电路课件-电路模型和电路定律.ppt

1.电压、电流的参考方向,4.基尔霍夫定律,重点：,第1章电路模型和电路定律,3.电路元件特性,2.电功率和能量,主要内容：电路分析的基本概念、基本元件和基本定律,1.1电路和电路模型（model),1.电路,电路由电路器件和电路部件相互联接而成，完成某种预期的目的或具有某种功能。,实际电路由于作用的不同，在复杂程度上和尺寸上都有很大的差异：,非电能电能如热能、核能,电力的输送和分配,电能非电能如热能、机械能、光能,电路的作用,（1）传输电能,例：电力系统,电源,负载,（2）信号处理,施加的信号,其它所需的信号,通过电路变换或“加工”,电源输入、激励；电路中产生的电流和电压响应,例：放大器；触发器；整流电路,（3）测量、控制、计算,理想化方法工程中的应用电路由实际电气器件用导线联接而成，虽然千差万别，但研究方法是一样的，即理想化方法（如物理学中的质点、刚体、理想气体、液体等都是理想化方法的实例）：根据实际电路器件的共性,抽象出几种基本的理想元件，用理想元件或它们的组合作为实际电路器件的模型，理想元件之间用理想导线联接，形成实际电路的电路模型。只要模型得当就可以精确再现实际电路中发生的电磁过程。,2.电路模型,b）实验室中用导线绕成的电感线圈-储存能量、电磁感应、消耗一定能量。一般用理想电感元件和理想电阻元件的串联组合作为它的电路模型：,例：a）灯泡、电阻器-消耗能量、一定条件下器件两端的电压和电流近似成正比，因此可用理想的电阻元件作它的电路模型。,理想电路元件：具有确定的电磁属性，具有精确的数学定义，如电阻R、电感L和电容C。,实际电路器件,理想元件及其组合,集总元件,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电磁波的波长，则在任一时刻，流入各器件任一端子的电流和任两端子间的电压将是单值的。在这样的近似条件下，用一些理想元件或它们的组合来模拟实际器件。这样的理想元件和电路称为集总元件和集总电路。,电路模型用理想元件或它们的组合作为实际电路器件的模型，理想元件之间用理想导线联接，形成实际电路的电路模型。,例：,几点说明1）多端元件：二端元件，如电阻、电容；三端元件，如晶体管。2）电路元件对于实际器件是模拟，而不是等同。如当电路工作频率较高时，线圈的电路模型需要考虑电容效应，此时的电路模型应是：,3）本课程中，今后的电路均指理想电路。4）关于电路、网络和系统：从数学方法研究电路系统；从电学的观点分析电路电路；工程上：简单的电路电路；复杂的电路网络或系统。,电路中的物理量及其符号电流：i,I;电压：u,U;电荷：q,Q;磁通：,;能量：W;功率：p,P,1.2电压和电流的参考方向,1.电流和电压的方向,电路分析中，对元件性质的描述、电路方程的建立以及对电路的分析都是建立在一定的电流和电压方向下。,判定u，i方向的问题,+u,2.电流和电压的参考方向,i）电流,电流的参考方向：任意选定的电流方向,标定参考方向后，电流成为代数量,由参考方向判定实际方向,i0，参实一致,i0,吸收,u,i为非关联参考方向,p=ui,P0,发出,P0,发出,P0,吸收,3.例子,3)按给定的参考方向和表达式，指出u,i的实际方向，并计算元件的功率，注明吸收还是发出。,解：,由余弦曲线可知,0tT/4,3T/4tT;,u,i的实际方向AB,T/4t0为吸收功率,1.4电路元件,几个概念：,2.集总电路：由集总元件构成的电路称为集总电路。,1.一端口集总参数元件：具有两个端纽，且在任何时刻t流入一个端纽的电流等于流出另一个端纽的电流，其两端纽之间的电压是确定的集总参数元件，称为两端纽集总参数元件，或称为一端口集总参数元件。,3.线性元件：元件的值与加于元件两端的电压或流过元件的电流大小无关。例如线性R,L,C,4.非线性元件：元件的值与加于元件两端的电压或流过元件的电流大小有关。,5.时不变元件：元件的参数不随时间变化的元件。,6.时变元件：元件的参数按一定规律随时间变化的元件。,1.5电阻元件(resistor),uRi,1.欧姆定律(OhmsLaw),，R为元件的电阻，单位名称：欧(姆)、,线性电阻元件：电压与电流取关联参考方向，任何时刻它的电压和电流关系服从欧姆定律，即,公式必须和参考方向配套使用！,若电阻的电压电流为非关联参考方向，即,则欧姆定律写为,uRi或iGu,R和G都是电阻元件的参数，是正实常数。,令G1/R，,G：为元件的电导，单位名称：西(门子)，符号:S。,则欧姆定律表示为,iGu,p吸ui(Ri)ii2Ru(u/R)=u2/R0,2.性质,当R=(G=0)，无论u为何值，i=0。视其为开路,P恒为非负，说明电阻元件是无源元件，是耗能元件。,u(t)Ri(t)，无“记忆”,开路与短路,当R=0(G=)，无论i为何值，u=0，视其为短路,时变电阻；非线性电阻；负电阻,时变电阻：R(t)随时间变化;,非线性电阻：ui之间为非线性关系;,负电阻：R0，元件吸收能量。,当电容元件放电时，Wc0，元件吸收能量。,当电流|i|减小时，WL0，元件释放其储存的能量。,同样可以分析得到：电感不耗能，也不会释放出多于它原来储存的能量，所以电感是一个无源元件。,(1)u的大小与i的变化率成正比，与i的大小无关；,(3)电感元件是一种记忆元件；,(2)电感在直流电路中相当于短路；,(4)当u，i为关联方向时，u=Ldi/dt；u，i为非关联方向时，u=Ldi/dt。,小结：,1.8电压源和电流源,1.电压源,特点,(a)电压源端电压由电源本身决定，与外电路无关;,(b)电压源中的电流由外电路决定。,电路符号,电压源：元件的电压u与通过它的电流无关，总保持为给定的时间函数。,伏安特性,以直流电压源为例:,电压源的开路与短路,(1)开路i=0，uus,(2)理想电压源不允许短路。,(3)零值电压源相当于短路。,功率,i,us非关联:,i,uS关联:,多电源电路中，有些电源也可能吸收能量，相当于电路的“负载”。,p发=uSi,p吸=uSi,2.电流源,特点,(a)电流源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b)电流源两端电压是由外电路决定。,电流源：元件的电流i与它两端的电压无关，总保持为给定的时间函数。,伏安特性,以直流电流源为例:,电流源的短路与开路,(2)理想电流源不允许开路,(1)短路：i=iS，u=0,实际电流源的产生,(3)零值电流源相当于开路,稳流电子设备，如光电池，晶体三极管,功率,p发=uis,p吸=uis,u,iS关联:,u,iS非关联:,解：1）没有1电阻时,PV=11=1W,PI=11=1W,PV=11=1W吸收,PI=21=2W发出,UI=11+1=2V,PR=11=1W吸收,2）有1电阻时,吸收,发出,1.9受控电源(controlledsource),1.定义：电压源电压或电流源电流不是给定函数，而是受电路中某个支路的电压(或电流)的控制。,(1)电流控制的电流源(CurrentControlledCurrentSource),2.四种类型,(2)电流控制的电压源(CurrentControlledVoltageSource),(3)电压控制的电流源(VoltageControlledCurrentSource),(4)电压控制的电压源(VoltageControlledVoltageSource),几点注意：,1)控制系数（,r,g)为常数时，受控源为线性受控源。,2)特有的菱形符号和控制系数的量纲。,3)控制量u或i为零，则受控源为零开路或短路。,4)电路中无独立源时，受控源不能单独对电路起激励作用，这是称其为非独立源的原因。,5)受控源具有负载性，影响电路的输入电阻。,1.10基尔霍夫定律(KirchhoffsLaws),1.几个名词,支路(branch)：电路中流过同一电流的每个分支;(b),结点(node):支路的连接点称为结点;(n),回路(loop)：由支路组成的闭合路径,但除起点与终点外，其余结点只能经过一次;(l),路径(path)：两节点间的一条通路。路径由支路构成。,有时也将每个二端元件定义为一条支路。,2.基尔霍夫电流定律(KCL)：,物理基础:电荷守恒，电流连续性。,i1+i2i3+i4=0,代数和：一般地规定,电流参考方向流出结点,则和式中该电流前取“+”号,反之取“”号。,KCL：在集总电路中，任何时刻，对任一结点，所有支路电流的代数和恒等于零。,上式表明，在任何时刻流出某一结点的支路电流等于流入该结点的支路电流。,i1+i3=i2+i4,i1+i210(12)=0i2=1A,47i1=0i1=3A,例1.求电路中的电流i2.,KCL定律也适用于闭合面,例2.,结点1:i1+i12i31=0,结点2:i2i12+i23=0,结点3:i23+i31+i3=0,三个方程相加,得:,i1i2+i3=0,两条支路电流大小相等，一个流入，一个流出。,只有一条支路相连，则i=0。,通过一个闭合面的支路电流的代数和总是等于零；或者说，流出闭合面的电流等于流入同一闭合面的电流。这称为电流的连续性。KCL是电荷守恒的体现。,?,3.基尔霍夫电压定律(KVL),KVL：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零。,代数和:取和时，需要任意指定一个回路的绕行方向，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，支路电压参考方向与回路绕行方向相反者，取“”号。,顺时