第一章电路模型和电定律ppt课件

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1、河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院电电 路路基本内容基本内容对电路中的电压、电流、电荷、磁通、能量和对电路中的电压、电流、电荷、磁通、能量和功率等物理量进行分析，探讨电路的基本定律功率等物理量进行分析，探讨电路的基本定律和定理，并讨论各种计算方法，为电类专业学和定理，并讨论各种计算方法，为电类专业学生建立必要的理论基础。生建立必要的理论基础。学习方法学习方法（1 1）提高课堂上的学习效率；）提高课堂上的学习效率；（2 2）注重基本概念的理解并灵活运用；）注重基本概念的理解并灵活运用；（3 3）多做习题，必须独立完成作业；）多做习题，必须独立完成作业；（4 4）及时交流和沟通；）及时交流和

2、沟通；（5 5）注重实验环节；）注重实验环节；河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院电电 路路几点要求几点要求（1 1）按时上课；）按时上课；（2 2）课堂上认真听讲，重点内容要做笔记；）课堂上认真听讲，重点内容要做笔记；（4 4）实验要预习，认真完成实验。）实验要预习，认真完成实验。（3 3）认真完成作业，要）认真完成作业，要“抄题抄题”、要、要“画图画图”，所用的参数在图上标明变量和方向，所用的参数在图上标明变量和方向；河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.1.电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向3.3.基尔霍夫定律基尔霍夫定律重点重点第一章第一章 电路元件和电路定律电路元件和

3、电路定律2.2.电路元件特性电路元件特性（Circuit Elements and Circuit Laws）下 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.1 电路和电路模型（电路和电路模型（model)1.1.实际电路实际电路功能功能a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；由电工设备和电气元器件按预期目由电工设备和电气元器件按预期目的连接，构成电流的通路。的连接，构成电流的通路。b 信息的传递与处理。信息的传递与处理。名词名词电源：电源：提供电能或电信号的器件提供电能或电信号的器件也称之为也称之为“激励激励”负载：负载：用电设备。消耗、存储能量用电设备。消耗、存储能量响应：响

4、应：各支路的电压和电流各支路的电压和电流下 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院反映实际电路器件的主要电磁性质的理反映实际电路器件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。想电路元件及其组合。2.电路模型电路模型 (Circuit Model)sRLRsU10BASE-T wall plate导线导线电池电池开关开关灯泡灯泡电路图电路图理想电路元件理想电路元件具有某种确定的电磁性质具有某种确定的电磁性质电路模型电路模型具有精确的数学定义。具有精确的数学定义。下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院几种基本的理想电路元件：几种基本的理想电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电阻元件

5、：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容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注注（1）具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在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模型表示；一定条件下可用同一模型表示；下 页上 页（2）同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模）同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式。型可以有不同的形式。河北理工大学轻工学院河北理

6、工大学轻工学院例例3.集总参数电路集总参数电路由集总元件构成的电路由集总元件构成的电路集总元件集总元件假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行,集总条件集总条件d从一端流入的电流等于另一端流出的电流，从一端流入的电流等于另一端流出的电流，下 页上 页两个端子之间的电压为单值量。两个端子之间的电压为单值量。河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 (Reference Direction)电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁链、能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

7、主要关心的物理量量、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。是电流、电压和功率。1.电流的参考方向电流的参考方向(Current Reference Direction)电流电流电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动，形成电流带电粒子有规则的定向运动，形成电流单位时间内通过导体横截面的电荷量单位时间内通过导体横截面的电荷量下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院方向方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）（安培）kA、mA、A 实际方向实际方向实际

8、方向实际方向 AABB问题问题复杂电路或电路中的电流随时间变化时，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断。电流的实际方向往往很难事先判断。下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院参考方向参考方向i 参考方向参考方向任意假定一个正电荷运动的方向即为电流任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。的参考方向。i 参考方向参考方向i 参考方向参考方向i 0i 0参考方向参考方向U+实际方向实际方向+实际方向实际方向参考方向参考方向U+0 吸收正功率吸收正功率 (实际吸收实际吸收)P 0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P 0 发出负功率发出负功率

9、 (实际吸收实际吸收)（2）u,i 取非取非关联参考方向关联参考方向下 页上 页+iuAB+iuAB吸吸发发河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院例例求图示电路中各方框求图示电路中各方框所代表的元件消耗或所代表的元件消耗或产生的功率。已知：产生的功率。已知：U1=1V,U2=3V,U3=8V,U4=4V,U5=7V,U6=3VI1=2A,I2=1A,I3=1A 解解WIUP221111 发发WIUP62)3(122 吸吸WIUP1628133 吸吸WIUP3)1()3(366 吸吸WIUP7)1(7355 吸吸WIUP41)4(244 吸吸注注对一完整的电路，发出的功率消耗的功率对一完整的电

10、路，发出的功率消耗的功率下 页上 页564123I1+U1U2U3U4U5U6I2I3河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.5 电阻元件电阻元件(Resistor)2.线性电阻元件线性电阻元件电路符号电路符号电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用ui平面的一条曲线来描述：平面的一条曲线来描述：0),(iufiu任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。任何时刻端电压与其电流成正比的电阻元件。1.定义定义伏安伏安特性特性下 页上 页R河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院 ui 关系关系R 称为电阻，单位：称为电阻，单位：(欧欧)(Ohm，欧姆

11、，欧姆)满足欧姆定律满足欧姆定律(Ohms Law)GuRui iuR ui单位单位G 称为电导，单位：称为电导，单位：S(西西)(Siemens，西门子，西门子)u、i 取关联取关联参考方向参考方向伏安特性为一条伏安特性为一条过原点的直线过原点的直线Riu 下 页上 页ui+R河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院(2)如电阻上的电压与电流参考方向非关联如电阻上的电压与电流参考方向非关联 公式中应冠以负号公式中应冠以负号注注(3)线性电阻是无记忆、双向性的元件线性电阻是无记忆、双向性的元件欧姆定律欧姆定律 (1)只适用于线性电阻只适用于线性电阻(R 为常数）为常数）则欧姆定律写为：则欧姆定

12、律写为：u R i i G u公式和参考方向必须配套使用！公式和参考方向必须配套使用！下 页上 页ui+R+iRRiu 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院3.功率和能量功率和能量上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。上述结果说明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。功率功率下 页上 页ui+Rui+Ruip 吸吸Ri2 uip 吸吸iRi)(Ri2)(Guu Gu2 Gu2 可用功表示。从可用功表示。从 t0 到到 t 时刻电阻消耗的能量：时刻电阻消耗的能量：ttttRuid pdW00能量能量河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院Riu+4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路短路短

13、路00 ui Gor R 00 0 ui0 Gor Rui下 页上 页线性电阻元件的电流无论为何值时，线性电阻元件的电流无论为何值时，其两端电压均为零。其两端电压均为零。开（断）路开（断）路线性电阻元件的端电压无论为线性电阻元件的端电压无论为何值时，其电流均为零。何值时，其电流均为零。河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院 1.6 电源元件电源元件(Independent Source)元件两端电压总能保持定值或是一定的元件两端电压总能保持定值或是一定的时间函数，其电压值与流出的电流时间函数，其电压值与流出的电流 i 无无关，这样的元件叫做理想电压源。关，这样的元件叫做理想电压源。电路符号电

14、路符号1.理想电压源理想电压源定义定义下 页上 页iSu+SU河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院(1)电源两端电压由电源本身决定，与外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、大电路无关；与流经它的电流方向、大小无关。小无关。(2)通过电压源的电流由电源及外通过电压源的电流由电源及外 电路共同决定。电路共同决定。理想电压源的电压、电流关系理想电压源的电压、电流关系ui)(tuS伏安关系伏安关系例例外外电电路路RuiS)(Ri0)(0 Ri电压源不能短路！电压源不能短路！下 页上 页Ri+Su河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院电压源的功率电压源的功率电场力做功电场

15、力做功，电源吸收功率。电源吸收功率。（1）电压、电流的参考方向非关联电压、电流的参考方向非关联+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS 电流（正电荷电流（正电荷）由低电位向高电位移动，）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。外力克服电场力作功，电源发出功率。iuPS 发发发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联电压、电流的参考方向关联 iuPS 吸吸吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院例例 5R+_i+_Ru+_10V5V计算图示电路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解VuR5510 )

16、(ARuiR155 WRiPR5152 吸吸WiuPS10110V10 发发WiuPS515V5 吸吸满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院usuiO实际电压源实际电压源i+_u+_SuSR考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性iRuuSS 一个好的电压源要求一个好的电压源要求0SR下 页上 页 实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。短路，电流很大，可能烧毁电源。河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院输出电流总能保持定值或一定的时间函数，且电输出电流总能保持定值或一定的时间函数，

17、且电流大小与它的两端电压流大小与它的两端电压u 无关。无关。电路符号电路符号2.理想电流源理想电流源定义定义(1)电流源的输出电流由电源本身决定，与外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、大小无关电路无关；与它两端电压方向、大小无关(2)电流源两端的电压由电流源及外电路共同决定。电流源两端的电压由电流源及外电路共同决定。理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、电流关系ui)(tiS伏安伏安关系关系下 页上 页u+Si河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院例例外外电电路路)(00 Ru)(Ru电流源不能开路！电流源不能开路！实际电流源的产生实际电流源的产生 可由稳

18、流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载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被激发产生定值的电流等。无关；光电池在一定光线照射下被激发产生定值的电流等。SRiu 下 页上 页Ru+Si河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院电流源的功率电流源的功率（1）电压、电流的参考方向非关联电压、电流的参考方向非关联SuiP 发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联电压、电流的参考方向关联吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载SuiP 发发SuiP 吸吸下 页上 页u+_Siu+Si河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院例例计算图示电

19、路各元件的功率。计算图示电路各元件的功率。解解AiS2 Vu5 WuiPS10522A 发发WiuPS10)2(55V 发发满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）下 页上 页+_u+_2A5ViAiiS2 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院 实际电流源也不允许开路。因其内阻大，实际电流源也不允许开路。因其内阻大，若开路，电压很高，可能烧毁电源。若开路，电压很高，可能烧毁电源。uiO 实际电实际电流流源源考虑内阻考虑内阻伏安特性伏安特性SSRuii 一个好的电流源要求一个好的电流源要求 SR下 页上 页u+_SiSRiSiSSiR河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.7 受控电源受控

20、电源(非独立源非独立源)(Controlled Source or Dependent Source)电压源电压（或电流源电流）的大小和方电压源电压（或电流源电流）的大小和方向不是定值或给定的时间函数，而是受电向不是定值或给定的时间函数，而是受电路中某个支路的电压路中某个支路的电压(或电流或电流)控制，这类电控制，这类电源称之为受控源。源称之为受控源。电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.定义定义受控电流源受控电流源下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院(1)电流控制的电流源电流控制的电流源(CCCS):电流放大倍数电流放大倍数 根据控制量和被控制量是电压根据控制量和被控制量

21、是电压 u 或电流或电流 i，受控源可分，受控源可分四种类型：四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被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。控制量是电流时，用受控电流源表示。2.分类分类12 ii 输出：受控部分输出：受控部分输入：控制部分输入：控制部分下 页上 页+_u2i2_u1i1+1 i 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院g:转移电导转移电导(2)电压控制的电流源电压控制的电流源(VCCS)12gui (3)电压控制的电压源电压控制的电压源(VCVS)12 uu :电压放大倍数电压放大倍数 下 页上 页+_u2i2_u1i1+1

22、ug+_u2i2_u1i1+1u+_河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院(4)电流控制的电压源电流控制的电压源(CCVS)12riu r:转移电阻转移电阻 例例bicibcii 电电路路模模型型下 页上 页+_u2i2_u1i1+1i r+_+_u2ic_u1ib+bi 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较(1)独立源电压独立源电压(或电流或电流)由电源本身决定，与电路中其它电由电源本身决定，与电路中其它电压、电流无关，而受控源电压压、电流无关，而受控源电压(或电流或电流)由控制量决定。由控制量决定。(2)独立源在电路中起独立源在电路中起“激

23、励激励”作用，在电路中产生电压、作用，在电路中产生电压、电流，而受控源只是反映输出端与输入端的控制关系，电流，而受控源只是反映输出端与输入端的控制关系，在电路中不能作为在电路中不能作为“激励激励”。例例求：电压求：电压u2。解解Ai2361 Viu46106512 下 页上 页5i1+_u2_u1=6V i1+3+_河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 (Kirchhoffs Laws)基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律(KCL)和和基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)。它反映了电路元件连接。它反映了电路元件连接之后所有支

24、路电压和电流应遵循的基本规律，是分之后所有支路电压和电流应遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。析集总参数电路的基本定律。下 页上 页基尔霍夫定律与基尔霍夫定律与VCR 构成了电路分析的基础。构成了电路分析的基础。VCR KCL、KVL 元件特性元件特性 连接结构连接结构 支路电压和电流支路电压和电流 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院1.几个名词几个名词电路中通过同一电流的分支。电路中通过同一电流的分支。(b)三条或三条以上支路的连接点称为结点。三条或三条以上支路的连接点称为结点。b=3an=2b+_R1uS1+_uS2R2R3（1）支路）支路 (branch)电路中每一个二端

25、元件就叫一条支路电路中每一个二端元件就叫一条支路i3i2i1(2)结点结点(node)b=5下 页上 页两个结点之间至少有一个电路元件。两个结点之间至少有一个电路元件。河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。(l)两结点间的一条通路。由支路构成。两结点间的一条通路。由支路构成。对于平面电路，其内部不含任何支路的回路称为网孔。对于平面电路，其内部不含任何支路的回路称为网孔。l=3+_R1uS1+_uS2R2R3123(3)路径路径(path)(4)回路回路(loop)(5)网孔网孔(mesh)网孔是回路，但回路不一定是网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔

26、下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院2.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL)令流出为令流出为“+”，有：，有：例例 在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于零。入）该结点电流的代数和等于零。出出入入iior 流进的电流进的电流等于流流等于流出的电流出的电流1i5i4i3i2i054321 iiiii54321iiiii 下 页上 页 mkti10)(河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院0641 iii例例0542 iii0653 iii三式相加得：三式相加得：0321 iii表明表明KC

27、L可推广应用于电路中可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面包围多个结点的任一闭合面明确明确（1）KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任 意结点处的反映；意结点处的反映；（2）KCL是对支路电流施加的约束，与支路上接的是是对支路电流施加的约束，与支路上接的是 什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；（3）KCL方程是按电流参考方向列写，与电流实际方程是按电流参考方向列写，与电流实际 方向无关。方向无关。下 页上 页1 3 25i6i4i1i3i2i河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院（2）选定回路绕行方向

28、，顺时）选定回路绕行方向，顺时针或逆时针。针或逆时针。在在集总参数电路中，任一时刻，集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕沿任一闭合路径绕行，各元件电压的代数和等于零行，各元件电压的代数和等于零。升升降降uuor I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_（1）标定各元件电压参考方向）标定各元件电压参考方向 或：或：下 页上 页 mktu10)(U2U4U3U10443211 SSUUUUUU114432SSUUUUUU 4144332211SSUUIRIRIRIR 3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL)河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院例例KVL也适用于电路中任一

29、假想的回路也适用于电路中任一假想的回路aUsb_+U2U1SabUUUU 21明确明确（1）KVL的实质反映了电路遵的实质反映了电路遵 从能量守恒定律从能量守恒定律;（2）KVL是对回路电压施加的约束是对回路电压施加的约束，与回路各支路上接的是什么，与回路各支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是元件无关，与电路是线性还是非线性无关；非线性无关；（3）KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方程是按电压参考方向列写，与电压实际 方向无关。方向无关。下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院4.KCL、KVL小结小结(1)KCL是对支路电流的线性约束，是对支路电流的线性约束，KVL

30、是对是对回回路电压路电压的线性约束。的线性约束。(2)KCL、KVL与组成支路的元件性质及参数无关。与组成支路的元件性质及参数无关。(3)KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是是能能量守恒量守恒的具体体现的具体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。(4)KCL、KVL只适用于集总参数的电路。只适用于集总参数的电路。下 页上 页河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院思考思考UA=UB?I=？1.下 页上 页AB+_13V+_2.111112V河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院Ai5)2(3 下 页上 页1.A3A2?i 3 5 1 410V20V5VU

31、=?2.Vu1552010 543 i3 4V5Vi=?3.4Vu=?5V3 1A4.Vu12 0534 uAi3 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院下 页上 页-10V5.1AI=?10 10V2 10A4VU=?3A6.U=?10V5 5 5 I23I22I27.USR2R1I1 I1U=?8.0)10(10101 I解解AI21 AII31211 解解AI7310 024 IUVIU1041442 下 页上 页10V5.1AI=?10 10VI12 10A4VU=?3A6.I解解AI155102 2222553IIIU 下 页上 页U=?10V5 5 5 I23I22I2U=?10V5 5 5 I23I22I27.VI222 河北理工大学轻工学院河北理工大学轻工学院解解12 IRU 111 RUIIS )1(11 RUIS)1(12 RURUS)1(121 RUIUPSSS2122)1(RURPSR)1(12 RRUUS)1(2122 RRPPSR选择参数可以得到选择参数可以得到电压和功率放大。电压和功率放大。上 页USR2R1I1 I1U=?8.