1第一章电压电流约束关系
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第1章 电压电流约束关系
电 路 模 型
电路元件模型： 电路元件模型：实际元件理想化
–在一定条件下得出； 在一定条件下得出； –表征了实际元件的主要特性和物理现象 –是一种近似关系。 是一种近似关系。
电路模型：理想化的电路元件所构成 电路模型：
–电路理论：以电路模型为基础（Ｒ、Ｌ、Ｃ等） 电路理论：以电路模型为基础（Ｒ、Ｌ、Ｃ等 （Ｒ、Ｌ、Ｃ
§1-1
电路及集总电路模型
时变 非时变
电路的种类
线性电路 集总参数电路 电路 分布参数电路 非线性电路
集总参数电路：电路的几何尺寸远小于最高工作频率的波长。 集总参数电路：电路的几何尺寸远小于最高工作频率的波长。
光 (v) 速 波 (λ) = 长 频 (f ) 率
如：市电网的频率为50Ｈz，则 市电网的频率为50 50Ｈ 3×108 波 (λ) = 长 = 6×106 m= 6000 里 公
电压及其参考方向
电压（ 电压（降）：电路中a、b两点间的电压是单位正电荷由a点转移 电路中a 两点间的电压是单位正电荷由a 点所失去的能量。 到b点所失去的能量。 R dw A B uAB = _ + u dq 如：
A
i R
i =5A
A
i R
i = −5A
A
+ UR −
A
− UR +
U =5V
U = −5V
I0 5Ω Ω
＋ U －
10I2 I2 10Ω Ω I1 10I1
6A 3Ω Ω 10A 1A 2Ω Ω Ω 4A 4Ω
I1
I2
电路的图
电路的图：在电路中以线段代替支路，以点代替节点，由线 电路的图：在电路中以线段代替支路，以点代替节点， 段和点组成的几何结构图形就称为电路的图。 段和点组成的几何结构图形就称为电路的图。 定向图：图中每条支路规定一个方向，所得的图称为定向图。 定向图：图中每条支路规定一个方向，所得的图称为定向图。 + Us − 2 3 ③ ④ ③ 4 ② 4 3 ④ ③ 5
电路分析基础第一章(李瀚荪)ppt课件
10V
5
-
U=?
5
+
-
+ 4V + 3A
2
U =? I
-
-
2I2
5. I1
I =?
+
10 1A
Байду номын сангаас
解 10I1 10 (10) 0 I1 2A
+
10V
-
-10V
I I1 1 2 1 3A
-
解 I 10 3 7 A 6.
4 U 2I 0
10A
U 2 I 4 14 4 10V
1.1 电路和电路模型（model)
1. 集总电路
由电阻、电容、电感等集总参 数元件组成的电路
实际元件与集总元件关系
1 0 B A S E - T w a ll p la te
2. 电路模型 (circuit model)
开关 灯泡
电 池
导线
电路图
Rs
RL
Us
电路模型
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。
(4) KCL、KVL只适用于集总参数的电路。
编辑版pppt
35
思考：
？
I =0
1.
2.
+ 3 _
B
1 1
1 1
+1
i1
_2 1
? UA =UB
A
3.
+ _3
i1
1
1
1
1
B +1
i2
_2 1
? i1=i2
i1=800mA
A
i2 =1A
1。 3A
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
例
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
电
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。
电路分析基础第一章
恒定电压：大小和极性不随时间改变； 交变电压：大小和极性随时间作周期性改变。
三、关联参考方向
关联参考方向：电流参考方向与电压参考极性一致。 关联参考方向： 规定：电流由高电位流向低电位。
关联参考方向
非关联参考方向
四、功率
设在 dt 时间内由a点转移到b点的正电荷为 dq，且由a到b 为电压降u，则 dq 失去能量，也就是这段电路吸收能量。
这段电路吸收的能量： dw = udq
dw dq =u 功率为吸收能量的速率： p(t ) = dt dt
关联参考方向：
dq i (t ) = dt
p (t ) = u (t )i (t )
非关联参考方向： p (t ) = −u (t )i (t ) p(t) > 0 吸收（消耗）功率；p(t) < 0 提供（产生）功率
k =1 K
式中，ik (t ) 为流出(或流进)节点的第k条支路的电流， K 为节点处支路数。 KCL是电荷守恒法则运用于集总电路的结果。
KCL也可以表述为： 对于任一集总电路中的任一节点，在任一时刻， 流出节点的电流的总和等于流入这个节点的电流 流出 等于流入 的总和。
KCL也适用于电路中任一 假设的闭合面。流出（或 流入）封闭面电流的代数 和为零。 i1 + i2 + i3 = 0
例 ：图中电流均为2A，均由a流向b，已知u1=1V， u2=－1V，求两元件功率p(t)。若b图中元件提供功 率为4W，求电流。
(1) u=1V, i=2A p(t)=ui=1×2=2W>0 吸收功率
(2) u=-1V, i=2A p(t)=-ui=-(-1)×2=2W>0 吸收功率
(3) p(t)=-ui =-(-1)i=-4W i=-4A
《电路分析基础》第一章：集总电路中电压(流)的约束关系
信息学院电子系
10
(3). 功率
中¾ 定义：电路中能量转换的速率 p(t) = dw = u(t)i(t) (关联参考方向) 国dt SI单位：瓦[特](W)
能量传 输方向
海 p(t)>0，吸收功率，功率的实际方向与参考方向一致 洋 p(t)<0，产生功率，功率的实际方向与参考方向相反
大 ¾ 在 t0 到 t 的时刻内所吸收的能量为：
¾ 分类
大 线性电阻与非线性电阻 学 时变电阻与非时变电阻
特性曲线
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21
(1). 线性电阻元件
¾两端的电压与电流服从欧姆定律
中 形式一： u(t)=Ri(t)
（关联参考方向）
• R 称为电阻，其 SI单位为欧[姆](Ω)
国• 对于非关联参考方向， u(t)=－Ri(t)
• 欧姆定律体现电阻对电流呈现阻力的本质
¾ 受控源的功率根据受控支路计算 p(t)= u2(t) i2(t)
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29
例 求受控源的功率
中a
I2
国 I3
海洋大学 思路： P=ui；分析电路构成；依据为KCL、KVL和VCR
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30
If
If
+
中ω
_ RIf
国海洋大学 CCVS 直流发电机
μ = 1+ R2 R1
VCVS 由运放构成比例器
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4
1.2 电路变量 电流、电压及功率
中电路的特性是由电流、电压和功率等物理量来描述的
(1). 电流
国 ¾ 电量: 带电粒子所带电荷的多少(符号:q或Q，单位:库[仑]( C ))
海 ¾ 电流: 带电粒子定向移动形成电流
电路分析第1章 集总参数电路中电压电流的约束的关系-PPT精品文档
如果求出 i > 0 ，则 真实方向与参考方向一致 如果求出 i < 0 ，则 真实方向与参考方向相反
<1> 在电路分析中，电路中标出的电流方向都是参 考方向。如果没有方向，自己要设一个参考方向，在 图上标出，按所标参考方向进行计算。不设参考方向， 算出的结果没有意义。 <2>算得结果的正负配合参考方向就可确定真实方 向，但不要把参考方向改为真实方向。
2、作业要书写整洁，图要标绘清楚，答数要注明单位。
第一章 集总参数电路中电压、电流的约束关系
1.1 1.2 1.3 1.4
1.5 1.6 1.7 1.8
1.9 1.10
电路及集总电路模型 电路变量，电流，电压及功率 基尔霍夫定律 电阻元件 电压源 电流源 受控源 分压公式和分流公式
两类约束，KCL、KVL方程的独立性 支路分析
–+ B
否则计算结果没有意义.
电压、电流实际方向与参考方向相同为正值，相反为负值
例如：E=3V，若假定电路中U的参考方向为上“+”下“–” 则U=3V或UAB=3V
高电位端。
电压和电流的参考方向
电压、电流的参考方向：任意假定。
电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除 用极性“+”、“–”外，还用双下标或箭头表示。
当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值
为正，反之则为负值。
R1
R2
U1
IU R3
例如： （1）图中 若I=3A，则表明电流的 实 际方向与参考方向相
= c = 3×108m/s =6×106m=6000km
f
50Hz
对于以此为工作频率的实验室电气电子设备而言，其尺寸远 小于这一波长，可以按集总电路处理。
<1> 在电路分析中，电路中标出的电流方向都是参 考方向。如果没有方向，自己要设一个参考方向，在 图上标出，按所标参考方向进行计算。不设参考方向， 算出的结果没有意义。 <2>算得结果的正负配合参考方向就可确定真实方 向，但不要把参考方向改为真实方向。
2、作业要书写整洁，图要标绘清楚，答数要注明单位。
第一章 集总参数电路中电压、电流的约束关系
1.1 1.2 1.3 1.4
1.5 1.6 1.7 1.8
1.9 1.10
电路及集总电路模型 电路变量，电流，电压及功率 基尔霍夫定律 电阻元件 电压源 电流源 受控源 分压公式和分流公式
两类约束，KCL、KVL方程的独立性 支路分析
–+ B
否则计算结果没有意义.
电压、电流实际方向与参考方向相同为正值，相反为负值
例如：E=3V，若假定电路中U的参考方向为上“+”下“–” 则U=3V或UAB=3V
高电位端。
电压和电流的参考方向
电压、电流的参考方向：任意假定。
电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除 用极性“+”、“–”外，还用双下标或箭头表示。
当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值
为正，反之则为负值。
R1
R2
U1
IU R3
例如： （1）图中 若I=3A，则表明电流的 实 际方向与参考方向相
= c = 3×108m/s =6×106m=6000km
f
50Hz
对于以此为工作频率的实验室电气电子设备而言，其尺寸远 小于这一波长，可以按集总电路处理。
第1章集总参数电路中电压、电流的约束关系
3. 参考方向
任意选定某一方向作为参考方向，或称为 正方向。电流的参考方向是假定的电流方向。 表示法： （1）箭标法：→ （2）双下标法： iab 4. 例
i i = 1A i
则电流的实 际方向为： 从左到右
则电流的实 际方向为： 从右到左
i = 1A
i = 2A 则电流的实 际方向为： 无法确定
i = 0
图l－10
思考与练习
求图示电路中的电流i.
i 1A 2A 0 i 3A
三、基尔霍夫电压定律
1、能量守恒法则： 在任意单位时间内，电路中产生和消耗的能量必须相等， 或所有元件能量的代数和为零。 因此可以得到电路的功率守恒法则：在任意时刻，电路 中产生的功率和消耗的功率相等，或所有元件功率的代数和
解：各二端元件吸收的功率为
P1 U 1 I 1 (1V ) (1A ) 1W
P2 U 2 I 2 ( 6V ) ( 3A ) 18 W
P4 U 4 I 4 ( 5V ) ( 1A ) 5W ( 发出5W)
P5 U 5 I 5 ( 10 V ) ( 3A ) 30 W ( 发出30W)
网孔与平面电路的画法有关，例如将图示电路中的支
路1和支路2交换位置，则三个网孔变为 {1,2}、{1,3,4}和{4,5,6}。
注：平面电路是指能够画在一个平面上而没有支路交叉的电路。
二、基尔霍夫电流定律（
Kirchhoff’s Current Law, KCL）
1、电荷守恒：电荷既不能创造，也不能消灭， 是自然界的基本法则。
② P “+‖或 “-‖表示了能量的流向。
P “+‖表示P＞0 吸收（消耗）能量 P ―-‖表示P＜0 产生（提供）能量
第一章(集总参数电路中u-i的约束关系)
求任一集总电路中ab两点间电压值Uab的方法： 从a点出发沿任一路径到达b点，沿途各支路电压降的 代数和。默认a点为参考“+”，b点为参考“--”。
8、推广结论的应用
求任一集总电路中ab两点间电压值Uab的方法： 从a点出发沿任一路径到达b点，沿途电压降的代数和。 默认a点为参考“+”，b点为参考“--”。 a
知识回顾：
1、基尔霍夫定律：
KCL
研究对象：节点电流 内 容： 推广结论：任一理想封闭面
KVL 研究对象：回路电压 内 容： 推广结论：任一闭合路径
2、集总参数电路模型常用元件 电阻元件：无源元件 u 电导：Ｇ 单位西门子Ｓ
Ri
1
u Ri
i
G
电 压 源：有源元件
1
R
u
G
性
质：
§1-5 电压源(元件)（voltage source）
集总电路中主要的能量来源 ：电压源、电流源、受控源 1、本质：从实际电源抽象出来的一种模型 2、性质： （1）端电压为恒定值Us或一定的时间函数us(t)，与i无关 （2）电压值由自身性质决定，流经的电流由外电路决定 （3）有源元件 （4）与电压源并联的元件，端电压即为电压源的电压值 3、特性曲线（恒定电压源）
4、课程梗概（方法） 上册： 第一篇 电阻电路分析： 只含电阻元件和电源元件 第二篇 动态电路分析： 除电阻和电源外，还有动态元件。 下册：动态电路的相量分析和S域分析法（略）
第一篇 总论和电阻电路的分析
基本思想： 学习运用一定的分析方法，求解电阻电路中的任一变量
主要内容： 一个方向：关联、非关联参考方向 二类约束：基尔霍夫定律和元件的VCR 三种基本方法：网孔法、节点法、叠加法 四个元件：电阻、电压源、电流源、受控源
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三、基尔霍夫电压定律 (KVL)
在集总参数电路中，任一时刻，沿任一回路，所有支 路电压降的代数和恒等于零。
m
ub(t ) 0
b 1
或 u降＝ u升
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①标定各元件电压参考 方向。（任意）
+ US1_
② 选定回路绕行方向，顺时
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3. 实际电压方向 电位真正降低的方向。
例
a
b
已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电 场力作功8J，由b点移动到c点电场力
作功为12J，
① 若以b点为参考点，求a、b、c点的电
位和电压uab、u bc;
c ② 若以c点为参考点，再求以上各值。
解 (1) b 0
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–(-2)–10+(-3)+4+U4+(-5)= 0
U4=12
U ab U 3 U 4 U S4 4 12 (5) 11
U ab -U 2 U s1 U 1 (3) 10 (2) 11
明确
① KVL的实质反映了电路遵从能量守恒。
带电粒子有规则的定向移动
2.电流强度 单位时间内通过导体横截面的电荷量
def
i(t) lim Δt 0
Δq Δt
ddtq（ （CS） ）（A）
单位
A（安[培]） kA、mA、A
1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A
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3.实际方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向
B
大小
电流的参考方向与实际方向的关系：
方向(正负）
i 参考方向
i 参考方向
A
实际方向
BA
实际方向
B
i>0
i<0
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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。
i 参考方向
A
B
• 用双下标表示：如iAB , 电流的参考方向由A指向B。
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问题
在复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往
不易判别，给实际电路问题的分析、计算带来困难。
4.电压(降)的参考方向
假设高电位指向低电位的方向。
参考方向
参考方向
+
u
–+
u
–
+
实际方向
–
–
实际方向
+
u >0
u <0
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阜阳师范大学 电压参考方向的三种表示方式：
线性
负电阻
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三、线性时不变电阻元件
1.电路符号
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R
2. u-i 关系
u
O
任何时刻端电压与电 流成正比的电阻元件
i
伏安特性 曲线为一 条过原点 的直线
阜阳师范大学 在关联参考方向下
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iR
+
u
－
u Ri
R ui
i u R Gu
W ac q
8 12 V 4
5V
b
W bc q
12 V 4
3V
uab a b (5 3)V 2 V
c
ubc b c (3 0)V 3 V
结论
电路中电位参考点可任意选择；参考点一经选定，电路 中各点的电位值就唯一确定；当选择不同的电位参考点时， 电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。
能量
从 t0 到 t 电阻吸收的能量：
W R
③ KCL表明在每一节点上电荷是守恒的；KVL是能量守恒 的具体体现(电压与路径无关)。
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1.3 电阻元件
一、定义
对电流呈现阻力的元件。
其特性可用u - i平面上的一条曲线来描述u：
f(u ,i ) 0
伏安 特性
二、类型
i
O
非时变
非线性
正电阻
时变
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三、功率
1. 定义
单位时间内电 场力所作的功
p
dw dt
2. 计算
i
dq dt
u
dw dq
p
dw dt
dw dq
dq dt
ui
功率的单位：W (瓦[特])
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3. 电路吸收或发出功率的判断
u, i 取关联参考方向
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明确
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1.KCL是电荷守恒定律在电路中任意节点处的反应。
2.KCL是对节点处支路电流加的约束，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。
3.KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方 向无关(两套符号)。
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uS2
_
_
元件两端的电压。
1
R1
3 R2
2 R3
5.路径
两节点间的一条通路。由支路构成。
6.回路
由支路组成的闭合路径。 l=3
7.网孔
对平面电路，其内部不含任何支路的回路
a.网孔是回路，但回路不一定是网孔。
注意 b.理想导线可以看成一个节点（电位）处理。
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1.支路
i1
+
+
uS1 _
uS2_
R1
R2
电路中每一个两端元件就称为一条支路
。
b=5
简化：电路中通过同一电流的支路为一
a
i3 条支路。
b=3
2.支路电流
i2
R3
3.节点
b 两条及两条以上支路的连接点
称为节点。n=4 简化后n=2
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4.支路电压
+
+
uS1
③ 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。
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6.电压分类
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• 恒定电压：大小和方向均不随时间变化，简称 直流电压
• 时变电压：大小或方向随时间变化。 若大小和方向随时间变化做周期变化则称为 交流电压。
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+
p=ui
u p>0 正功率 (实际吸收)
i
-
p<0 负功率 (实际发出)
-
u, i 取非关联参考方向
p = -ui
u
p>0 正功率 (实际吸收)
i
+
p<0 负功率 (实际发出)
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例 求图示电路中各方框所代表的元件吸收或发出的
功率。
+
I1 +
2 U2
电场力作功的大小,失去能量或获得能量。电位的高 低反映的是能量级别的高低。
2.电压 单位正电荷q 从电路中一点移至另一点时电场力作
功（W）的大小，失去能量或获得能量。
u
def
ddqw（（JC））（V）
单位
V (伏[特]) kV、mV、V
1kV=103V
1mV=10-3V
1 V=10-6V
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R 称为电阻，单位： (欧[姆]) G 称为电导，单位：S (西[门子])
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注意
欧姆定律
① 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，公 式中应冠以负号。
③ 说明线性正电阻是无记忆、双向性、无源 的元件。
iR
-பைடு நூலகம்
u
+
则欧姆定律写为 u –R i i –G u
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CH1 电压电流的约束关系
1.1 电流 电压 功率 1.5 电流源
1.2 基尔霍夫定律 1.6 受控源
1.3 电阻元件
1.7 分压 分流公式
1.4 电压源
1.8 两类约束
1.9 2b法和1b法
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一、电流
1.1 电流 电压 功率
1.电流
iAB
A
B
电流参考方向的选取是任意的！
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5.电流分类
• 恒定电流：大小和方向均不随时间变化，简称直流 • 时变电流：大小或方向随时间变化。
若大小和方向随时间变化做周期变化则称 为交流。
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二、电压
1.电位 单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（＝0）时
U1 － + 1