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1、第1章 电路模型和电路定律,本章重点,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,返 回,1.1 电路和电路模型,1.实际电路,功能,a 能量的传输、分配与转换;b 信息的传递、控制与处理。,建立在同一电路理论基础上。,由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。,下 页,上 页,共性,返 回,反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。,2. 电路模型,电路图,理想电路元件,有某种确定的电磁性能的理想元件。,电路模型,下 页,上 页,返 回,5种基本的理想电路元件:,电阻元件:表示消耗电能的元件,电感元件:表示产生磁场,储存磁场
2、能量的元件,电容元件:表示产生电场,储存电场能量的元件,电压源和电流源:表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。,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。,下 页,上 页,注意,返 回,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。,下 页,上 页,例,电感线圈的电路模型,注意,返 回,3. 电路分析与电路综合,实际电路,电路模型,计算分析,电气特性,4. 目的,通过对电路模型的分析和计算预测实际电路的特性,从而改进实际
3、电路的特性和设计出新的电路。,5. 任务,掌握电路的基本理论和电路的基本分析方法。,1.2 电流和电压的参考方向,电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。,1.电流的参考方向,电流,电流强度,带电粒子有规则的定向运动,单位时间内通过导体横截面的电荷量,下 页,上 页,返 回,方向,规定正电荷的运动方向为电流的实际方向,单位,1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6A,A(安培)、kA、mA、A,元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:,对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时,电流的实际方向往往很难事先判
4、断。,下 页,上 页,问题,返 回,参考方向,任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。,i 0,i 0 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),u, i 取非关联参考方向,下 页,上 页,返 回,例,求图示电路中各方框所代表的元件吸收或产生的功率。,下 页,上 页,已知: U1=1V, U2= -3V,U3=8V, U4= -4V,U5=7V, U6= -3V,I1=2A, I2=1A,,I3= -1A,返 回,解,对一完整的电路,满足:发出的功率吸收的功率,下 页,上 页,注意,返 回,下 页,上 页,1.4 电路元件,是电路中最基本
5、的组成单元。,1. 电路元件,返 回,5种基本的理想电路元件:,电阻元件:表示消耗电能的元件,电感元件:表示产生磁场,储存磁场能量的元件,电容元件:表示产生电场,储存电场能量的元件,电压源和电流源:表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。,注意,如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系,该元件称为线性元件,否则称为非线性元件。,2.集总参数电路,由集总元件构成的电路,集总元件,假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。,集总条件,下 页,上 页,集总参数电路中u、i 可以是时间的函数,但与空间坐标无关。因此,任何时刻,流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流;端子间的电压为单值量。,
6、注意,返 回,下 页,上 页,例,集总参数电路,两线传输线的等效电路,当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足:,返 回,下 页,上 页,分布参数电路,当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足:,返 回,1.5 电阻元件,2.线性时不变电阻元件,电路符号,电阻元件,对电流呈现阻力的元件。其特性可用ui平面上的一条曲线来描述:,任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。,1.定义,伏安特性,下 页,上 页,0,返 回,ui 关系,R 称为电阻,单位: (Ohm),满足欧姆定律,单位,G 称为电导,单位:S (Siemens),u、i 取关联参考方向,下 页,上 页,伏安特性为一条过原点的直线,返
7、 回,如电阻上的电压与电流参考方向非关联,公式中应冠以负号;,说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。,欧姆定律,只适用于线性电阻( R 为常数);,则欧姆定律写为,u R i i G u,公式和参考方向必须配套使用!,下 页,上 页,注意,返 回,3.功率和能量,电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,p u i (R i) i i2 R - u2/ R,p u i i2R u2 / R,功率,下 页,上 页,表明,返 回,从 t0 到 t 电阻消耗的能量:,4.电阻的开路与短路,能量,短路,开路,下 页,上 页,0,0,返 回,下 页,上 页,实际电阻器,返 回,1.6 电压源和电流源,电路符号,
8、1.理想电压源,定义,下 页,上 页,其两端电压总能保持定值或一定的时间函数,其值与流过它的电流 i 无关的元件叫理想电压源。,返 回,电源两端电压由电源本身决定,与外电路无关;与流经它的电流方向、大小无关。,通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。,理想电压源的电压、电流关系,直流电压源的伏安关系,下 页,上 页,例,外电路,电压源不能短路!,0,返 回,电压源的功率,电压、电流参考方向非关联;,电流(正电荷 )由低电位向高电位移动,外力克服电场力作功,电源发出功率。,发出功率,起电源作用,物理意义:,下 页,上 页,电压、电流参考方向关联;,物理意义:,电场力做功,电源吸收功率,吸收功率,
9、充当负载,返 回,例,计算图示电路各元件的功率,解,发出,吸收,吸收,满足:P(发)P(吸),下 页,上 页,返 回,其输出电流总能保持定值或一定的时间函数,其值与它的两端电压u 无关的元件叫理想电流源。,电路符号,2.理想电流源,定义,下 页,上 页,理想电流源的电压、电流关系,电流源的输出电流由电源本身决定,与外电路无关;与它两端电压方向、大小无关。,返 回,电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。,直流电流源的伏安关系,下 页,上 页,0,例,外电路,电流源不能开路!,返 回,可由稳流电子设备产生,如晶体管的集电极电流与负载无关;光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。,下
10、 页,上 页,实际电流源的产生:,电流源的功率,电压、电流的参考方向非关联;,发出功率,起电源作用,电压、电流的参考方向关联;,吸收功率,充当负载,返 回,例,计算图示电路各元件的功率,解,发出,发出,满足:P(发)P(吸),下 页,上 页,返 回,实际电源,干电池,钮扣电池,1. 干电池和钮扣电池(化学电源),干电池电动势1.5V,仅取决于(糊状)化学材料,其大小决定储存的能量,化学反应不可逆。,钮扣电池电动势1.35V,用固体化学材料,化学反应不可逆。,下 页,上 页,返 回,氢氧燃料电池示意图,2. 燃料电池(化学电源),电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约40-45%的化学能转变
11、为电能。实验阶段加燃料可继续工作。,下 页,上 页,返 回,3. 太阳能电池(光能电源),一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到P-N结上,形成一个从N区流向P区的电流。约 11%的光能转变为电能,故常用太阳能电池板。,一个50cm2太阳能电池的电动势0.6V,电流0.1A,太阳能电池示意图,太阳能电池板,下 页,上 页,返 回,蓄电池示意图,4. 蓄电池(化学电源),电池电动势2V。使用时,电池放电,当电解液浓度小于一定值时,电动势低于2V,常要充电,化学反应可逆。,下 页,上 页,返 回,直流稳压源,变频器,频率计,函数发生器,下 页,上 页,返 回,发电机组,下 页,上 页,返 回,
12、草原上的风力发电,下 页,上 页,返 回,1.7 受控电源(非独立源),电路符号,受控电压源,1.定义,受控电流源,电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数,而是受电路中某个地方的电压(或电流)控制的电源,称受控源。,下 页,上 页,返 回,电流控制的电流源 ( CCCS ), : 电流放大倍数,根据控制量和被控制量是电压u 或电流i,受控源可分四种类型:当被控制量是电压时,用受控电压源表示;当被控制量是电流时,用受控电流源表示。,2.分类,四端元件,输出:受控部分,输入:控制部分,下 页,上 页,返 回,g: 转移电导,电压控制的电流源 ( VCCS ),电压控制的电压源 ( VCVS ),: 电压放大倍数,下 页,上 页,返 回,电流控制的电压源 ( CCVS ),r : 转移电阻,例,电路模型,下 页,上 页,返 回,3.受控源与独立源的比较,