电路模型和电路定律PPT讲稿.ppt

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1、电路模型和电路定律电路模型和电路定律第1页，共69页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 电路模型和电路定律电路模型和电路定律电路和电路模型电路和电路模型1.1电阻元件电阻元件1.5电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向1.2电压源和电流源电压源和电流源1.6电功率和能量电功率和能量1.3受控电源受控电源1.7电路元件电路元件1.4基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.8首首 页页本章重点本章重点第2页，共69页，编辑于2022年，星期一1.1.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l 重点重点：2.2.电阻元件和电源元件的特性电阻元件和电源元件的特性返 回第3页

2、，共69页，编辑于2022年，星期一1.1 1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.1.实际电路实际电路功能功能a a 能量的传输、分配与转换；能量的传输、分配与转换；b b 信息的传递、控制与处理。信息的传递、控制与处理。建立在同一电路理论基础上。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。的连接构成的电流的通路。下 页上 页共性共性返 回第4页，共69页，编辑于2022年，星期一 反映实际电路部件的主要电磁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。性质的理想电路元件及其组合。2.2.电路模型电路模型导线导线电电池池

3、开关开关灯泡灯泡电路图电路图l理想电路元件理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想有某种确定的电磁性能的理想元件。元件。l电路模型电路模型下 页上 页返 回第5页，共69页，编辑于2022年，星期一5种基本的理想电路元件：种基本的理想电路元件：电阻元件：电阻元件：表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件：电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源：电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。电能的元件。5种基本理想电路元件有三

4、个特征：种基本理想电路元件有三个特征：（a a）只有两个端子；只有两个端子；（b b）可以用电压或电流按数学方式描述；可以用电压或电流按数学方式描述；（c c）不能被分解为其他元件。不能被分解为其他元件。下 页上 页注意返 回第6页，共69页，编辑于2022年，星期一具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，具有相同的主要电磁性能的实际电路部件，在一在一定条件下可用同一电路模型表示；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。模型可以有不同的形式。下 页上 页例例电感线圈的电路模型电感线圈的电路模型注意返

5、回第7页，共69页，编辑于2022年，星期一1.2 1.2 电流和电压的参考方向电流和电压的参考方向 电电路路中中的的主主要要物物理理量量有有电电压压、电电流流、电电荷荷、磁磁链链、能能量量、电电功功率率等等。在在线线性性电电路路分分析析中中人人们们主主要要关关心心的的物物理理量量是是电电流流、电压和功率。电压和功率。1.1.电流的参考方向电流的参考方向l电流电流l电流强度电流强度带电粒子有规则的定向运动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单位时间内通过导体横截面的电荷量下 页上 页返 回第8页，共69页，编辑于2022年，星期一l方向方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际

6、方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向l单位单位1kA=103A1mA=10-3A1 A=10-6AA（安培）、（安培）、kA、mA、A元件元件(导线导线)中电流流动的实际方向只有两种可能中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AB实际方向实际方向AB 对于复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实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断。际方向往往很难事先判断。下 页上 页问题返 回第9页，共69页，编辑于2022年，星期一l参考方向参考方向 大小大小方向方向(正负）正负）电流电流(代数量代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即任意假定一个正电荷运动

7、的方向即为电流的参考方向。为电流的参考方向。i 0i 0参考方向参考方向U+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)P0 发出正功率发出正功率 (实际发出实际发出)P0 发出负功率发出负功率 (实际吸收实际吸收)l u,i 取非关联参考方向取非关联参考方向下 页上 页+-iu+-iu返 回第20页，共69页，编辑于2022年，星期一例例 求图示电路中各方求图示电路中各方框所代表的元件吸收或框所代表的元件吸收或产生的功率。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 5

8、64123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1返 回第21页，共69页，编辑于2022年，星期一解解对一完整的电路，满足：对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率发出的功率吸收的功率下 页上 页564123I2I3I1+U6U5U4U3U2U1注意返 回第22页，共69页，编辑于2022年，星期一下 页上 页1.4 1.4 电路元件电路元件是电路中最基本的组成单元。是电路中最基本的组成单元。1.1.电路元件电路元件返 回5种基本的理想电路元件：种基本的理想电路元件：电阻元件：电阻元件：表示消耗电能的元件表示消耗电能的元件电感元件：电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件表示产生磁场，储存

9、磁场能量的元件电容元件：电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件表示产生电场，储存电场能量的元件电压源和电流源：电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。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，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。该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。第23页，共69页，编辑于2022年，星期一2.2.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假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。件内部进行。下 页

10、上 页 集总参数电路中集总参数电路中u、i 可以是时间的函数，但可以是时间的函数，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。间的电压为单值量。注意返 回第24页，共69页，编辑于2022年，星期一下 页上 页例例iiz集总参集总参数电路数电路+-两线传输线的等效电路两线传输线的等效电路当两线传输线的长度当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足：与电磁波的波长满足：返 回第25页，共69页，编辑于2022年，星期一下 页上 页iiz+-分布参

11、分布参数电路数电路当两线传输线的长度当两线传输线的长度 l 与电磁波的波长满足：与电磁波的波长满足：返 回第26页，共69页，编辑于2022年，星期一1.5 1.5 电阻元件电阻元件2.2.线性时不变电阻元件线性时不变电阻元件l 电路符号电路符号R电阻元件电阻元件对电流呈现阻力的元件。其特性可用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：平面上的一条曲线来描述：iu任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。1.1.定义定义伏安伏安特性特性下 页上 页0返 回第27页，共69页，编辑于2022年，星期一l ui 关系关系R 称为电阻，单位：称为电

12、阻，单位：(Ohm)满足欧姆定律满足欧姆定律l 单位单位G 称为电导，单位称为电导，单位：S(Siemens)u、i 取关联取关联参考方向参考方向下 页上 页伏安特伏安特性为一性为一条过原条过原点的直点的直线线ui0Rui+返 回第28页，共69页，编辑于2022年，星期一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；说明线性电阻是无记忆、双向性的元说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。件。欧姆定律欧姆定律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律写为u R i i G u公式和参考方向必须配套

13、使用！公式和参考方向必须配套使用！下 页上 页注意Rui-+返 回第29页，共69页，编辑于2022年，星期一3.3.功率和能量功率和能量电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。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/Rp u i i2R u2/Rl 功率功率Rui+-下 页上 页表明Rui-+返 回第30页，共69页，编辑于2022年，星期一ui从从 t0 到到 t 电阻消耗的能量：电阻消耗的能量：4.4.电阻的开路与短路电阻的开路与短路l 能量能量l 短路短路l 开路开路ui下 页上 页Riu+u+i00返 回第31页，共69页，编辑于2022年，星期一下 页

14、上 页实际电阻器实际电阻器返 回第32页，共69页，编辑于2022年，星期一 1.6 1.6 电压源和电流源电压源和电流源l电路符号电路符号1.1.理想电压源理想电压源l定义定义i+_下 页上 页其两端电压总能保持定值或一定的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。无关的元件叫理想电压源。返 回第33页，共69页，编辑于2022年，星期一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。方向、大小无关。通过电压源的电流由电源及外电路共通过电压

15、源的电流由电源及外电路共同决定。同决定。l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直流电压源直流电压源的伏安关系的伏安关系下 页上 页例例Ri-+外电路外电路电压源不能短路！电压源不能短路！0返 回第34页，共69页，编辑于2022年，星期一l电压源的功率电压源的功率电压、电流参考方向非关联；电压、电流参考方向非关联；+_iu+_ 电流（正电荷电流（正电荷 ）由低电位向高电）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。位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用物理意义：物理意义：下 页上 页+_iu+_电压、电流参考方向关联；

16、电压、电流参考方向关联；物理意义：物理意义：电场力做功，电源吸收功率电场力做功，电源吸收功率吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载返 回第35页，共69页，编辑于2022年，星期一例例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发出发出吸收吸收吸收吸收满足满足：P（发发）P（吸吸）下 页上 页i+_+_10V5V-+返 回第36页，共69页，编辑于2022年，星期一其输出电流总能保持定值或一定的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。无关的元件叫理想电流源。l 电路符号电路符号2.2.理想电流源理想电流源l 定义定

17、义u+_下 页上 页l 理想电流源的电压、电流关系理想电流源的电压、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。它两端电压方向、大小无关。返 回第37页，共69页，编辑于2022年，星期一电流源两端的电压由电源及外电路共同电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。决定。ui直流电流源的直流电流源的伏安关系伏安关系下 页上 页0例例Ru-+外电路外电路电流源不能开路！电流源不能开路！返 回第38页，共69页，编辑于2022年，星期一 可可由由稳稳流流电电子子设设备备产产生生，如如晶晶体体管管的的集集电电极极电电流

18、流与与负负载载无无关关；光光电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。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 页上 页实际电流源的产生：实际电流源的产生：l 电流源的功率电流源的功率u+_电压、电流的参考方向非关联；电压、电流的参考方向非关联；发出功率，起电源作用发出功率，起电源作用电压、电流的参考方向关联；电压、电流的参考方向关联；u+_吸收功率，充当负载吸收功率，充当负载返 回第39页，共69页，编辑于2022年，星期一例例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发出发出发出发出满足满足：P（发）（发）P（吸）（吸）下 页上 页u2Ai+_5V-+返

19、回第40页，共69页，编辑于2022年，星期一实际电源实际电源干电池钮扣电池1.1.干电池和钮扣电池（化学电源）干电池和钮扣电池（化学电源）干电池电动势干电池电动势1.5V，仅取决于（糊状）化学材料，其大小决定储存的能量，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。化学反应不可逆。钮扣电池电动势钮扣电池电动势1.35V V，用固体化学材料，化学反应不可逆。，用固体化学材料，化学反应不可逆。下 页上 页返 回第41页，共69页，编辑于2022年，星期一 氢氧燃料电池示意图2.2.燃料电池（化学电源）燃料电池（化学电源）电池电动势电池电动势1.23V。以氢、氧作为燃料。约。以氢

20、、氧作为燃料。约40-45%的化学能转变为的化学能转变为电能。实验阶段加燃料可继续工作。电能。实验阶段加燃料可继续工作。下 页上 页返 回第42页，共69页，编辑于2022年，星期一3.3.太阳能电池（光能电源）太阳能电池（光能电源）一块太阳能电池电动势一块太阳能电池电动势0.6V。太阳光照射到。太阳光照射到P-N结上，形成一结上，形成一个从个从N区流向区流向P区的电流。约区的电流。约 11%的光能转变为电能，故常用太阳的光能转变为电能，故常用太阳能电池板。能电池板。一个一个50cm2太阳能电池的电动势太阳能电池的电动势0.6V,电流电流0.1A 太阳能电池示意图太阳能电池板太阳能电池板下 页

21、上 页返 回第43页，共69页，编辑于2022年，星期一蓄电池示意图4.4.蓄电池（化学电源）蓄电池（化学电源）电池电动势电池电动势2V。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一。使用时，电池放电，当电解液浓度小于一定值时，电动势低于定值时，电动势低于2V，常要充电，化学反应可逆。，常要充电，化学反应可逆。下 页上 页返 回第44页，共69页，编辑于2022年，星期一直流稳压源直流稳压源变频器变频器频率计频率计函数发生器函数发生器下 页上 页返 回第45页，共69页，编辑于2022年，星期一发电机组发电机组下 页上 页返 回第46页，共69页，编辑于2022年，星期一草原上的风力发电草原上的风力发

22、电下 页上 页返 回第47页，共69页，编辑于2022年，星期一1.7 1.7 受控电源受控电源(非独立源非独立源)l 电路符号电路符号+受控电压源受控电压源1.1.定义定义受控电流源受控电流源 电压或电流的大小和方向不是给定的时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间函数，而是受电路中某个地方的电压(或电流或电流)控制控制的电源，称受控源。的电源，称受控源。下 页上 页返 回第48页，共69页，编辑于2022年，星期一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是电压u 或电流或电流i，

23、受控源，受控源可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压可分四种类型：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。源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。2.2.分类分类四端元件四端元件输出：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 i1+_u2i2_u1i1+返 回第49页，共69页，编辑于2022年，星期一g:转移电导转移电导 电压控制的电流源电压控制的电流源 (VCCS)电压控制的电压源电压控制的电压源 (VCVS):电压放大倍数电压放大倍数 gu1+_u2i2_u1i1+下 页上 页i1u1+_u2i2_u1+_返 回第50

24、页，共69页，编辑于2022年，星期一电流控制的电压源电流控制的电压源 (CCVS)r:转移电阻转移电阻 例例电路模型电路模型ibicib下 页上 页ri1+_u2i2_u1i1+_返 回第51页，共69页，编辑于2022年，星期一3.3.受控源与独立源的比较受控源与独立源的比较独独立立源源电电压压(或或电电流流)由由电电源源本本身身决决定定，与与电电路路中中其其它它电电压压、电电流流无无关关，而而受受控控源源电电压压(或或电电流流)由由控控制制量量决决定。定。独独立立源源在在电电路路中中起起“激激励励”作作用用，在在电电路路中中产产生生电电压压、电电流流，而而受受控控源源是是反反映映电电路路

25、中中某某处处的的电电压压或或电电流流对对另另一一处处的的电电压压或或电电流流的的控控制制关关系系，在在电电路路中中不不能作为能作为“激励激励”。下 页上 页返 回第52页，共69页，编辑于2022年，星期一例例求：电压求：电压u2解解5i1+_u2_i1+-3u1=6V下 页上 页返 回第53页，共69页，编辑于2022年，星期一1.8 1.8 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基基尔尔霍霍夫夫定定律律包包括括基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律 （KCL）和和基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律(KVL)。它它反反映映了了电电路路中中所所有有支支路路电电压压和和电电流流所所遵遵循循的的基基本本规规律律，是是

26、分分析析集集总总参参数数电电路路的的基基本本定定律律。基基尔尔霍霍夫夫定定律律与与元元件件特特性性构成了电路分析的基础。构成了电路分析的基础。下 页上 页返 回第54页，共69页，编辑于2022年，星期一1.1.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。元件的连接点称为结点。元件的连接点称为结点。b=3an=4b+_R1uS1+_uS2R2R3支路支路电路中每一个两端元件就叫一条支路。电路中每一个两端元件就叫一条支路。i3i2i1结点结点b=5下 页上 页或三条以上支路的连接点称为结点。或三条以上支路的连接点称为结点。n=2注意 两种定义两种定义分别用在不同的场分别用

27、在不同的场合。合。返 回第55页，共69页，编辑于2022年，星期一由支路组成的闭合路径。由支路组成的闭合路径。两结点间的一条通路。由支路构成两结点间的一条通路。由支路构成对平面电路，其内部不含任何支对平面电路，其内部不含任何支路的回路称网孔。路的回路称网孔。l=3123路径路径回路回路网孔网孔网孔是回路，但回路不一定是网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。下 页上 页+_R1uS1+_uS2R2R3注意返 回第56页，共69页，编辑于2022年，星期一2.2.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 在在集集总总参参数数电电路路中中，任任意意时时刻刻

28、，对对任任意意结结点点流流出出（或或流流入入）该该结点电流的代数和等于零。结点电流的代数和等于零。流进流进的电的电流等流等于流于流出的出的电流电流下 页上 页返 回第57页，共69页，编辑于2022年，星期一例例三式相加得：三式相加得：KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。一闭合面。下 页上 页1 3 2表明返 回第58页，共69页，编辑于2022年，星期一KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意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；结点处的反映；KCL是对结点处支路电流加的约束，与支路上是对结点处支路电流加的约束，与支路上接的是

29、什么元件无关，与电路是线性还是非线接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；性无关；KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。际方向无关。下 页上 页明确返 回第59页，共69页，编辑于2022年，星期一3 3.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律 (KVL)U3U1U2U4下 页上 页标标定定各各元元件件电电压压参参考考方向方向 选选定定回回路路绕绕行行方方向向，顺时针或逆时针顺时针或逆时针.I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支路电压的代在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有

30、支路电压的代数和恒等于零。数和恒等于零。返 回第60页，共69页，编辑于2022年，星期一U1US1+U2+U3+U4+US4=0U2+U3+U4+US4=U1+US1 或：或：R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4下 页上 页U3U1U2U4I1+US1R1I4_+US4R4I3R3R2I2_KVL也适用于电路中任一假想的回路。也适用于电路中任一假想的回路。注意返 回第61页，共69页，编辑于2022年，星期一例例KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律的实质反映了电路遵从能量守恒定律;KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路各支路上是对回路中的支路电压加的约束，与回路各支路上接

31、的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。无关。下 页上 页明确aUsb_-+U2U1返 回第62页，共69页，编辑于2022年，星期一4.4.KCL、KVL小结小结：KCL是是对对支支路路电电流流的的线线性性约约束束，KVL是是对对回回路路电电压压的线性约束。的线性约束。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。KCL表表明明在在每每一一节节点点上上电电荷荷是是守守恒恒的的；KVL是是能能量量守恒的具体体现守恒的具

32、体体现(电压与路径无关电压与路径无关)。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 页返 回第63页，共69页，编辑于2022年，星期一i1=i2?UA=UB?下 页上 页思考I=01.？AB+_13V+_2V2.i111111i2返 回第64页，共69页，编辑于2022年，星期一下 页上 页例例1求电流求电流 i解解例例2解解求电压求电压 u返 回第65页，共69页，编辑于2022年，星期一下 页上 页+-4V5Vi=?3+-4V5V1A+-u=?3例例3求电流求电流 i例例4求电压求电压 u解解解解要求能熟练求解含源支路能熟练求解含源支路的电压和电流。的电压和电流。返 回第66页，共69页，编辑于2022年，星期一解解I1下 页上 页-10V10V+-1AI=?10例例5求电流求电流 I例例6求电压求电压 U解解4V+-10AU=?2+-3AI返 回第67页，共69页，编辑于2022年，星期一解解下 页上 页10V+-3I2U=?I=055-+2I2 I25+-例例7求开路电压求开路电压 U返 回第68页，共69页，编辑于2022年，星期一解解选择参数可以得到电压选择参数可以得到电压和功率放大。和功率放大。+-I1U=?R2 I1R1US上 页例例8求输出电压求输出电压 U返 回第69页，共69页，编辑于2022年，星期一