第1章电路元件和电路定律-江苏大学ppt课件

1、电电 路路1. 1. 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向4. 4. 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 重点：重点：第第1 1章章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律3. 3. 电路元件特性电路元件特性2. 2. 电功率、能量电功率、能量1.1 1.1 电路和电路模型电路和电路模型 1.2 1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 1.3 1.3 电功率和能量电功率和能量 1.4 1.4 电阻元件电阻元件 1.5 1.5 电容元件电容元件 1.6 1.6 电感元件电感元件 1.7 1.7 电压源和电流源电压源和电流源 1.8 1.8 受控电源受控电源 1.9 1.9 基尔霍夫定律基尔霍夫

2、定律 1.1 1.1 电路和电路模型电路和电路模型一、电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供途径。一、电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供途径。电路主要由电源、负载、衔接导线及开关等构成。电路主要由电源、负载、衔接导线及开关等构成。电源电源(source)：提供能量或信号的发生器。：提供能量或信号的发生器。负载负载(load)：将电能转化为其它方式能量的用电设备，或对：将电能转化为其它方式能量的用电设备，或对信号进展处置的设备。信号进展处置的设备。导线导线(line)、开关、开关switch)：将电源与负载接成通路安装。：将电源与负载接成通路安装。2 2、作用：、作用：电池电池灯

3、泡灯泡2.2.实现信号的传送与处置实现信号的传送与处置1. 实践电路实践电路由电工设备和电气器件按预期目的衔由电工设备和电气器件按预期目的衔接构成的电流的通路。接构成的电流的通路。二、电路模型二、电路模型 (circuit model)1. 理想电路元件：根据实践电路元件所具备的电磁性质来想理想电路元件：根据实践电路元件所具备的电磁性质来想象的具有某种单一电磁性质的元件，其象的具有某种单一电磁性质的元件，其u，i关系可用简单关系可用简单的数学式子严厉表示。的数学式子严厉表示。几种根本的电路元件：几种根本的电路元件：电阻元件：表示耗费电能的元件。电阻元件：表示耗费电能的元件。电感元件：表示各种电

4、感线圈产生磁场，储存磁场能的元件。电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁场能的元件。电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场能的元件。电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场能的元件。电源元件：表示各种将其它方式的能量转变成电能的元件。电源元件：表示各种将其它方式的能量转变成电能的元件。 2.由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备衔接而成的电路，称为实践电路。和设备衔接而成的电路，称为实践电路。电阻器电阻器电容器电容器线圈线圈电池电

5、池运算放大器运算放大器晶体管晶体管 低频信号发生器的内部构造低频信号发生器的内部构造手电筒电路手电筒电路常用电路图来表示电路模型常用电路图来表示电路模型(a) 实践电路实践电路 (b) 电原理图电原理图 (c) 电路模型电路模型 (d) 拓扑构造图拓扑构造图晶体管放大电路晶体管放大电路(a)实践电路实践电路 (b)电原理图电原理图 (c)电路模型电路模型 (d)拓扑构造图拓扑构造图 电路模型近似地描画实践电路的电气特性。根据实践电路模型近似地描画实践电路的电气特性。根据实践电路的不同任务条件以及对模型准确度的不同要求，该当电路的不同任务条件以及对模型准确度的不同要求，该当用不同的电路模型模拟同

6、一实践电路。如今以线圈为例加用不同的电路模型模拟同一实践电路。如今以线圈为例加以阐明。以阐明。 图图13 线圈的几种电路模型线圈的几种电路模型 (a)线圈的图形符号线圈的图形符号 (b)线圈经过低频交流的模型线圈经过低频交流的模型 (c)线圈经过高频交流的模型线圈经过高频交流的模型4 4、电路模型：、电路模型：R+RoE-手电筒的电路模型手电筒的电路模型灯灯泡泡开关开关电电池池导线导线S 为了便于用数学方法分析电路为了便于用数学方法分析电路,普通要将实践电普通要将实践电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实践电路中的器件，从而

7、构成与实践电其组合来模拟实践电路中的器件，从而构成与实践电路相对应的电路模型。路相对应的电路模型。三、集总参数元件与集总参数电路三、集总参数元件与集总参数电路 集总参数元件：在任何时辰，流入二端元件的一个端子集总参数元件：在任何时辰，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一个端子流出的电流，两个端钮之间的的电流一定等于从另一个端子流出的电流，两个端钮之间的电压为单值量。电压为单值量。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。集总参数电路：由集总参数元件构成的电路。一个实践电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条一个实践电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实践电路的尺寸必需远小于电路任

8、务频率下的电磁波件：即实践电路的尺寸必需远小于电路任务频率下的电磁波的波长。的波长。知电磁波的传播速度与光速一样，即知电磁波的传播速度与光速一样，即v=3105 km/s (千米千米/秒秒)(1) (1) 假设电路的任务频率为假设电路的任务频率为f =50 Hzf =50 Hz，那么那么 周期周期T = 1/f = 1/50 = 0.02 sT = 1/f = 1/50 = 0.02 s 波长波长 = 3 = 3105 105 0.02=6000 km0.02=6000 km普通电路尺寸远小于普通电路尺寸远小于 。(2) (2) 假设电路的任务频率为假设电路的任务频率为f=50 MHzf=50

9、 MHz，那么，那么 周期周期T = 1/f = 0.02T = 1/f = 0.0210106 s = 0.02 6 s = 0.02 nsns 波长波长 = 3 = 3105 105 0.020.0210106 = 6 m6 = 6 m此时普通电路尺寸均与此时普通电路尺寸均与 可比，所以电路在可比，所以电路在高频情况下不能视为集总参数电路。高频情况下不能视为集总参数电路。一、电路中的主要物理量一、电路中的主要物理量 主要有电压、电流、电荷、磁链。在线性电路主要有电压、电流、电荷、磁链。在线性电路分析中常用电流、电压、电位等。另外，电功率和分析中常用电流、电压、电位等。另外，电功率和电能量也

10、是重要的物理量。电能量也是重要的物理量。1.1.电流电流(current)(current)：带电质点的运动构成电流。：带电质点的运动构成电流。电流的大小用电流强度表示：单位时间内经过导体截面的电量。电流的大小用电流强度表示：单位时间内经过导体截面的电量。tqtqitddlim) t (0def 单位：单位：A (安安) (Ampere，安培，安培)1.2电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。当数值过大或过小时，常用十进制的倍数表示。SI制中，一些常用的十进制倍数的表示法：制中，一些常用的十进制倍数的表示法：符号符号 T G M k c m T G

11、M k c m n p n p中文中文 太太 吉吉 兆兆 千千 厘厘 毫毫 微微 纳纳 皮皮数量数量 1012 109 106 103 10 1012 109 106 103 102 102 103 103 106 6 10109 109 1012 12 2.2.电压电压(voltage)(voltage)：电场中某两点：电场中某两点A A、B B间的电压间的电压( (降降)UAB )UAB 等于将点电荷等于将点电荷q q从从A A点移至点移至B B点电场力所做的功点电场力所做的功WABWAB与该与该点电荷点电荷q q的比值，即的比值，即qWUABdefAB 单位：单位：V (V (伏伏) (

12、Volt) (Volt，伏特，伏特) )当把点电荷当把点电荷q q由由B B移至移至A A时，需外力抑制电场力做同样的功时，需外力抑制电场力做同样的功WAB=WBAWAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功，此时可等效视为电场力做了负功WABWAB，那么，那么B B到到A A的电压为的电压为ABABBAUqWU 3.3.电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参电位：电路中为分析的方便，常在电路中选某一点为参考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。考点，把任一点到参考点的电压称为该点的电位。参考点的电位普通选为零，所以，参考点也称为零电位参考点的电位普通选为零，所以，参考点也称为零

13、电位点。点。电位用电位用表示，单位与电压一样，也是表示，单位与电压一样，也是V(V(伏伏) )。a ab bc cd d设设c c点为电位参考点，那么点为电位参考点，那么 c=0c=0 a=Uac， b=Ubc， d=Udc两点间电压与电位的关系：两点间电压与电位的关系：abcd仍设仍设c c点为电位参考点，点为电位参考点，c=0c=0Uac = a ， Udc = dUad= Uac Udc= a d前例前例结论：电路中恣意两点间的电压等于该两点间的结论：电路中恣意两点间的电压等于该两点间的电位之差。电位之差。例例2 . abc1.5 V1.5 V知知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V

14、。求。求 a；b；c；Uac(1) 以以a点为参考点，点为参考点，a=0Uab= ab b = a Uab= 1.5 VUbc= bc c = b Ubc= 1.51.5= 3 VUac= ac = 0 (3)=3 V(2) 以以b点为参考点，点为参考点，b=0Uab= ab a = b +Uab= 1.5 VUbc= bc c = b Ubc= 1.5 VUac= ac = 1.5 (1.5) = 3 V结论：电路中电位参考点可恣意选择；中选择不同的电结论：电路中电位参考点可恣意选择；中选择不同的电位参考时，电路中各点电位均不同，但恣意两点间位参考时，电路中各点电位均不同，但恣意两点间电压坚

15、持不变。电压坚持不变。4.4.电动势电动势(eletromotive force)(eletromotive force)：局外力抑制电场力把单位正电：局外力抑制电场力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。荷从负极经电源内部移到正极所作的功称为电源的电动势。qAedddef e e 的单位与电压一样，也是的单位与电压一样，也是 V ( V (伏伏) ) 根据能量守恒：根据能量守恒：UAB = eBAUAB = eBA。电压表示电位降，。电压表示电位降，电动势表示电位升，即从电动势表示电位升，即从A A到到B B的电压，数的电压，数值上等于从值上等于从B B 到到A A

16、的电动势。的电动势。* * 电场力把单位正电荷从电场力把单位正电荷从A A移到移到B B所做的功所做的功(UAB )(UAB )，与外，与外力抑制电场力把一样的单位正电荷从力抑制电场力把一样的单位正电荷从B B经电源内部移向经电源内部移向A A所做的功所做的功(eBA )(eBA )是一样的，所以是一样的，所以UAB= eBAUAB= eBA。 BA二、电流、电压的参考方向二、电流、电压的参考方向(reference direction)(reference direction)1.1.电流的参考方向电流的参考方向元件元件( (导线导线) )中电流流动的实践方向有两种能够中电流流动的实践方向有

17、两种能够: : 参考方向：恣意选定一个方向即为电流的参考方向。参考方向：恣意选定一个方向即为电流的参考方向。大小大小 方向方向 电流电流i i为代数量，具有为代数量，具有 实践方向实践方向i实践方向实践方向i i i参考方向参考方向BA 电流参考方向有两种表示：电流参考方向有两种表示： 用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。 用双下标表示：如用双下标表示：如iAB,iAB,电流的参考方向由电流的参考方向由A A点指向点指向B B点。点。i 0i 参考方向参考方向实践方向实践方向A AB Bi 参考方向参考方向实践方向实践方向A AB B为什么要引入参考

18、方向为什么要引入参考方向 ？(b)(b)实践电路中有些电流是交变的，无法标出实践电路中有些电流是交变的，无法标出实践方向。标出参考方向，再加上与之配实践方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才干表示出电流的大小和实合的表达式，才干表示出电流的大小和实践方向。践方向。(a) (a) 有些复杂电路的某些支路事先无法确定实有些复杂电路的某些支路事先无法确定实践方向。为分析方便，只能先恣意标一方践方向。为分析方便，只能先恣意标一方向参考方向，根据计算结果，才干确向参考方向，根据计算结果，才干确定电流的实践方向。定电流的实践方向。2.2.电压电压( (降降) )的参考方向的参考方向U 0 0 0

19、0p0表示元件吸收的功率；表示元件吸收的功率；当当u,i u,i 的参考方向相反时，的参考方向相反时，p0p0表示元件发出的功率。表示元件发出的功率。 u u 和和i i 都是时间的函数，并且是代数量，因此，电能都是时间的函数，并且是代数量，因此，电能W W也是时间的函数，且是代数量。功率是能量对时间的导数，也是时间的函数，且是代数量。功率是能量对时间的导数，能量是功率对时间的积分。能量是功率对时间的积分。由式由式1-11-1可知，元件吸收的电功率为：可知，元件吸收的电功率为：当当p0p0时，元件确实吸收功率；当时，元件确实吸收功率；当p0p0 吸收正功率吸收正功率 (吸收吸收)P0 发出正功

20、率发出正功率 (发出发出)P0 发出负功率发出负功率 (吸收吸收)+ +i iu u2.u,i 2.u,i 非关联参考方向非关联参考方向 上述功率计算不仅适用于元件，也运用于恣上述功率计算不仅适用于元件，也运用于恣意二端网络。意二端网络。 电阻元件在电路中总是耗费电阻元件在电路中总是耗费( (吸收吸收) )功率，而功率，而电源在电路中能够吸收，也能够发出功率。电源在电路中能够吸收，也能够发出功率。+5IURU1U2例例3 U1=10V3 U1=10V，U2=5VU2=5V。分别求电源、电阻的功率。分别求电源、电阻的功率。I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 APR吸吸= URI

21、= 51 = 5 WPU1发发= U1I = 101 = 10 WPU2吸吸= U2I = 51 = 5 WP发发= 10 W， P吸吸= 5+5=10 WP发发=P吸吸 (功率守恒功率守恒)留意各元件上电压、留意各元件上电压、电流的参考方向。电流的参考方向。例例4 在图示电路中，知在图示电路中，知U1=1V, U2=6V, U3=4V, U4=5V, U5=10V, I1=1A, I2=3A , I3=4A, I4=1A, I5=3A。试求：试求：(1) 各二端元件吸收的功率；各二端元件吸收的功率； (2) 整个电路吸收的功率。整个电路吸收的功率。W111111IUPWIUP222183)(

22、6)(W164)4(333IUP30W)W(30)3()10(555发出IUP5W)W(5) 1(5444发出IUPU1=1V, U2=6V, U3=4V,U4=5V, U5=10V, I1=1A, I2=3A , I3=4A, I4=1A, I5=3A。 5151030516181kkPPP整个电路吸整个电路吸收的功率为收的功率为解：各二端元件解：各二端元件吸收的功率为吸收的功率为思索与练习思索与练习 图图1 图图21、为什么在分析电路时，必需规定电流的参考方向和电压、为什么在分析电路时，必需规定电流的参考方向和电压的参考极性？参考方向与实践方向有什么关系？的参考极性？参考方向与实践方向有什

23、么关系？2、他能确定图、他能确定图1电路中电压电路中电压Uab的实践极性吗？为什么？的实践极性吗？为什么？3、求图、求图3各二端元件的吸收功率。各二端元件的吸收功率。1.4 电阻元件电阻元件 (a) 二端元件二端元件 (b) 三端元件三端元件 (c) 四端元件四端元件 集总参数电路集总参数电路(模型模型)由电路元件衔接而成。电路元件是为由电路元件衔接而成。电路元件是为建立实践电气器件的模型而提出的一种理想元件，它们都有准建立实践电气器件的模型而提出的一种理想元件，它们都有准确的定义。按电路元件与外电路衔接端点的数目，电路元件可确的定义。按电路元件与外电路衔接端点的数目，电路元件可分为二端元件、

24、三端元件、四端元件等。本节先引见一种常用分为二端元件、三端元件、四端元件等。本节先引见一种常用的二端电阻元件。的二端电阻元件。 在物理学中服从欧姆定律的电阻，是一种最常用的线性电在物理学中服从欧姆定律的电阻，是一种最常用的线性电阻元件阻元件(简称电阻简称电阻)。随着电子技术开展和电路分析的需求，有。随着电子技术开展和电路分析的需求，有必要将线性电阻的概念加以扩展，提出电阻元件的普通定义。必要将线性电阻的概念加以扩展，提出电阻元件的普通定义。)141 (0),(iuf 假设一个二端元件在任一时辰的电压假设一个二端元件在任一时辰的电压u与其电流与其电流 i 的关系，的关系，由由u-i平面上一条曲线

25、确定，那么此二端元件称为二端电阻元件，平面上一条曲线确定，那么此二端元件称为二端电阻元件，其数学表达式为其数学表达式为 这条曲线称为电阻的特性曲这条曲线称为电阻的特性曲线。它阐明了电阻电压与电流线。它阐明了电阻电压与电流间的约束关系间的约束关系(Voltage Current Relationship，简称为，简称为VCR)。电阻的分类：电阻的分类：1. 线性电阻与非线性电阻：其特性曲线为经过坐标原点直线的电线性电阻与非线性电阻：其特性曲线为经过坐标原点直线的电阻，称为线性电阻；否那么称为非线性电阻。阻，称为线性电阻；否那么称为非线性电阻。2. 时变电阻与时不变电阻：其特性曲线随时间变化的电阻

26、，称为时变电阻与时不变电阻：其特性曲线随时间变化的电阻，称为时变电阻；否那么称为时不变电阻或定常电阻。时变电阻；否那么称为时不变电阻或定常电阻。a) 线性时不变电阻线性时不变电阻 b)线性时变电阻线性时变电阻c)非线性时不变电阻非线性时不变电阻 d)非线性时变电阻非线性时变电阻 线性定常电阻元件：任何时辰端电压与其电流成正比的电线性定常电阻元件：任何时辰端电压与其电流成正比的电阻元件。阻元件。1. 1. 符号符号(1) (1) 电阻上的电压与电流的参考方向选为一致时：电阻上的电压与电流的参考方向选为一致时：RRiu+2. 2. 欧姆定律欧姆定律 (Ohm (Ohms Law)s Law)线性定

27、常电阻元件服从欧姆定律，即有：线性定常电阻元件服从欧姆定律，即有： u=R i u=R i(1-3)(1-3) 伏安特性曲线: R R tan tan 线性电阻线性电阻R R是一个与电压和电流无关的常数。是一个与电压和电流无关的常数。令令 G G 1/R 1/R上式上式(1-3)(1-3)中中R R称为电阻，称为电阻，R R是一个正实常数。是一个正实常数。那么式那么式 (1-3) (1-3) 欧姆定律欧姆定律 又可表示为又可表示为 i i G G u u 电阻的单位：电阻的单位： ( (欧欧) (Ohm) (Ohm，欧姆，欧姆) )电导的单位：电导的单位： S ( S (西西) (Siemens) (Siemens，西门子，西门子) ) uiO O(1-4)(1-4)式式(1-4)(1-4)中中G G称为电阻元件的电导。称为电阻元件的电导。R R和和G G都是电阻元件的参数。都是电阻元件的参数。(2) (2) 电阻上的电压和电流的参考方向相反时：电阻上的电压和电流的参考方向相反时：那么欧姆定律写为那么欧姆定律写为u Ri 或或 i Gu 公式必需和参考方向配套运用！公式必需和参考方向配套运用！Riu+3.3.电阻元件的功率和能量电阻元件的功率和能量上述结果阐明电阻元件在任何时辰总是