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1、电路原理,任 课：王巧云Email：TEL：150 0335 3023办公室：科技楼4011,1/96,第1章 电路模型和电路定律,主要内容,2,1. 电压、电流的参考方向,3. 基尔霍夫定律, 重点：,2. 电阻元件和电源元件的特性(VCR),3, 难点：,受控电流源和受控电压源,1.1 电路和电路模型（model),一 实际电路：电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。,实际电路主要由各种电路器件构成的。,电源(source)：提供能量或信号.（如电池等）负载(load)：将电能转化为其它形式的能量， 或对信号进行处理.（如电动机等）传输控制器件：电源和负载的联接部分。（如导线(lin
2、e)、开关（switch)等）,4/96, 实际电路的功能,(1) 进行能量的传送和转换。,(2) 进行信号的传递和处理。,导线,电池,开关,电源,电压,电流,激励源,响应,输入,输出, 实际电路的共性,建立在同一电路理论基础上。,5/96,6/96,根据电源性质,直流电路,交流电路,根据负荷性质,电阻电路,动态电路,根据感兴趣的时段,暂态分析,稳态分析,正弦激励,周期性非正弦激励,7/96, 电路中的几个概念,激励：电源或者信号源的电压或电流，也称为输入,响应：由激励在电路各部分产生的电压和电流，也 称为输出,电路理论：研究电路中发生的电磁现象，并用电流、 电荷、电压、磁通等物理量描述其过程
3、。,电路理论主要用于计算电路中各器件的端子电流和端子间的电压，并不涉及内部发生的物理过程, 电路理论的体系,电路分析(analysis)：在给定的激励(excitation)下，求结构已知的电路的响应(response)。,电路综合(synthesis)：在特定的激励下，为了得到预期的响应而研究如何构成所需的电路。,8/96, 电路分析的过程：, 电路的分类：,(1) 线性(linear)电路与非线性(nonlinear)电路,(2) 时变(time-varying)与时不变(定常)(time-invariance)电路,(3) 稳态(steady state)和暂态(transient st
4、ate)电路,(4)集总参数(lumped parameter)和分布参数(distributed parameter)电路,本课程研究的主要对象：线性、时不变、集总参数电路。,9/96,一、 线性与非线性,线性电路：负荷由线性电阻、线性受控源等线性元件构成的电路。用线性方程描述。,非线性电路：负荷中包含非线性元件的电路。用非线性方程描述。,非时变（定常）电路：负荷由非时变元件构成的电路。,时变电路：负荷中包含时变元件的电路。,二、 时变与非时变,例 乌鲁木齐发电站发出的正弦电磁波需要多少时间才能传输到长沙 ？,50Hz的正弦波周期为20ms。经过10ms以后，乌鲁木齐发出的电磁波刚刚到达长沙
5、，而此时乌鲁木齐发电机的电压与长沙的电压正好反相！,关键在哪里？,50Hz电磁波的波长 = 3 108 0.02=6000 km,如果电路尺寸的远小于其工作电磁波的波长 ，则可将该电路建模为集总参数电路。否则只能建模为分布参数电路。,三、 集总参数与分布参数,二、电路模型 (circuit model),1. 理想电路元件：抽掉了实际部件的外形、尺寸等差异性，反映其电磁性能共性的电路模型的最小单元。,几种基本的电路元件：,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存磁 场能的作用,电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电场 能的作用,电源元件：表示各种将其它形式的能量
6、转变成电能 的元件（电压源和电流源）,12/96,2. 电路模型（电路图）：由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具有基本相同的电磁性质，称其为电路模型。,* 电路模型是由理想电路元件构成的。,导线,电池,开关,灯泡,例 .,*在不同条件下，同一实际器件可能采用不同 的模型。,13/96,5种基本理想电路元件有三个特征： （a）只有两个端子； （b）可以用电压或电流按数学方式描述； （c）不能被分解为其他元件。,注意,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电路模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。,电感线圈的电路模型,14,1.
7、2 电流和电压的参考方向 (reference direction),一、电路中的主要电磁参量 主要电参量有电压、电流、电荷、电功率、电能；磁参量有磁通、磁场强度、磁感应强度。,1. 电流 (current)：带电粒子有规则的定向运动,电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体截面的电量。,单位：A (安) (Ampere，安培),15/96,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：,单位,A（安培）、kA、mA、A,1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6A,16/96,2. 电压 (voltage)：电场中某两点A、B间的电压(降)U
8、AB 等于单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小。,单位：V (伏) (Volt，伏特),当把点电荷q由B移至A时，需外力克服电场力做同样的功WAB=WBA，此时可等效视为电场力做了负功WAB，则B到A的电压为,17/96,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。参考点的电位一般选为零，所以参考点也称为零电位点。,电位用表示，单位与电压相同，也是V(伏)。,a,b,c,d,设c点为电位参考点，则 c=0,a=Uac， b=Ubc， d=Udc,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小。,18/96,*
9、两点间电压与电位的关系：,仍设c点为电位参考点， c=0,Uac = a ， Udc = d,Uad= Uac Udc= ad,前例,结论：电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。,19/96,例 .,1.5 V,1.5 V,已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V，求Uac,(1) 以a点为参考点，a=0,Uab= ab b = a Uab= 1.5 V,Ubc= bc c = b Ubc= 1.51.5= 3 V,Uac= ac = 0 (3)=3 V,(2) 以b点为参考点，b=0,Uab= ab a = a +Uab= 1.5 V,Ubc= bc c = b Ubc= 1.5
10、 V,Uac= ac = 1.5 (1.5) = 3 V,结论：电路中电位参考点可任意选择；当选择不同的电位参考时，电路中各点电位均不同，但任意两点间电压保持不变。,20/96,21/96,清华大学电路原理教学组,外力（非静电力）克服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。,e 的单位与电压相同，也是 V（伏）,电压UAB 表示A点到B点电位的降低（potential drop）,电动势eBA表示B点到A点电位的升高（potential rise）,所以,电动势 （electromotive force）,一、 引入参考方向的原因：,有些复杂电路的某些支路两端电压或
11、电流的方向不确定。为分析方便，只能先任意标一方向（参考方向），根据计算结果，才能确定电流的实际方向。,22/96,23/96,(b) 实际电路中有些电流或电压的方向是随时间变化，无法标出实际方向。标出参考方向，再加上与之配合的表达式，才能表示出电流的大小和实际方向。,1.电流的参考方向,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,参考方向,任意假定一个方向即为电流的参考方向。,24,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：,表明,25/96,电流参考方向的两种表示：, 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 iAB , 电流的参考方向由A指
12、向B。,26/96,27/96,例,电路中电流 I 的大小为1A,其方向为从A流向B。（此为电流的实际方向）,若参考方向如 I1 所示，则I1=1A,若参考方向如 I2 所示，则I2= -1A,因此，同一支路的电流可用两种方法表示。,电压U,单位,2.电压的参考方向,单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小。,电位,单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（0）时电场力做功的大小。,实际电压方向,电位真正降低的方向。,V (伏)、kV、mV、V,28/96,2. 电压(降)的参考方向,+,+,U, 0,U,29,电压参考方向的三种表示方式：,(1) 用箭头表示：箭头指向为电压（
13、降）的参考方向,(2) 用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压 (降低)的参考方向,(3) 用双下标表示：如 UAB , 由A指向B的方向为电压 (降)的参考方向,U,U,+,A,B,UAB,30,31,电路中电压UAB=10V，方向从A指向B（实际方向）。,若电压参考方向如 U1 所示，电压参考方向与实际方向相同，则 U1 =10V。,若电压参考方向如 U2 所示，电压参考方向与实际方向相反，则 U2 = -10V。,3. 关联参考方向： 元件的电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性一端，即u，i参考方向相同，则把u， i 的这种参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考
14、方向。,关联参考方向,非关联参考方向,32/96,33/96,分析电路前必须选定电压和电流的参考方向,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,参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。参考方向也称为假定方向、正方向，以后讨论均在参考方向下进行，不考虑实际方向。,例,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。,注意,34,1.3 电功率和能量,一、 电功率：单位时间内电场力所做的功。,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特),当 u
15、，i 为关联参考方向时，p表示元件吸收的功率；,能量的单位： J (焦) (Joule，焦耳),当 u，i 为非关联参考方向时，p表示元件发出的功率。,35/96,二、功率的计算和判断,1. u, i 为关联参考方向,p = ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率 (实际吸收),P0 发出正功率 (实际发出),P0 发出负功率 (实际吸收),2. u, i 为非关联参考方向,36/96,37,例 U1=10V， U2=5V。 分别求电源、电阻的功率。,I=UR/5=(U1U2)/5=(105)/5=1 A,PR吸= URI = 51 = 5 W,PU1发= U1I = 101 = 10 W,PU2吸= U2I = 51 = 5 W,P发= 10 W， P吸= 5+5=10 WP发=P吸 （功率守恒）,
