第01章 电路模型和电路定律

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电路分析基础第一章 电路模型和电路定律

电路分析基础第一章  电路模型和电路定律

+

+

+
实际方向
实际方向
+
U >0
U<0
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电压参考方向的两种表示方式
(1) 用正负极性表示
+
(2) 用双下标表示
U
A
UAB
B
UAB =UA- UB= -UBA
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3. 关联参考方向 元件或支路的u,i 采用相同的参考方向称之为关联 采用相同的参考方向称之为 参考方向,即电流从电压的“+”极流入,从“-” 极流出该元件。反之,称为非关联参考方向。 极流出该元件
P6吸 = U 6 I 3 = (−3) × (−1) = 3W
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对一完整的电路,发出的功率=吸收的功率
3. 电能(W ,w)
在电压、电流一致参考方向下,在t0到t的时间内 该部分电路吸收的能量为
w(t0 , t ) = ∫ p (τ ) dτ = ∫ u (τ )i (τ ) dτ
t0 t0
电源 Sourse
灯 Lamp
RS US 电路模型
R
Circuit Models 干电池 Battery
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电路理论中研究的是 理想电路元件构成的电路(模型)。
电路模型,不仅能够反映实际电路及 其器件的基本物理规律,而且能够对 其进行数学描述。这就是电路理论把 电路模型作为分析研究对象的实质所 在。
干电池 Battery 电路理论中,“电路”与“网络”这两个术语可通用。“网络” 的含义较为广泛,可引申至非电情况。
例:手电筒电路
开关 灯泡
10BASE-T wall plate

电路分析基础第01章 电路模型和电路定律

电路分析基础第01章 电路模型和电路定律
在电压和电流的关联参考方向下,
i 元件
+
u
_
电功率可写成
p(t) = u(t) i(t)
当p>0时,元件吸收电能; p<0时,元件实际上是释放电能。
18
在 U、 I 参考方向选择一致的前提下,
若 P = UI 0
a I a R 或 U
I
R
U
b
“吸收功率”
b
I a
若 P = UI 0
+
-
U b
大小 的变化, Uab的变化可能是 _______ 方向 的变化。 或者是 _______
R2
-15V
R2
-
15V
16
b 10V a
6Ω + 3V -
c
b为参考点:
4V

Va= -10V Vb=0V Vc=Vb-Ubc
d
a为参考点:
Va=0
Vb=10V
Vc=Vb-Ubc =10-3=7V
=0-3= -3V
Vd=Vc-Ucd
Ubc=Vb-Vc
Vd=3V
= -7V 电位是相对量
17
§1.3 电功率和能量
_
考虑内阻
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。
35
+
u
u
+
us
i
R 0
S
_
O 一个好的电压源要求
小知识
电池容量:电池的容量单位mAh,其含义是“毫安时”,
1毫安时的概念就是以1毫安的电流放电能持续1个小时
例如:某充电电池标有600mAh 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,

1 第1章 电路模型和电路定律

1 第1章 电路模型和电路定律

电感元件 只具有储 只具有储 存磁能的 存磁能的 电特性
电容元件 只具有储 只具有储 存电能的 存电能的 电特性
理想电压源 输出电压恒 定,输出电 流由它和负 载共同决定
理想电流源 输出电流恒 定,两端电 压由它和负 载共同决定
实际电路与电路模型
S 电 源 负 载 R0 I
+
RL U
电源
+ _US
电路模型(circuit model)
电路模型:由理想电路元件和理想导线互相连接而成。 电路模型:由理想电路元件和理想导线互相连接而成。
实际电路器件品种多,电磁特性多元而复杂, 实际电路器件品种多,电磁特性多元而复杂, 直接画在电路图中困难而繁琐,且不易定量描述。 直接画在电路图中困难而繁琐,且不易定量描述。
p发 = ui

U = 5V, I = - 1A 5V,
u

P发= UI = 5×(-1) = -5 W 5× p发<0,说明元件实际吸收功率5W <0,说明元件实际吸收功率5W
能量的计算
dw t) ( 两边从根据功率的定义 p(t) = ,两边从-∞到t dt
积分,并考虑w(-∞) = 0,得 积分, 0,
电 电
负 载



电路模型:由理想元件及其组合代表实际电路器件, 电路模型:由理想元件及其组合代表实际电路器件,与 实际电路具有基本相同的电磁性质,称其为电路模型。 实际电路具有基本相同的电磁性质,称其为电路模型。 通常用电路图来表示电路模型
利用电路模型研究问题的特点 1.主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路, 1.主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路, 主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路 其中电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算; 其中电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算; 2.研究与实际电路相对应的电路模型, 2.研究与实际电路相对应的电路模型,实质上就是 研究与实际电路相对应的电路模型 探讨各种实际电路共同遵循的基本规律。 探讨各种实际电路共同遵循的基本规律。 集总参数电路元件的特征 元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行 其次要因素可以忽略的理想电路元件; 其次要因素可以忽略的理想电路元件;任何时刻从元 件两端流入和流出的电流恒等且由元件端电压值确定。 件两端流入和流出的电流恒等且由元件端电压值确定。

第1章 电路模型和电路定律

第1章 电路模型和电路定律

(2) 若以c点为参考点,再求以上各值
c
Wab 8 U ab 2V q 4 Wbc 12 U bc 3V q 4

(1)
以b点为电位参考点 0 b
U ab a b
Ubc b c
a U ab b 2 0 2 V
c b Ubc 0 3 3 V
第一章 电路模型和电路定律
3. 电阻的开路与短路
i 当开路(断路)时,不论一个线 性电阻元件的端电压为何值,流 过它的电流恒为零值。则: i 0 u0 R=∞ 或 G=0 当短路时,不论流过一个线性 电阻元件的电流为何值,它的 i 短路 u 开路
O
u
端电压恒为零值。则:
i0
u0
R= 0 或 G= ∞
A
UAB
B
3. 关联参考方向
元件或支路的 u , i通常采用相同的参考方向称 之为关联参考方向。反之,称为非关联参考方向。 i i u 关联参考方向
+

+
– u 非关联参考方向
小结:
(1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。 (2) 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。
(3)参考方向不同时,其表达式符号也不同,但实际
方向不变。 i + u u = Ri – +
i u –
u = –Ri
1.3 电功率和能量
一、 电功率:单位时间内电场力所做的功。
dw p dt
dw u dq
dw dw dq p ui dt dq dt
dq i dt
功率的单位:W (瓦) 能量的单位: J (焦)

第1章-电路模型和电路定律

第1章-电路模型和电路定律
u为有限值时,i=0。 * 理想导线的电阻值为零。
1.6 电容元件 (capacitor)
1、电容器
++ ++ ++ ++ +q –--– –--– –q
线性定常电容元件:任何时刻,电容元件极板上的电 荷q与电压 u 成正比。
2、电路符号
C
3. 元件特性 i
与电容有关两个变量: C, q 对于线性电容,有: q =Cu
1.7 电感元件
1 、线性定常电感元件
iL
变量: 电流 i , 磁链
+
u

def ψ L
i
L 称为自感系数 L 的单位:亨(利) 符号:H (Henry)
2 、韦安( ~i )特性
0
i
3 、 电压、电流关系:
i
+–
ue –+
i , 右螺旋 e , 右螺旋 u , e 非关联 u , i 关联
交流: iS是确定的时间函数,如 iS=Imsint
(b) 电源两端电压是任意的,由外电路决定。
(3). 伏安特性
i
+
iS
u
_
u
IS
O
i
(a) 若iS= IS ,即直流电源,则其伏安特性为平行于电 压轴的直线,反映电流与 端电压无关。
(b) 若iS为变化的电源,则某一时刻的伏安关系也是 这样 电流为零的电流源,伏安曲线与 u 轴重合, 相当于开路元件
+ u
+ C
C
def
q
u
C 称为电容器的电容


电容 C 的单位:F (法) (Farad,法拉)

第一章电路模型和电路定律

第一章电路模型和电路定律

低频信号发生器
实际电路元件
电感 电阻 电容 互感
1、元件通过其端子与外部连接。 元件通过其端子与外部连接。 元件的特性通过与端子有关的电路物理量来描述; 2、元件的特性通过与端子有关的电路物理量来描述;这些物理量之间的代数关系称为 元件的端子特性(也称元件特性); );采用电流和电压来描述元件特性时也称为元件 元件的端子特性(也称元件特性);采用电流和电压来描述元件特性时也称为元件 的伏安特性。(如线性电阻的欧姆定律) 。(如线性电阻的欧姆定律 的伏安特性。(如线性电阻的欧姆定律) 线性元件:即表征元件特性的代数关系是一个线性关系;否则称为非线性元件。 3、线性元件:即表征元件特性的代数关系是一个线性关系;否则称为非线性元件。 集总(参数)元件:是指有关电、磁场物理现象都有由元件来“集总”表征; 4、集总(参数)元件:是指有关电、磁场物理现象都有由元件来“集总”表征;即元 件外部不存在任何电场与磁场。(严格来说,不可能) 。(严格来说 件外部不存在任何电场与磁场。(严格来说,不可能) 电路常用物理量及符号:电流I 电压U 电荷Q 电功率P 电能W 磁通Φ 5、电路常用物理量及符号:电流I、电压U、电荷Q、电功率P、电能W、磁通Φ、磁通 一般小写字母表示随时间变化的量,大写表示恒定量。 链Ψ。一般小写字母表示随时间变化的量,大写表示恒定量。
i
参考方向 实际方向 B
i>0
i<0
电流和电压的参考方向
参考方向 U 实际方向 参考方向 U 实际方向
+

+

+


+
U>0
U<0
电流和电压的关联参考方向
i
+ u

第1章电路模型和电路定律

第1章电路模型和电路定律
(b) pV 12 2 24W (发出) pR 22 2 8W pU UI 8 2 16W(发出) pU pV pR (发出)
(c) pV 12 2 24W (发出) pR 22 2 8W pU UI (8) 2 16W(发出) pU pV pR (发出)
(d) pV 12 2 24W (吸收) pR 22 2 8W pU UI (16) 2 32W(吸收) pU pV pR (吸收)
2 、电路中任意两点间的电压等于该两点间的电位之差。
3、根据能量守恒:Uab= eba。电压表示电位降,电 动势表示电位升,即从A到B的电压,数值上等 于从B到A的电动势。
(2) 电压参考方向
+ 实际方向
实际方向 +
参考方向
+
U

+ 实际方向
U> 0
参考方向
+
U

实际方向 +
U<0
电压参考方向的三种表示方式:
1、 电功率和能量 (1)功率概念:单位时间内电场力所做的功。
任何电气设备都有其额定功率,超过额定功率, 设备要损坏。 (2)功率的推导
p dw , u dw , i dq p dw dw dq ui
dt
dq
dt
dt dq dt
功率的单位:W (瓦) (Watt,瓦特)
(3)能量
q(t )
U
AB
WAB q
单位:V (伏) (Volt,伏特)
电动势:外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, e 的单位 与电压相同,也是 V (伏)。
根据能量守恒:UAB = eBA。电压表示电位降, 电动势表示电位升,即从A到B的电压,数值上等于 从B到A的电动势。

1-电路模型和电路定律

1-电路模型和电路定律

W PT 40 5 30 6000W h 6kW h 6度
三. 电功率的计算 在关联参考方向下,p(t) = u(t)i(t); 在非关联参考方向下,p(t) = -u(t)i(t)。 1.计算功率p(t)时,一定要根据u(t)与i(t)是否为关联 参考方向而选用相应的计算式; 2.不论用哪个计算式,计算的p(t)都是吸收功率; 3.如计算出的p(t)>0,二端元件的确吸收功率,相当 于负载;如计算出的p(t)<0,则二端元件吸收负功 率,即二端元件发出(产生)功率,相当于电源。 4. 对于同一二端元件,当 u(t) 、 i(t) 一定时,不论选 取关联参考方向还是非关联参考方向,计算出的 p(t)应该相同。
§ 1.4 电阻元件
一. 电阻元件:是从实际电阻器抽象出来的模型,只 反映电阻器对电流呈现阻力的性能。 时变 线性电阻 时不变 1. 电阻元件分类 非线性电阻时变 时不变
线性时 不变电阻
线性时 变电阻
非线性时 不变电阻
非线性 时变电阻
2.线性电阻(线性时不变电阻):元件上电压正比 于电流,该元件称为线性电阻。欧姆定律只适用于线 性电阻。 ① u(t ) Ri (t ) 只适用于线性电阻( R 为常数); ②如电阻上的电压与电流参考方向非关联, 欧姆定律 公式中应冠以负号;公式和参考方向必须 配套使用。u(t ) Ri (t ) 。 ③说明线性电阻是无记忆、双向性的元件。 电导:反映材料的导电能力。电阻、电导是从相反的 两个方面来表征同一材料特性。 u( t ) 1 i (t ) Gu (t ) G ,G称为电导。 R R 电阻R单位:欧(姆) ,符号: 电导G单位:西(门子) ,符号: S
注意
如果一个元件吸收功率100W,也可认为它发出–100W 。
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P(吸收)= P(发出)
23
某一电路元件为电源或负载的判别
i 10Ω
i
10Ω
4V 8V
8V
24


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 向一致,此部分电路消耗电功率,为负载。 当计算的 P < 0 时, 则说明 U、I 的实际方
27
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 的总功率)。
28
习题1-3答案
答案分析:
元件A:∵u、i参考方向非关联; ∴PA=ui=(-5)×60=-300W<0,发出。 元件B、C、D、E: ∵ u、i参考方向关联; ∴PB=ui=1×60=60W >0,吸收; PC=ui=2×60=120W >0,吸收; PD=ui=2×40=80W >0,吸收; PE=ui=2×20=40W >0,吸收。 ∵ P总发出=300W ;P总吸收=60+120+80+40=300W ∴电路所得的解答满足功率平衡。
一、欧姆定律
流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。
电阻两端的电压和电流之间的关系可写成:
u=±i· R
关联参考方向下
非关联参考方向下
u=i· R
i R _ i
u= - i· R
R _
34
+
u
+
u
二、电导
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。
此时一般电路尺寸均与 可比,所以电路视为分布参数电路。
31
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、时变元件 时不变元件
线性时不变集总参数元件
32
常用的各种二端电阻器件
晶体二极管
33
电阻器
§1.5 电阻元件
2
电容器
电池
晶体管 运算放大器 电阻器
线圈
3
二、电路的作用
1、电能的传输和转换
发 电 机
升压 变压器
输电线
降压 变压器
电灯
电动机 电炉...
2、传递和处理信号
话筒 扬声器 放 大 器
3、测量、控制、计算等功能
4
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。
(a): 5电阻的功率为 : P 2 5 2 20W, 吸收; 2A电流源的功率为 : P 2 5 10W, 吸收; 15V电压源的功率为 : P 2 15 30W, 发出。
(b) :5电阻的功率为 : P 3 15 45W,吸收; 2A电流源的功率为 : P 2 15 30W, 发出; 15V电压源的功率为 : P 1 15 15W, 发出。
30
2、集总电路 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 =3×105 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 波长 = 3×105 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 = 0.0210–6 s 波长 = 3×108 0.0210–6 = 6 m
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
10
11
12
§1.2 电流和电压的参考方向
一、问题的引入
考虑电路中每个电阻的电流方向
5Ω 6Ω 3Ω
10V
9V
二、电流
1、实际方向: 正电荷运动的方向。
13
2、参考方向: 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;
三、电阻元件的伏安特性
以电压和电流为坐标,画出电压和电流的关系曲线。
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
录像:03
p=ui=i2R=Gu2
35
五、 电阻的开路与短路
短路 i R 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;
+
u –
i0
u0
i0
第一章 电路模型和电路定律
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 §1.7 §1.8 电路和电路模型 电流和电压的参考方向 电功率和能量 电路元件 电阻元件 电压源和电流源 受控电源 基尔霍夫定律
1
§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。
_
+
u
17
提示
(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),然后再列方程计算。缺少“参考方 向”的物理量是无意义的。
18
五、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。其它各点相对参考点 的电压,便是该点的电位。 记为:“VX”(注意:电位为单下标)。 比参考点电位高为正,否则为负。 a 1 b 5A
i=0 + i 外 电 路
uSu us-Fra bibliotek+
+ -
+
uS u u s
有载
空载
4、特殊情况 uS = 0 电压为零的电压源相当于短路,电压源不允许 短路!
39
电池容量的含义
600mAh
表示如果通过电池的电流是600mA,电池能工作1小时;
当然如果通过电池的电流是100mA,电池可以工作6小时。
常用的干电池和可充电电池
40
实验室使用的直流稳压电源
示波器
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。41
二、电流源
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
is (t )
is
O
t
42
若电流的参考方向与它的实际方向相反,则 电流为负值。
3、电流参考方向的表示方法
箭头(常用)
双下标
a
i
b
iab
14
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,当电压的参考方向和它的实际方向相 反时,电压为负值。
u0
R 0 or G
R or G 0
否则称为时变电阻。
36
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。
b
原则:Is不能变,E 不能变。
电压源中的电流 I= IS 恒流源两端的电压
U ab IR E
46
讨论题
I +
10V -
2A
I ?
哪 2 个 答 案 对
10 I 5A 2 10 I 27A 2 10 4 I 3A 2
?
? ?
47
课堂练习:习题1-4,1-5a,b
15
3、电压参考方向的表示方法:
a 正负号(常用)
箭 头 a
+ u b
u b _
双下标
(高电位在前, Uab 低电位在后)
Uab= Ua-Ub
16
四、关联参考方向
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。
i 元件 i 元件 _
+
u
向相反,此部分电路发出电功率,为电源。
所以,从P 的 + 或 - 可以区分器件的性质, 或是电源,或是负载。
25
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?
电压源 理想 元件 电阻 R 电感 L 电容 C
7
电流源
图1-1 手电筒电路
8
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
9
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。
恒流源特性小结
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