第1章-电路元件和电路定律

重点：第1章电路的基本概念与定律1.电路模型2.电压、电流的参考方向3.电路元件特性4.基尔霍夫定律1.1实际电路与电路模型1.实际电路与功能功能a电能的传输、分配与转换；b信息的传递与处理。共性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的连接构成的电流的通路。电路对信号的处理功能整流放大滤波变换取样记忆1t2t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。2.电路模型(circuitmodel)sRLRsU10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡电路图理想电路元件有某种确定的电磁性能的理想元件电路模型几种基本的电路元件：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源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注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；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例3.集中参数电路由集中参数元件构成的电路集中参数元件假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行集中参数条件d注集中参数电路中电压U、电流I可以是时间的函数，但与空间坐标无关元件的各向几何尺寸远小于电路工作频率所对应的电磁波的波长1.2电路变量及其参考方向(referencedirection)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。1.电流的参考方向(currentreferencedirection)tqtqitddlim)t(0ΔdefΔΔ电流电流强度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方向规定正电荷的运动方向为电流的实际方向单位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(导线)中电流流动的实际方向只有两种可能:实际方向实际方向AABB问题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参考方向i参考方向大小方向(正负）电流(代数量)任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。ABi参考方向i参考方向i0i0实际方向实际方向电流的参考方向与实际方向的关系：AABB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。用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。iABiABAB电压UdqdWUdef单位：V(伏)、kV、mV、V2.电压的参考方向(voltagereferencedirection)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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实际电压方向电位真正降低的方向1kV=103V1mV=10-3V1V=10-6V获得1J的能量失去了1J能量aabb如果单位正电荷由a移动到b，获得1J的能量，则a、b间电压的大小为1V，且表现为电位升高+--+1baUV1abUV例已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J，(1)若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、Ubc;(2)若以c点为参考点，再求以上各值.解acbVqWaba2480bVqWqWbccbc3412VUbaab202VUcbbc)(330(1)以b点为电位参考点abc解VqWaca541280cVqWbcb3412VUbaab235VUcbbc303(2)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是唯一的；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。结论以c点为电位参考点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U0参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–0U假设的电压降低之方向电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUAB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。关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向i+-+-iUU注(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，但实际方向不变。ABABi例＋－U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）电功率twpdduitqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)单位时间内电场力所做的功。qwuddtqidd4.功率及其正负号的物理意义（2）电路吸收或发出功率的判断u,i取关联参考方向P=ui表示元件吸收的功率P0吸收正功率(实际吸收)P0吸收负功率(实际发出)p=ui表示元件发出的功率P0发出正功率(实际发出)P0发出负功率(实际吸收)u,i取非关联参考方向+-iu+-iu例求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解（发出）WIUP221111（发出）WIUP62)3(122（消耗）WIUP1628133（消耗）WIUP3)1()3(366（发出）WIUP7)1(7355（发出）WIUP41)4(244注对于一完整的电路，发出的功率＝消耗的功率1+－U356423I2I3I1+++++－－－－U6U5U4U2U1－1.3电阻元件(resistor)2.线性定常电阻元件电路符号R电阻元件对电流呈现阻力的元件。其伏安关系用u～i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。1.定义伏安特性u～i关系R称为电阻，单位：(欧)(Ohm，欧姆)满足欧姆定律(Ohm’sLaw)GuRuiiuRui单位G称为电导，单位：S(西门子)(Siemens，西门子)u、i取关联参考方向Rui+－伏安特性为一条过原点的直线Riu(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注(3)说明线性电阻是无记忆、双向性的元件欧姆定律(1)只适用于线性电阻(R为常数）则欧姆定律写为u–Rii–Gu公式和参考方向必须配套使用！Rui+-关于欧姆定律1825年5月，Ohm在几年研究的基础上，发表了一篇重要的电学论文《金属传导接触电所遵循的定律的暂时报告》(接触电指Volta电池产生的电)。论文中介绍了他用实验研究载流导线产生的电磁力与导线长度的关系。Ohm的实验装置如图所示。电池两端经导线A﹑B分别与盛水银的杯子M﹑N相联，M﹑N经导线C﹑V分别与盛水银的杯子O相联，构成回路。图中的T是装有磁针的扭秤，通过磁针转角的大小测出电流产生的电磁力。实验时，导线A﹑B﹑C不变，导线V则依次改换成各种不同长度和粗细的导线。Ohm使用的导线V共有七条，其中一条是4英寸长的粗导线，用它作为标准，接上它时，扭秤T测出的力叫做标准力。另6条是细导线，长度从1英尺到75英尺不等，接上这些细导线时，扭秤T测出的力叫做较小力。实验的目的不是测量电磁力，而是测量因导线V的增长引起的电磁力的损失，Ohm称之为“力耗”，定义为力耗=（标准力－较小力）/标准力0.41log(1)vxOhm由实验数据得出如下经验公式：式中v是力耗，x是导线的长度，单位是英尺。后来，Ohm进一步实验，得出的普遍关系式为式中a是与导线有关的量，m是与电源等很多因素都有关的量。上式就是Ohm最初由实验得出的规律，它与后来的Ohm定律还有相当的距离。log1xvma1826年4月，Ohm在题为《金属传导接触电所遵循的定律的测定，以及关于伏打装置和施威格倍增器的理论提纲》的重要论文中，详细的描绘了他的实验工作，并给出了他总结实验结果得出的电路定律。由于当时的Volta电池输出不稳定，电极又容易极化，很难做好实验。Ohm接受Poggendorff的建议，采用稳定的温差电偶作电源。如图所示，Ohm把铋和铜铆在一起制成温差电偶，一端插入沸水，另一端插入冰水混合物，以保持100℃的温度差。将待测导线与温差电偶的两端m﹑m(均放在水银杯中)相联后，便构成闭合回路，有电流通过。根据Volta的中间金属定理，插入的待测导线不会改变铋-铜的接触电势差。Ohm准备的待测导线是8根均为直径7/96英寸，长度分别为2，4，6，10，18，34，66，130英寸的镀铜铁线。把这些导线依次接入电路之中，测量相应的电磁力(即扭秤上磁针的偏转角度)，整理实验数据，Ohm得出电流产生的电磁力与被测导线的长度有如下定量关系：aXbx式中a﹑b是两个参量，其值可由X与x的数据得出。1826年4月，Ohm又发表了题为《由伽伐尼电力产生的验电器现象的理论尝试》的论文。在这篇论文中，Ohm把电路定律改写为式中X是通过长度为l的导线的电流强度，S是导线的横截面积，k是电导率(Ohm称之为电导能力)，a是导线两端的电压(Ohm称之为电张力之差)。显然，此式就是电路中一段导体的Ohm定律。aXkSl1827年，Ohm出版了《用数学研究的伽伐尼电路》一书。在这本书里，Ohm假定了电路的三条基本原理，由此建立起电路的运动学方程，求解运动学方程，得出了他一年前通过实验发现的定律。Ohm定律的现代表述是：通过一段导体的电流强度I和该导体两端的电压U成正比，即U=RIRiu+–3.电阻的开路与短路短路00uiGorR0开路00ui0GorRui4.电阻元件的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。p–ui–(–Ri)ii2R–u(–u/R)u2/Rpuii2Ru2/R功率：Rui+-Rui+-可用功表示。从t到t0电阻消耗的能量：00()dξ()()dξttRttWptutit能量：电阻元件吸收的功率与通过元件的电流的平方或元件端电压的平方成正比，即恒有P(t)0，因此电阻元件是一种无源元件.并且说明1.4电压源和电流源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i无关的元件叫理想电压源。电路符号1.理想电压源定义iSu+_(1)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。(2)通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。理想电压源的电压、电流关系ui)(tuS伏安关系例Ri-+SuRuiS)(Ri0)(0Ri电压源不能短路！电压源的功率电场力做功，电源吸收功率。（1）电压、电流的参考方向非关联；物理意义：+_iu+_Su+_iu+_SuiuPS电流（正电荷）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。iuPS发出功率，起电源作用（2）电压、电流的参考方向关联；物理意义：iuPS吸收功率，充当负载iuPS－或：发出负功例5R+_i+_Ru+_10V5V计算图示电路各元件的功率。解VuR5510)(ARuiR155WRiPR5152WiuPSV1011010WiuPSV5155)(发出发出吸收满足：P（发）＝P（吸）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。usuiO实际电压源i+_u+_SuSR考虑内阻伏安特性iRuuSS一个好的电压源要求0SR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u无关的元件叫理