第01章 电路模型和电路定律-1

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,第一章 电路模型和电路定律,§1.1,电路和电路模型,,§1.2,电流和电压的参考方向,,§1.3,电功率和能量,,§1.4,电路元件,,§1.5,电阻元件,,§1.6,电压源和电流源,,§1.7,受控电源,,§1.8,基尔霍夫定律,,§1.1,电路和电路模型,一、电路,,,电路是,电流的通路,。,,实际电路是由,电阻器、电容器、线圈、变压器、二极管、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和设备连接而成的电路,。,,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,,二、

2、电路的作用,,,1,、电能的传输和转换,降压,,变压器,发电机,升压,,变压器,电灯,,电动机,,电炉,...,输电线,放大器,扬声器,话筒,2,、传递和处理信号,3,、测量、控制、计算等功能,,三、电路的组成部分,,1,、电源：,,电能或电信号的发生器,,2,、负载：,,用电设备,,3,、中间环节：,,联接电源和负载的部分。,,1,、激励：,,电源或信号源的电压或电流。,,2,、响应：,,由激励而在电路各部分产生的电压和电流。,,,3,、,激励称为输入，响应称为输出。,四、电路分析,,电路：实际电路,,电路模型：模拟实际电路的理想电路,,电路模型是实际电路的,简化、模拟和近似,(,在一定的假

3、设条件下,),,电路模型是由,一些理想电路元件所组成的电路。,五、电路与电路模型,理想元件,电阻,R,,电感,L,,电容,C,电压源,,电流源,,图,1,－,1,手电筒电路,,常用电路图来表示电路模型,(a),实际电路,(b),电原理图,(c),电路模型,(d),拓扑结构图,,电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。,图,1,－,2,线圈的几种电路模型,,,(a),线圈的图形符号,(b),线圈通过低频交流的模型,,,(c),线圈通过高频交流的模型,,,,§1.2,电流和电压的参考方

4、向,一、问题的引入,,考虑电路中每个电阻的电流方向,5Ω,3Ω,10V,9V,6Ω,,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,,3,、电流参考方向的表示方法,a,b,i,箭头（常用）,,双下标,,三、电压,1,、实际方向：,,,高电位指向低电位的方向。,,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

5、考方向和它的实际方向相反时，电压为负值。,,u,_,+,正负号（常用）,a,b,U,ab,,双下标,,箭 头,u,a,b,3,、电压参考方向的表示方法：,U,ab,=,U,a,-U,b,（,高电位在前，,,低电位在后）,,,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,。,元件,i,+,_,u,四、关联参考方向,,(1),“,实际方向”,是物理中规定的，而,“参考方向”,则是人们在进行电路分析计算时，任意假设的。,(2),在以后的解题过程中，注意一定要,先假定“正方向”,,(,即在图中表明物理量的参考方向,),，,然后再

6、列方程计算,。缺少“参考方向”的物理量是无意义的。,,提示,,五、电 位,V,a,= 5V,,a,,点电位：,a,b,1,,5A,a,b,1,,5A,V,b,= -5V,,b,,点电位：,在电路中任选一点， 设其电位为零（用,┻,标记），此点称为参考点。其它各点对参考点的电压，便是该点的电位。,,记为：,“,V,X,”,（,注意：电位为,单下标,）。,比参考点电位高为正，否则为负。,,电位的特点：,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；,,电压的特点：,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。,注意：,电位和电压的区别。,,a,为参考点

7、：,,V,a,=0,,V,b,=10V,,U,bc,=,V,b,-V,c,+ 3V -,V,c,=,V,b,-U,bc,,=10-3=7V,,V,d,=3V,b,为参考点：,,V,a,= -10V,,V,b,=0V,,V,c,=,V,b,-U,bc,,=0-3= -3V,,V,d,=,V,c,-U,cd,,= -7V,电位是相对量,a,b,c,d,10V,4V,6Ω,6Ω,录像,01,，,02,,§1.3,电功率和能量,在电压和电流的关联参考方向下,,,i,元件,+,_,u,,p,(,t,) =,u,(,t,),i,(,t,),,当,p,>0,时，元件吸收电能；,,,,p,<0,时，元

8、件吸收的电能为负的,(,实际上,,是释放电能,),。,电功率可写成,,,在,U,、,I,为关联参考,方向时，,,I,R,U,a,b,或,I,R,U,a,b,“,吸收功率,”,,若,P,=,UI,,0,根据能量守衡关系，,,对于,同一电路,P,（,吸收）,=,P,（,发出）,,,若,P = UI,,0,I,U,a,b,+,-,“,吸收功率,”,为负的，,,实际是,发出功率,,,某一电路元件为电源或负载的判别,i,i,8V,4V,10Ω,8V,10Ω,,当计算的,P,> 0,,时,,,则说明,U,、,I,,的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，,为,负载,。,,所以，从,P,的,+,或,-,可

9、以区分器件的性质，,,或是电源，或是负载。,结 论,在进行功率计算时，,如果假设,U,、,I,,为关联参考方向,当计算的,P,< 0,,时,,,则说明,U,、,I,,的实际方向相反，此部分电路发出电功率，,为电源,。,,课堂练习：习题,1,－,1,，,1,－,3,,习题,1-1,1-1,说明图,(,a),(b,),中：,,(1) u,、,i,的参考方向是否,,关联？,,(2),ui,乘积表示什么功率？,,(3),如果在图,(a),中,u>0, i<0;,,图,(b),中,u>0, i>0,,元件实际,,发出还是吸收功率,?,答案：（,1,）关联， 非关联（,2,）吸收，发出（,3,）实际发

10、出，实际发出,,习题,1-1,答案,答案分析：,,(1),图,(a),中的,u,、,i,为关联参考方向,;,图,(b),中的,u,、,i,为非关联参考方向,.,,(2),图,(a),中,p=,ui,表示吸收功率,;,图,(b),中,p=,ui,表示发出功率,.,,(3),图,(a),中,p=,ui,<0,表示吸收的负功率,,,实际发出功率,;,图,(b),中,p=,ui,>0,表示发出的正功率,,,实际发出功率,.,,习题,1-3,1-3,试校核图中电路所,得解答是否满足功率平衡。（提示：求解电路以后，校核所得结果的方法之一是核对电路中所有元件的功率平衡，即元件发出的总功率应等于其他元件吸收的

11、总功率）。,,题,1-3,图,,,习题,1-3,答案,答案分析：,,元件,A,：∵,u,、,i,参考方向非关联；,,∴,P,A,=,ui,=(,－,5)×60=,－,300W,＜,0,，,发出。,,元件,B,、,C,、,D,、,E,： ∵,u,、,i,参考方向关联；,,∴,P,B,=,ui,=1×60=60W >0,，,吸收；,,,P,C,=,ui,=2×60=120W >0,，,吸收；,,,P,D,=,ui,=2×40=80W >0,，,吸收；,,,P,E,=,ui,=2×20=40W >0,，,吸收。,,∵,,P,总,发出,=300W,；,P,总吸收,=60+120+80+40=300W,

12、,∴,电路所得的解答满足功率平衡。,,§1.4,电路元件,一、集总电路,,1,、集总电路元件,,,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,。,,由集总元件构成的电路称为集总电路。,,例：已知电磁波的传播速度,c =,3×10,5,km/s,，,c =,λ·f,,(1),若电路的工作频率为,f,=50 Hz,，则,,周期,,T,= 1/,f,= 1/50 = 0.02 s,,,

13、波长,,,=,3×10,5,,0.02=,6000,km,,一般电路尺寸远小于,,，视为,集总参数电路,。,,同样的波长对于远距离传输线来说，就是非集总电路。,,(2),若电路的工作频率为,f,=50 MHz,，则,,周期,T,= 1/,f,= 0.02,10,–6,s,,,,波长,,=,3×10,8,,,0.02,10,–6,=,6,m,,此时一般电路尺寸均与,,可比，所以电路视为,分布参数电路,。,2,、集总电路,,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,、,有源元件,,无源元件,,3,、,线性元件,,非线性元件,,4,、,

14、时变元件,,时不变元件,,线性时不变集总参数元件,,§1.5,电阻元件,,,常用的各种二端电阻器件,电阻器,晶体二极管,,§1.5,电阻元件,一、欧姆定律,,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,R,i,+,_,u,R,i,+,_,u,,1,、定义,:,G=,1/,R,,2,、单位,:,S,（,西门子）,,电阻的单位为,Ω(,欧姆,),，,,计量高电阻时，则以,k Ω,和,M Ω,为单位。,,三、电阻元件的伏安特性,,以电压

15、和电流为坐标，,,画出电压和电流的关系曲线。,二、电导,录像：,03,,四、电阻元件吸收的电功率,任何时刻线性电阻元件吸取的电功率,,,,p,=,ui,=,i,2,R,=,Gu,2,,,建议在今后计算中使用,,,,p,=,i,2,R,,R,i,u,+,–,五,.,电阻的开路与短路,短路,开路,,六、非时变电阻,如果电阻的伏安特性不随时间改变，则称为非时变电阻；,,,,否则称为时变电阻。,,,在电子设备中使用的碳膜电位器、实心电位器和线绕电位器是一种三端电阻器件，它有一个滑动接触端和两个固定端,[,图,(a)],。,在直流和低频工作时，电位器可用两个可变电阻串联来模拟,[,图,(b)],。,电位

16、器的滑动端和任一固定端间的电阻值，可以从零到标称值间连续变化，可作为可变电阻器使用。,录像：,04,,§1.6,电压源和电流源,一、电压源,,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,O,t,t,O,既,可以表示直流也可以表示交流,,+,-,+,-,i,= 0,+,-,i,+,-,外电路,3,、电压源的不同状态,空载,有载,4,、特殊情况,电压为零的电压源相当于,短路,，电压源,不允许短路！,u,S,,= 0,,电池容量的含义,6

17、00mAh,,表示如果通过电池的电流是,600mA,的时候，,,电池能工作,1,小时；,,当然如果通过电池的电流是,100mA,的时候，,,电池可以工作,6,小时。,,,常用的干电池和可充电电池,,实验室使用的直流稳压电源,用示波器观测直流稳压电源的电压随时间变化的波形,。,示波器,稳压电源,,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、电流源,,+,-,u,=0,i,外电路,i,短路,有载,4,、特殊情况,电流为零的电流源相当于,开路，电流源一般不允许

18、开路,+,-,u,3,、电流源的不同状态,i,S,,= 0,录像：,05,06,,恒流源两端电压由外电路决定,I,U,I,s,R,设,:,I,S,=,1 A,,R=,10,,时，,R=,1,,时，,则,:,例,U =,1,,V,U,=10,,V,,恒流源特性小结,恒流源特性中不变的是：,_____________,I,s,恒流源特性中变化的是：,_____________,U,ab,_________________,会引起,U,ab,,的变化。,外电路的改变,a,b,I,U,ab,I,s,R,,,电压源中的电流,,如何决定,？,电流,,源两端的电压等,,于多少,？,例,I,E,R,_,+,a,b,U,ab,=?,I,s,原则,：,I,s,不能变，,E,不能变。,电压源中的电流,I= I,S,恒流源两端的电压,,10V,+,-,2A,2,,I,,讨论题,哪,,个,,答,,案,,对,?,?,?,,,