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
+
–
+
–
+
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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注
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
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。
电路模型和电路定律
理想电源（Ideal independent source） 独立电压源 Ideal Voltage Source 独立电流源 Ideal Current Source
2020/5/12
4
3.由电路元件构成的实际电路-原理图
2020/5/12
5
4.由电路元件构成的实际电路-安装图
2020/5/12
解：设电流的编号及参考方向如图。
发出功率： p2 u2i2 4（W)
i2 4(A)
a i2 B b － u2 ＋
负号代表图中电流的实际方向由b向a
2020/5/12
17
练习∶功率的计算
一、计算下面支路的功率、并说明性质。
iA
A
－ uA ＋
iB B － uB ＋
uA= 1V, iA= -1A
uB= 1V, iB= 1A
如：已知图中电流为2A,方向由a指向b（实际方向），
电压 u1=1V。求元件A的功率及其性质。
解：设电流的编号及参考方向如
a i1
b
图
i1=2A
A
＋ u1 －
吸收功率： p u1i1 1 2 2(W )
2020/5/12
16
例2：已知图中电压 u2= -1V,元件B发出的功率 为4W。 求其电流。
3
1）基本表述方式: 对结点列写
结点① ：i1+i2+i3=0
i3 ① i2 2
④4
S
② i6 6
结点② ：i6 - i2 - i5=0 结点③ ：- i6 - i4+i7=0
1
5
i1 i5
i7
2）扩展表述方式：对闭合边界S列写
⑤
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4
3.由电路元件构成的实际电路-原理图
2020/5/12
5
4.由电路元件构成的实际电路-安装图
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解：设电流的编号及参考方向如图。
发出功率： p2 u2i2 4（W)
i2 4(A)
a i2 B b － u2 ＋
负号代表图中电流的实际方向由b向a
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练习∶功率的计算
一、计算下面支路的功率、并说明性质。
iA
A
－ uA ＋
iB B － uB ＋
uA= 1V, iA= -1A
uB= 1V, iB= 1A
如：已知图中电流为2A,方向由a指向b（实际方向），
电压 u1=1V。求元件A的功率及其性质。
解：设电流的编号及参考方向如
a i1
b
图
i1=2A
A
＋ u1 －
吸收功率： p u1i1 1 2 2(W )
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16
例2：已知图中电压 u2= -1V,元件B发出的功率 为4W。 求其电流。
3
1）基本表述方式: 对结点列写
结点① ：i1+i2+i3=0
i3 ① i2 2
④4
S
② i6 6
结点② ：i6 - i2 - i5=0 结点③ ：- i6 - i4+i7=0
1
5
i1 i5
i7
2）扩展表述方式：对闭合边界S列写
⑤
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)
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
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
电路模型及定律
适用范围
总结词
欧姆定律适用于金属导体和电解液导体的线性电路，不适用于有源元件和非线性元件组成的电路。
详细描述
欧姆定律适用于金属导体和电解液导体的线性电路，这些材料的电阻值不随电压或电流的变化而变化 。对于有源元件和非线性元件组成的电路，欧姆定律不适用，需要使用基尔霍夫定律等其他电路定律 进行分析。
等效电路的求解方法
开路电压法
根据开路电压的定义，通过测量或计算二端网络的开路电 压，可以得到等效电路的电动势E。
短路电流法
通过将二端网络的一个端点短路，测量或计算短路电流， 可以得到等效电路的电阻R。
独立电源置零法
将二端网络中的所有独立电源置零（短路或开路），然后 根据基尔霍夫定律计算等效电路的电阻R。
理想电感
在电路中，理想电感元件是纯电感电路元件，其电压和电流成90 度相位差，电流超前电压。
实际元件
1 2 3
实际电阻
实际电阻的阻值会随着温度、电压、电流的变化 而变化，其电压和电流成正比关系，电压和电流 方向相同。
实际电容
实际电容的容值会随着电压、频率、温度的变化 而变化，其电压和电流成90度相位差，电压超前 电流。
分析电子设备性能
通过应用诺顿定律，可以分析电子设备的性 能，例如电源、电阻器、电容器等。
等效电路的求解方法
要点一
替代法
将电路中的元件用等效元件替代，然后根据替代后的电路 计算电流和电压。
要点二
节点法
通过求解节点方程来求解等效电路中的电流和电压。
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二端口网络
二端口网络是一个具有两个输入端和 两个输出端的线性网络，其内部可以 包含电阻、电容、电感等元件。
模电第1章-电路模型和电路的基本定律
1.4 电路的基本元件及其特性
电路的基本元件是构成电路的基本元素。电路中 普遍存在着电能的消耗、磁场能[量]的储存和电场能 [量]的储存这三种基本的能［量］转换过程。表征这 三种物理性质的电路参数是电阻、电感和电容。 只含一个电路参数的元件分别称为理想电阻元 件、理想电感元件和理想电容元件，通常简称电 阻元件、电感元件和电容元件。 元件的基本物理性质是指当把它们接入电路时， 在元件内部将进行什么样的能量转换过程以及表现 在元件外部的特征。
1.4 电路的基本元件及其特性
1.4.1 电阻元件和欧姆定律 电阻：是电路中阻止电流流动、表示能量损耗大 小的参数。电阻有线性电阻和非线性电阻之分（这 里只讨论线性电阻）。 所谓线性电阻，是指电阻元件的阻值R是个常数， 加在该电阻元件两端的电压u和通过该元件中的电流 i之间成正比关系，即 u=Ri 非线性电阻的伏安特性:其曲线可以是通过坐标原点 或不通过坐标原点的曲线，也可以是不通过坐标原点 的直线。
P UI
或 p ui
（2）当电流、电压取非关联的参考方向时
P -UI 或 p -ui
如果P＞0（或p＞0）时，表示元件吸收功率，是负载 如果P＜0（或p＜0）时，表示元件发出功率，是电源
1.2.2 功率的计算 例: 如图所示各元件电流和电压的参考方向，已知 U1=3V，U2=5V，U3=U4=－2V，I1=－I2=－2A， I3=1A，I4=3A。试求各元件的功率，并指出是吸收 还是发出功率？是电源还是负载？整个电路的总功 率是否满足功率守恒定律？（a）（b）来自1.2.2 功率的计算
电功率: 该元件两端的电压与通过该元件电流的乘积
P UI
如果电压和电流都是时变量时，瞬时功率写成
p ui
邱关源《电路》第五版 第一章 电路模型和电路定律
i
u
0
i
§1-6 电压源和电流源
2. 电流源(Current Sources)
1）电流源的定义 元件的电流与电压无关，电流保持为某给定
的时间函数，这样一个二端元件称为电流源。
电流源是一个理想二端元件。
§1-6 电压源和电流源
is
+
电流源符号：
u
-
电流源的伏安特性曲线： u
u
is(t1) is=Is
4. 短路(Short Circuit)和开路(Open Circuit) isc i=0 i u
R
u=0 R=0
uoc R=
短路：R = 0 (G )
开路：G = 0 ( R )
u = 0,电流为任意值isc。 i = 0, 电压为任意值uoc。 u u
0
i
0
i
§1-6电压源和电流源
电压源和电流源是有源元件。 1. 电压源(Voltage Sources)
1) 电压源的定义
电压源是一个二端元件，元件的电压与通过 它的电流无关，电压保持为某给定的时间函数。
§1-6 电压源和电流源
电压源符号： I
+
i us
-
U
电压源的伏安特性曲线：
u
U
u
us(t1)
0
i
0
i
§1-6 电压源和电流源
gu1
2
+
u
-
§1-8 基尔霍夫定律
Introduction
20
40
40
120 V
I
160 V
5
§1-8 基尔霍夫定律 Gustav Robert Kirchhoff (1824－1887） He is famous among chemists, physicists , and engineers. Kirchhoff’s two laws is stated in 1847 when he studied in the University of Konigsberg .
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－
+
+ U3 － I2
3
U5 5 －
I3
求图示电路中各 方框所代表的元件吸 收或产生的功率。
已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A
18
解
+ U1 － + U6 －
1
6
P1 U1I1 1 2 2W（发 出）
实际方向 B
i>0
i<0
9
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。
iAB
A
B
10
2.电压的参考方向
电位
单位正电荷q 从电路中一点移至参考点（ ＝0）时电场力做功的大小。
电压U
单位正电荷q 从电路中一点移至另一点 时电场力做功（W）的大小。
+
P=ui 表示元件吸收的功率
u P>0 吸收正功率 (实际吸收)
i
- P<0 吸收负功率 (实际发出)
- u, i 取非关联参考方向
P = ui 表示元件发出的功率
u P>0 发出正功率 (实际发出)
i
+
P<0 发出负功率 (实际吸收)
17
例 + U1 － + U6 －
1
6
I1
－
+
+
2 U2
U4 4
第1章 电路模型和电路定律
重点 1、参考方向 2、几种元件的基本概念 3、功率平衡定律, 基尔霍夫定律
难点 1、熟练地解决含有受控源的简单电路计算
1
1.1 电路和电路模型
1.实际电路
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。
功能
a 能量的传输、分配与转换； b 信息的传递、控制与处理。
5
注意
①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；
②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。
例 电感线圈的电路模型
6
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。
－
说明
电压电流参考方向如图中所标， 问：对A、B两部分电路电压电 流参考方向关联否？ 答：A电压、电流参考方向非关联；
B电压、电流参考方向关联。
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，其表达式相差一负号，但电压、电流 的实际方向不变。
有某种确定的电磁性能的理想 元件。
4
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
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。
电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成
注意
电能的元件。
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。
I1 + 2 U2
－ U4 4
－+ + U3 － I2
3
注意
+
P2 U 2I1 (3) 2 6W（发出）
U5 5 P3 U 3I1 8 2 16W（吸收）
－ I3
P4 U 4I2 (4) 1 4W（发出）
P5 U 5I3 7 (1) 7W（发出）
P6 U I6 3 (3) (1) 3W（吸收）
对一完整的电路，满足：发出的功率＝吸收的功率
19
1.4 电路元件
1. 电路元件
是电路中最基本的组成单元。
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
A
问题 A
实际方向 实际方向
B
B
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。
8
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 参考方向
表明
A
B
电流(代数量)
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 B A
共性
建立在同一电路理论基础上。
2
电路的典型作用 供电电路
电话 1．提供能量
电路 /音
2．传送及处理信号
响放 大电
3．测量
万用表电路
4．存储信息
路
5. 控制
存储器电路
遥控器电路
3
10BASE-T wall plate
2. 电路模型
开关 灯泡
电 池
导线
电路图
Rs
RL
Us
电路模型 理想电路元件
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。
15
1.3
1.电功率
p dw dt
电功率和能量
单位时间内电场力所做的功。
u dw i dq
dq
dt
p dw dw dq ui dt dq dt
功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特) 能量的单位：J (焦) (Joule，焦耳)
16
2. 电路吸收或发出功率的判断
u, i 取关联参考方向
1.电流的参考方向
电流
带电粒子有规则的定向运动
电流强度
单位时间内通过导体横截面的电荷量
def
i(t) lim
Δqdq来自Δt0 Δt dt7单位 方向
A（安培）、 kA、mA、A
1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A
规定正电荷的运动方向为电流的实际方向
元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:
– 实际方向 +
U <0
12
电压参考方向的三种表示方式：
(1) 用箭头表示： U
(2)用正负极性表示
+U
(3)用双下标表示
A
UAB
B
13
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 关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。
i
i
+ u
--
+
u
关联参考方向
非关联参考方向
14
例
i
＋
AuB
U
def
dW
dq
实际电压方向
电位真正降低的方向。
单位 V (伏)、kV、mV、V
11
问题 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。
电压(降)的参考方向
参考方向
+
U
–
+ 实际方向 –
U >0
假设高电位指向低电 位的方向。
参考方向
+
U
–