第一章-电路模型和电路定律

目录

§1-1电路和电路模型

§1-2电路的基本物理量

§1-3电路元件

§1-4基尔霍夫定律§1-1电路和电路模型电路（Electriccircuits）是由电路部件(例如电源和负载)和电路器件(例如二极管、晶体管和集成电路等)相互连接而成的为完成某种功能（例如象电能或信号的传输、信号测量和处理等）而设计的电系统。§1-1电路和电路模型电源是能产生电能或电信号的元件。激励，在电路中由于激励的作用产生的电压和电流均称为响应。负载(load)是日光灯和电动机等用电设备，能将电能转换为热能、光能和机械能等其他形式的能量。手电筒电路，在生活中常用的手电筒电路由干电池、灯泡、开关和导线组成。图1-2汽车点火电路图1-1手电筒§1-2电路的基本物理量

电路原理中涉及的重要物理量主要有电荷Q(q)(charges)、电流I(i)(current)和电压U(u)(voltage)，电功率P(p)(electricpower)和电能W(electricenergy)。电荷的运动引起点的流动即电流当电流的大小和方向不随时间变化时，称为直流电流，用大写字母I表示；电流的单位为安培(Ampere,A)。§1-2电路的基本物理量

如果假定某一个方向为电流的方向，用箭头标注在电路图中，电流大于零(正值)时，电流的实际方向与假定的电流方向相同；当电流小于零(负值)时，实际方向与假定的电流方向相反。任意假定的电流方向称为电流的参考方向。RABiRABi（a）

(b)图1-4电流的参考方向§1-2电路的基本物理量

电荷的分离引起电场力做功即产生了电压，将单位正电荷由A点移至B点电场力所做的功定义为A、B两点间的电压,计算公式为：

将单位正电荷分别由A点或B点移至某一参考点电场力所做的功定义为A点或B点的电位用，电压(u)等于A、B两点间的电位差。§1-2电路的基本物理量

电路中任意两点之间的电压也可假定参考方向或参考极性。用正极性(＋)表示高电位，负极性(－)表示低电位，而正极指向负极的方向就是电压的参考方向。方向是由A指向B，A点的电位确实高于B点的电位，电压的实际方向是由A到B方向一致电位是B点高于A点，则u<0。可用箭头来表示，也可用双下标来表示电压的参考方向。RABuABRABuBA（a）

(b)图1-5电压的参考方向§1-2电路的基本物理量

电流或电压的参考方向是任意假定的。如果流过某一元件电流的参考方向正极性端指向负极性端，那么两者的参考方向是一致的，这种电流和电压参考方向的选择称为关联参考方向。当两者不一致时，称为非关联参考方向。

RABuBAiABiuS（a）

(b)ui12i12u（c）

(d)图1-6关联参考方向与非关联参考方向§1-2电路的基本物理量

物理学定义单位时间所做的功为功率(power)，用p表示，其表达式为：

单位为秒(s)，功的单位为焦耳(J)时，功率的单位为瓦特(W)。

若电流和电压参考方向非关联，计算式必须加一个符号，即p=-ui。当p大于零时，表明该电路元件吸收或消耗电能；当p小于零时，表明该电路元件发出功率或释放电能。§1-3

电路元件1-3-1

电阻元件电阻元件是用来模拟电能损耗或电能转换为热能等其他形式能量的理想元件，在电路中阻止电流的流动，例如像电阻炉、白炽灯和电阻器等。电阻的基本单位为欧姆(Ω)

G是电阻的倒数称为电阻元件的电导，电导的单位为西门子。

电流参考方向取非关联参考方向或§1-3

电路元件1-3-1

电阻元件

u

和流经的电流i

二者之间的关系，可由u-i平面上的一条曲线来确定，该曲线称为电阻的伏安特性曲线。线性电阻的伏安特性曲线是u-i

平面上的一条通过远点的直线。直线的斜率随时间变化时成为线性时变电阻，则称为先行时不变电阻。不满足线性特性的电阻为非线性电阻。非线性电阻元件的伏安特性曲线不是一条通过原点的直线。§1-3

电路元件1-3-1

电阻元件

开路状态的伏安特性曲线在

u-i

平面上与电压轴重合，无论流过电阻元件的电流为何值，如果它的端电压恒为零，则电阻元件处于短路状态，短路状态的伏安特性曲线在u-i

平面上与电流轴重合，当电压u和电流i取关联参考方向时，由电功率的定义及欧姆定律可知，电阻元件的功率为:

所以功率

p恒为正值，这表明线性电阻元件是一种无源元件。有源元件是指元件可向外部电路提供大于零且无限长时间的平均功率的元件。§1-3

电路元件1-3-2电容元件

电容元件是由两片平行导体极板（金属板），间填充绝缘介质而构成的储存电场能量的器件。线性电容元件的特性为电容的单位为F，微法(μF)和皮法(pF)，线性电容元件的库夫特性曲线是一条通过原点的直线。C+q-qui图1-6电容元件符号§1-3

电路元件1-3-2电容元件如果电容元件的电流i和电压u取关联参考方向，电容元件的电压电流关系为当电容电压恒定不变时电流等于零，相当于开路，电容具有隔断直流的作用。电容电压u与电流i的关系是动态的，电容元件是动态元件，任一时刻的电容电压不仅与该时刻的电流有关，称电容元件为记忆元件。§1-3

电路元件1-3-3

电感元件电感元件就是用来模拟实际电磁器件的理想元件，电感线圈的电流与其磁通链之间的关系可用Ψ-i平面上的一条曲线来描述，Ψ-i特性曲线为通过原点的直线，电感元件称为线性时不变电感元件，其元件符号如图1-14所示。对于线性电感，其元件特性为iOΨuiL图1-12电感线圈图1-13电感元件特性曲线图1-14电感元件符号§1-3

电路元件1-3-3

电感元件链的单位是Wb（韦伯，简称韦），电感的单位是H（亨利，简称亨），常用μH，mH表示。当电流为直流时，端电压为零，此时视电感为短路状态；随时间的变化率很大时，端电压将会很高，电感元件是动态元件。这一性质与电容元件相似，即电感元件具有记忆电压的作用，它也是记忆元件。§1-3

电路元件1-3-4

电压源和电流源1.电压源一个二端有源元件，不论其外部电路如何，或输出电流为何值，其两端电压始终是某一确定的时间函数us(t)，这个二端元件称为电压源，端电压随时间周期性变化且在的电压源，称为交流电压源，保持恒定值不变的电压源，称为直流电压源或恒定电压源。usUsE（a）一般符号（b）恒流电压源（c）电池图1-15电压源的图形符号§1-3

电路元件1-3-4

电压源和电流源

电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；忽略外电路对端电压的影响时它是一条不经过原点且平行于电流轴的直线，理想电压源是一种理想电路元件，无论流过其两端电流的大小如何，它的端电压始终保持规定值；实际电压源的伏安特性曲线是一条不经过原点且向电流轴倾斜的直线。1.电压源iOuiOu（a）(b)图1-17电压源伏安特性曲线§1-3

电路元件1-3-4

电压源和电流源

电压源不外接负载时，电流的值为零，此时电压源处于断路（或开路）状态。将电压源接负载处用导线连接时，端电压u=0，电压源的伏安特性曲线向下平移到电流轴，此时电压源处于短路状态，电压源短路不仅失去电源的作用，而且会造成使电流剧增，这是绝对不允许的。

当电压源的电压和通过电压源的电流的参考方向取为非关联参考方向时，电压源功率的计算式为1.电压源§1-3

电路元件1-3-4

电压源和电流源

一个有源二端元件，不论其外部电路如何，或端电压为何值，其电流始终保持常量

Is或确定的时间函数

is(t)，这个二端元件称为电流源。电流源的电流随时间周期性变化且在一个周期内的平均值为零时称为交流电流源，常用小写字母is表示,电流源的电流保持恒定值不变时称为直流电流源或恒流源。2.电流源§1-3

电路元件1-3-4

电压源和电流源

负载连接时，电源的端电压由电源；任意时刻电源两端电压与流经它的电流的关系曲线为电流源伏安特性，忽略外电路对电流的影响时它是一条不经过原点且平行于电压轴的直线。理想电流源是一种理想电路元件，无论端电压大小如何，而其流过两端的电流始终保持规定值；是一条不经过原点且向电压轴倾斜的直线，倾斜的程度与电源内阻。2.电流源sis(I)s负载uii(a)(b)OuiOui（a）

(b)图1-19电流源的图形符号及与负载连接图1-20电流源伏安特性曲线§1-3

电路元件1-3-4

电压源和电流源

电流源不外接负载时，流过负载电流的值为零，此时电流源处于断路（或开路）状态，而电流源本身的电流是不等于零的，这与电流源的特性不符，所以这种情况是不存在的。将电流源接负载处用导线连接时，端电压，此时电流源电流等于短路电流。

当电流源的端电压和通过电流源的电流的参考方向取为非关联参考方向时，电流源功率的计算式为2.电流源§1-3

电路元件1-3-5

受控电压源和受控电流源

电压源的电压或电流源的电流由电路中其它支路或元件的电流或电压控制，这种电源称为受控电压源或受控电流源。所以受控电压源有两种类型分别为电压控制的电压源(VCVS)和电流控制的电压源(CCVS)。受控电流源也有两种类型分别为电压控制的电流源(VCCS)和电流控制电流源(CCCS)。ununλμininununα

ininβ图1-21受控电压源和受控电流源§1-4

基尔霍夫定律

电路元件之间的几何约束关系也称为拓扑关系，这类约束关系体现在电路的基本定律—基尔霍夫定律，基尔霍夫定律是分析集总参数电路的基本定律,包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，基尔霍夫定律与元件自身的特性是电路分析的基础。§1-4

基尔霍夫定律1-4-1基尔霍夫电流定律

任意时刻，对于集总电路中的任一节点．所有流入节点的各支路电流代数和恒等于零。电流是流入节点，那么电流