电流的参考方向与它的实际方向相反 则电流为负值 2 参考方向 1 实际方向 正电荷运动的方向 二 电流 i参考方向 i参考方向 i 0 i 0 实际方向 实际方向 电流的参考方向与实际方向的关系图示 A A B B 3 电流参考方向的表示方法 箭头或双下标 三 电压 1 实际方向 高电位指向低电位的方向 电位真正降低的方向 2 参考方向 任意选定一个方向作为电压的方向 当电压的参考方向和它的实际方向一致时 电压为正值 反之 当电压的参考方向和它的实际方向相反时 电压为负值 电压的参考方向与实际方向的关系图示 3 电压参考方向的三种表示方式 1 用箭头表示 2 用正负极性表示 3 用双下标表示 U U UAB 元件电流的参考方向与电压的参考方向一致 则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向 否则为非关联参考方向 四 关联参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 i i U U 注 1 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向 2 电路中电流或电压的参考方向可以独立地任意指定 参考方向一经选定 必须在图中相应位置标注 包括方向和符号 在计算过程中不得任意改变 3 参考方向不同时 其表达式相差一负号 但实际方向不变 i 例 U 电压电流参考方向如图中所标 问 对A B两部分电路 电压电流参考方向关联否 答 A电压 电流参考方向非关联 B电压 电流参考方向关联 五 电位 在电路中任选一点 设其电位为零 用接地符号 标记 此点称为参考点 其它各点对参考点的电压 便是该点电位 记为 VX 注意 电位为单下标 比参考点电位高为正 否则为负 电位 电位值是相对的 参考点选得不同 电路中其它各点的电位也将随之改变 电压 电路中两点间的电压值是固定的 不会因参考点的不同而改变 电位和电压的区别 a为参考点 Va 0Vb 10VUbc Vb VcVc Vb Ubc 10 3 7VVd 3V b为参考点 Va 10VVb 0VVc Vb Ubc 0 3 3VVd Vc Ucd 7V 1 3电功率和能量 power 一 电功率 电压的定义 电功率 电流的定义 功率的单位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的单位 J 焦 Joule 焦耳 u i取关联参考方向 P ui表示元件吸收的功率 P 0吸收正功率 实际吸收 P 0吸收负功率 实际发出 p ui表示元件发出的功率 P 0发出正功率 实际发出 P 0发出负功率 实际吸收 u i取非关联参考方向 二 判断元件是吸收功率还是发出功率 例 解 注 对一完整的电路 发出的功率 消耗的功率 求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率 已知 U1 1V I1 2A U2 3V I2 1A U3 8V I3 1AU4 4V U5 7V U6 3V 1 4电路元件 circuitelements 一 集总电路 1 集总元件集总元件 在任何时刻 流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流 两个端子之间的电压为单值量 当构成电路的器件以及电路本身的尺寸远小于电路工作时的电磁波的波长 或者说电磁波通过电路的时间可认为是瞬时的 这种理想电路元件称为集总元件或集总参数元件 集总条件 由集总元件构成的电路称为集总电路 例如日光灯 50Hz工频情况下 电磁波长为6000公里 日光灯电路为集总电路 同样的波长对于远距离传输线来说 就是非集总电路 再例如收音机 收听北京音乐台FM97 4MHz 取近似值100MHz 电磁波波长 C f 3米电路为非集总路 2 集总电路 注 集总参数电路中u i可以是时间的函数 但与空间坐标无关 二 电路元件的分类 1 按与外部连接的端子数目二端元件 三端元件 四端元件2 从是否源分有源元件 无源元件3 从性质关系线性元件 非线性元件4 和时间关系时变元件 时不变元件 1 5电阻元件 resistor 流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比 根据欧姆定律 电阻两端的电压和电流之间的关系可写成 u i R 在电压和电流的关联方向下u i R 在电压和电流非关联方向下u i R 一 欧姆定律 1 定义G 1 R2 单位S 西门子 电阻的单位为 欧姆 计量高电阻时 则以k 和M 为单位 二 电导 以电压和电流为坐标 画出电压和电流的关系曲线 三 电阻元件的伏安特性 四 功率和能量 上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的 p ui Ri i i2R u u R u2 R p ui i2R u2 R 功率 可用功表示 从t到t0电阻消耗的能量 五 电阻的短路与开路 能量 短路 开路 1 6电压源和电流源 independentsource 1 特点 1 电压u t 的函数是固定的 不会因它所联接的外电路的不同而改变 2 电流则随与它联接的外电路的不同而不同 2 图形符号 只用来表示直流 既可以表示直流也可以表示交流 一 理想电压源 外电路 电压源不能短路 空载 3 电压源的不同状态 电场力做功 电源吸收功率 1 电压 电流的参考方向非关联 物理意义 发出功率 起电源作用 2 电压 电流的参考方向关联 吸收功率 充当负载 4 功率 电流 正电荷 由低电位向高电位移动 外力克服电场力作功电源发出功率 物理意义 例 计算图示电路各元件的功率 解 发出 吸收 吸收 满足 P 发 P 吸 1 特点 1 电流i t 的函数是固定的 不会因它所联接的外电路的不同而改变 2 电压则随与它所联接的外电路的不同而不同 2 图形符号 二 理想电流源 直流 外电路 电流源不能开路 实际电流源的产生 可由稳流电子设备产生 如晶体管的集电极电流与负载无关 光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等 3 电流源的不同状态 短路 1 电压 电流的参考方向非关联 发出功率 起电源作用 2 电压 电流的参考方向关联 吸收功率 充当负载 4 功率 例1 计算图示电路各元件的功率 解 吸收 满足 P 发 P 吸 发出 计算图中电源 电阻及支路的功率 并说明是吸收功率还是产生功率 IR 10 20得I 1A则 10V 20V I 10 a 解 例2 10 10I 20得I 3A则 b 20V I 10V 10 解 1 7受控电源 controlledsourceordependentsource 一 电源的分类 电源 独立电源 受控源 电路符号 受控电压源 受控电流源 1 电流控制的电流源 CCCS 电流放大倍数 四端元件 输出 受控部分 输入 控制部分 二 受控源的类型 g 转移电导 2 电压控制的电流源 VCCS 3 电压控制的电压源 VCVS 电压放大倍数 4 电流控制的电压源 CCVS r 转移电阻 例 电路模型 三 受控源与独立源的比较 1 独立源电压 或电流 由电源本身决定 与电路中其它电压 电流无关 而受控源电压 或电流 由控制量决定 2 独立源在电路中起 激励 作用 在电路中产生电压 电流 而受控源只是反映输出端与输入端的受控关系 例 求 电压u2 解 1 8基尔霍夫定律 Kirchhoff sLaws 用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系 其中包括基尔霍夫电流和基尔霍夫电压两个定律 一 几个名词 电路中通过同一电流的分支 b 三条或三条以上支路的连接点称为结点 n b 3 a n 2 b 1 支路 branch 电路中每一个两端元件就叫一条支路 2 结点 node b 5 由支路组成的闭合路径 l 两结点间的一条通路 由支路构成 对平面电路 其内部不含任何支路的回路称网孔 l 3 3 3 路径 path 4 回路 loop 5 网孔mesh 网孔是回路 但回路不一定是网孔 二 基尔霍夫电流定律 KCL 令流出为 有 例 流进的电流等于流出的电流 在集总电路中 任何时刻 对任一结点 所有与之相连支路电流的代数和恒等于零 or 例 三式相加得 表明KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面 明确 1 KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映 2 KCL是对支路电流加的约束 与支路上接的是什么元件无关 与电路是线性还是非线性无关 3 KCL方程是按电流参考方向列写 与电流实际方向无关 2 选定回路绕行方向 顺时针或逆时针 三 基尔霍夫电压定律 KVL 在集总电路中 任一时刻 沿任一闭合路径绕行 所有支路电压的代数和等于零 1 标定各元件电压参考方向 凡支路电压的参考方向与回路的绕行方向一致者 该电压前面取 号 支路电压的参考方向与回路的绕行方向相反者 该电压前面取 号 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 U2 U3 U4 US4 U1 US1 或 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 例1 U1 U2 U3 U4 US1 US4 例2 KVL也适用于电路中任一假想的回路 明确 1 KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律 2 KVL是对回路电压加的约束 与回路各支路上接的是什么元件无关 与电路是线性还是非线性无关 3 KVL方程是按电压参考方向列写 与电压实际方向无关 四 KCL KVL小结 1 KCL是对支路电流的线性约束 KVL是对回路电压的线性约束 2 KCL KVL与组成支路的元件性质及参数无关 3 KCL表明在每一结点上电荷是守恒的 KVL是能量守恒的具体体现 电压与路径无关 4 KCL KVL只适