1、第一章第一章 電路模型和電路定律電路模型和電路定律 電路和電路模型電路和電路模型 1-1電阻元件電阻元件1-5 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向 1-2電壓源和電流源電壓源和電流源1-6 電功率和能量電功率和能量 1-3受控電源受控電源1-7 電路元件電路元件 1-4基爾霍夫定律基爾霍夫定律1-8 首首 頁頁 本章重點本章重點 1. 1. 電壓、電流的參考方向電壓、電流的參考方向 3. 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 l 重點：重點： 2. 2. 電阻元件和電源元件的特性電阻元件和電源元件的特性 返 回 1-1 1-1 電路和電路模型電路和電路模型 1.1.實際電路實際電路 功能功能(

2、a) 能量的傳輸、分配與轉換；能量的傳輸、分配與轉換； (b) 信息的傳遞、控制與處理。信息的傳遞、控制與處理。 建立在同一電路理論基礎上。建立在同一電路理論基礎上。 由電工設備和電氣器件按預期由電工設備和電氣器件按預期 目的連接構成的電流的通路。目的連接構成的電流的通路。 下 頁上 頁 共性共性 返 回 L R s U 反映實際電路部件的主要電磁反映實際電路部件的主要電磁 性質的理想電路元件及其組合。性質的理想電路元件及其組合。 2. 2. 電路模型電路模型 s R 10 BA SE -T w all pl ate 導線導線 電池電池 開關開關 白熾燈白熾燈 電路圖電路圖 l理想電路元件理想

3、電路元件 有某種確定的電磁性能的理想有某種確定的電磁性能的理想 元件。元件。 l電路模型電路模型 下 頁上 頁返 回 5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件： 電阻元件：表示消耗電能的元件。電阻元件：表示消耗電能的元件。 電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件。電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件。 電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件。電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件。 電壓源和電流源：表示將其他形式的能量轉變成電壓源和電流源：表示將其他形式的能量轉變成 電能的元件。電能的元件。 5種基本理想電路元件有三個特征：種基本理想電路元件有三個特征： （ （a a）只

4、有兩個端子； 只有兩個端子； （ （b b）可以用電壓或電流按數學方式描述； 可以用電壓或電流按數學方式描述； （c c）不能被分解為其他元件。 不能被分解為其他元件。 下 頁上 頁 注意 返 回 具有相同的主要電磁性能的實際電路部件，在一具有相同的主要電磁性能的實際電路部件，在一 定條件下可用同一電路模型表示。定條件下可用同一電路模型表示。 同一實際電路部件在不同的應用條件下，其電路同一實際電路部件在不同的應用條件下，其電路 模型可以有不同的形式。模型可以有不同的形式。 下 頁上 頁 例例電感線圈的電路模型電感線圈的電路模型 注意 返 回 1-2 1-2 電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考

5、方向 電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁 鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要 關心的物理量是電流、電壓和功率。關心的物理量是電流、電壓和功率。 1.1.電流的參考方向電流的參考方向 t q t q ti t d d lim)( 0 def l電流電流 l電流強度電流強度 帶電粒子有規則的定向運動帶電粒子有規則的定向運動 單位時間內通過導體橫截面的電荷單位時間內通過導體橫截面的電荷 下 頁上 頁返 回 l方向方向 規定正電荷的規定正電荷的 運動方向為電流的實際運動方向為電流的實際 方向方向 l單位

6、單位 1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A A（安（安培培）、）、 kA、mA、A 元件元件( (導線導線) )中電流流動的實際方向只有兩種可能中電流流動的實際方向只有兩種可能: : 實際方向實際方向 A B 實際方向實際方向 A B 對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化 時，電流的實際方向往往很難事先判斷。時，電流的實際方向往往很難事先判斷。 下 頁上 頁 問題 返 回 l參考方向參考方向 大小大小 方向方向( (正負）正負） 電流電流( (代數量代數量) ) 任意假定一個正電荷運動的方任意假定一個正電荷運動的方 向即為電流的參考方向。

7、向即為電流的參考方向。 i 0i 0 參考方向參考方向 u + 參考方向參考方向 u + 0 吸收正功率吸收正功率 ( (實際吸收實際吸收) ) p0 發出正功率發出正功率 ( (實際發出實際發出) ) p0 發出負功率發出負功率 ( (實際吸收實際吸收) ) l u, i 取非取非關聯參考方向關聯參考方向 下 頁上 頁 + + - -i u + + - - i u 返 回 例例3-1 求圖示電路中各求圖示電路中各 方框所代表的元件吸方框所代表的元件吸 收或發出的功率。收或發出的功率。 下 頁上 頁 已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -

8、3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 。 5 6 4 1 2 3 I2 I3 I1 + + + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1 返 回 解解 ）（發出發出W2W21 111 IUP 22 1 ( 3) 2W6WPU I （吸吸收收） ）（吸吸收收W16W28 133 IUP ）（吸收吸收W3W) 1()3( 366 IUP 55 3 7 ( 1)W7WPU I （吸吸收收） 44 2 ( 4) 1W4WPU I （吸吸收收） 對一完整的電路，滿足：發出的功率吸收的功率對一完整的電路，滿足：發出的功率吸收的功率 下 頁上 頁 注意 返 回 5 6 4 1 2 3 I2

9、 I3 I1 + + + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1 下 頁上 頁 1-4 1-4 電路元件電路元件 是電路中最基本的組成單元。是電路中最基本的組成單元。 1. 1. 電路元件電路元件 返 回 5種基本的理想電路元件：種基本的理想電路元件： 電阻元件：表示消耗電能的元件。電阻元件：表示消耗電能的元件。 電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件。電感元件：表示產生磁場，儲存磁場能量的元件。 電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件。電容元件：表示產生電場，儲存電場能量的元件。 電壓源和電流源：表示將其他形式的能量轉變成電壓源和電流源：表示將其他形式的能量轉變成 電能的元件

10、。電能的元件。 注意 如果表征元件端子特性的數學關系式是線如果表征元件端子特性的數學關系式是線 性關系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性性關系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性 元件。元件。 2.2.集總參數電路集總參數電路 由集總元件構成的電路由集總元件構成的電路 集總元件集總元件假定發生的電磁過程都集中在元假定發生的電磁過程都集中在元 件內部進行。件內部進行。 集總條件集總條件 d 下 頁上 頁 集總參數電路中集總參數電路中u、i 可以是時間的函可以是時間的函 數，但與空間坐標無關。因此，任何時刻，流數，但與空間坐標無關。因此，任何時刻，流 入兩端元件一個端子的電流等于從另一端子流入兩

11、端元件一個端子的電流等于從另一端子流 出的電流；端子間的電壓為確定值。出的電流；端子間的電壓為確定值。 注意 返 回 下 頁上 頁 例例 i i z 集總參集總參 數電路數電路 兩線傳輸線的等效電路。兩線傳輸線的等效電路。 當兩線傳輸線的長度當兩線傳輸線的長度 l 與電磁波的波長滿足：與電磁波的波長滿足： l 返 回 )(tu + + - - )(ti L C R 下 頁上 頁 i i z 分布參分布參 數電路數電路 當兩線傳輸線的長度當兩線傳輸線的長度 l 與電磁波的波長滿足：與電磁波的波長滿足： l 返 回 等效電路為等效電路為： ),(tzu + + + - - ),(tzi ) tz,

12、u(z - - ),(tzzi zL 0 zC 0 zR 0 zR 0 zL 0 zC 0 1-5 1-5 電阻元件電阻元件 2.2.線性時不變電阻元件線性時不變電阻元件 l 電路符號電路符號 R 電阻元件電阻元件 對電流呈現阻力的元件。其特性可對電流呈現阻力的元件。其特性可 用用u - i平面上的一條曲線來描述：平面上的一條曲線來描述： 0),(iuf i u 任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。 1.1.定義定義 伏安伏安 特性特性 下 頁上 頁 O 返 回 l u-i 關系關系 R 稱為電阻，單位：稱為電阻，單位： (歐歐 姆姆) 滿足歐姆定律滿足

13、歐姆定律 GuRui iuR l 單位單位 G 稱為電導，單位：稱為電導，單位：S (西西門子門子) u、i 取關聯取關聯 參考方向參考方向 Riu 下 頁上 頁 伏安特伏安特 性曲線性曲線 為一條為一條 過原點過原點 的直線的直線 u i O R u i + 返 回 如電阻上的電壓與電流參考方向非關如電阻上的電壓與電流參考方向非關 聯，公式中應冠以負號。聯，公式中應冠以負號。 說明線性電阻是無記憶、雙向性的元說明線性電阻是無記憶、雙向性的元 件。件。 歐姆定律歐姆定律 只適用于線性電阻只適用于線性電阻( R 為常數）。為常數）。 則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u R i i G u 公式和參考

14、方向必須配套使用！公式和參考方向必須配套使用！ 下 頁上 頁 注意 R u i - + 返 回 3.3.功率和能量功率和能量 電阻元件在任何時刻總是吸收功率的。電阻元件在任何時刻總是吸收功率的。 p u i (R i) i i2 R - u2/ R p u i i2R u2 / R l 功率功率 R u i +- 下 頁上 頁 表明 R u i -+ 返 回 u i 從從 t0 到到 t 電阻吸收的能量：電阻吸收的能量： t t t t R uipW 00 dd 4.4.電阻的開路與短路電阻的開路與短路 l 能量能量 l 短路短路 0 0ui 0 R G或或 l 開路開路 0 0ui 0R G

15、 或或 u i 下 頁上 頁 R i u + u + i O O 返 回 下 頁上 頁 實際電阻器實際電阻器 返 回 1-6 1-6 電壓源和電流源電壓源和電流源 l電路符號電路符號 1.1.理想電壓源理想電壓源 l定義定義 i S u + _ 下 頁上 頁 其兩端電壓總能保持定值或一定其兩端電壓總能保持定值或一定 的時間函數，其值與流過它的電的時間函數，其值與流過它的電 流流 i 無關的元件叫理想電壓源。無關的元件叫理想電壓源。 返 回 電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關；電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關； 與流經它的電流方向、大小無關。與流經它的電流方向、大小無關。 通過電壓

16、源的電流由電源及通過電壓源的電流由電源及 外電路共同決定。外電路共同決定。 l理想電壓源的電壓、電流關系理想電壓源的電壓、電流關系 u i S u 直流電壓直流電壓 源的伏安源的伏安 特性曲線特性曲線 下 頁上 頁 例例 R i - + S u 外電路外電路 R u i S 0 ()iR (0)iR 電壓源不能短路！電壓源不能短路！ O 返 回 + _ i u + _ S u l電壓源的功率電壓源的功率 電壓、電流參考方向非關聯。電壓、電流參考方向非關聯。 iup S 電流（正電荷電流（正電荷 ）由低電）由低電 位向高電位移動，外力克服電場力作位向高電位移動，外力克服電場力作 功，電源發出功率

17、。功，電源發出功率。 S 0 pu i發出功率，起電源作用發出功率，起電源作用 物理意義：物理意義： 下 頁上 頁 + _ i u + _ S u 電壓、電流參考方向關聯。電壓、電流參考方向關聯。 物理意義：物理意義： 電場力作功，電源吸收功率。電場力作功，電源吸收功率。 S 0 pu i吸收功率，充當負載。吸收功率，充當負載。 返 回 例例6-1計算圖示電路各元件的功率。 計算圖示電路各元件的功率。 解解V5V)510( R u A1A 5 5 R u i R W5W15 2 RipR W10W110 S10 iup V W5W15 S5 iup V 發出發出 吸收吸收 吸收吸收 滿足滿足：

18、P（發）（發）P（吸）（吸） 下 頁上 頁返 回 5R i +_ R u + _ 10V5V - + 其輸出電流總能保持定值或一定的其輸出電流總能保持定值或一定的 時間函數，其值與它的兩端電壓時間函數，其值與它的兩端電壓u 無關的元件叫理想電流源。無關的元件叫理想電流源。 l 電路符號電路符號 2.2.理想電流源理想電流源 l 定義定義 u S i + _ 下 頁上 頁 l 理想電流源的電壓、電流關系理想電流源的電壓、電流關系 電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無 關；與它兩端電壓的方向、大小無關。關；與它兩端電壓的方向、大小無關。 返 回 電流

19、源兩端的電壓由電源及外電路共電流源兩端的電壓由電源及外電路共 同決定。同決定。 u i S i 直流電流源的直流電流源的 伏安特性曲線伏安特性曲線 下 頁上 頁 O例例 R u - + S i 外電路外電路 S Riu )0( 0Ru ()uR 電流源不能開路！電流源不能開路！ 返 回 可由穩流電子設備產生，如晶體管的集電極可由穩流電子設備產生，如晶體管的集電極 電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電電流與負載無關；光電池在一定光線照射下光電 子被激發產生一定值的電流等。子被激發產生一定值的電流等。 下 頁上 頁 實際電流源的產生：實際電流源的產生： l 電流源的功率電流源的功率 u +

20、_ S i S uip 電壓、電流的參考方向非關聯。電壓、電流的參考方向非關聯。 發出功率，起電源作用。發出功率，起電源作用。 S 0pui 電壓、電流的參考方向關聯。電壓、電流的參考方向關聯。 u + _ S i 吸收功率，充當負載。吸收功率，充當負載。 S 0pui 返 回 例例6-2 計算圖示電路各元件的功率。計算圖示電路各元件的功率。 解解 A2 S ii V5u 2AS 2 5W10Wpi u 5VS 5 ( 2)W10Wpu i 發出發出 發出（實際吸收發出（實際吸收10W） 滿足滿足：P（發）（發）P（吸）（吸） 下 頁上 頁返 回 u 2A i+ _ 5V - + 實際電源實際

21、電源 干電池 鈕扣電池 1. 1. 干電池和鈕扣電池（化學電源）干電池和鈕扣電池（化學電源） 干電池電動勢為干電池電動勢為1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其，僅取決于（糊狀）化學材料，其 大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。 鈕扣電池電動勢為鈕扣電池電動勢為1.35V，用固體化學材料制成，化學反，用固體化學材料制成，化學反 應不可逆。應不可逆。 下 頁上 頁返 回 氫氧燃料電池示意圖 2. 2. 燃料電池（化學電源）燃料電池（化學電源） 燃料電池電動勢為燃料電池電動勢為1.23V。以氫、氧作為燃料。約。以氫、氧作為燃料。約40%45% 的化學能轉變為電能

22、。實驗階段加燃料可繼續工作。的化學能轉變為電能。實驗階段加燃料可繼續工作。 下 頁上 頁返 回 3. 3. 太陽能電池（光能電源）太陽能電池（光能電源） 一塊太陽能電池電動勢為一塊太陽能電池電動勢為0.6V。太陽光照射到。太陽光照射到PN結上，結上， 形成一個從形成一個從N區流向區流向P區的電流。約區的電流。約11%的光能轉變為電能，的光能轉變為電能， 故常用太陽能電池板。故常用太陽能電池板。 一個一個50cm2太陽能電池的電動勢為太陽能電池的電動勢為0.6V,電流為電流為0.1A。 太陽能電池板太陽能電池板 下 頁上 頁返 回 蓄電池示意圖 4. 4. 蓄電池（化學電源）蓄電池（化學電源）

23、電池電動勢為電池電動勢為2V。使用時，電池放電，當電解液濃度。使用時，電池放電，當電解液濃度 小于一定值時，電動勢低于小于一定值時，電動勢低于2V，常需要充電，化學反應可，常需要充電，化學反應可 逆。逆。 下 頁上 頁返 回 直流穩壓源直流穩壓源 下 頁上 頁返 回 發電機組發電機組 下 頁上 頁返 回 風力發電風力發電 下 頁上 頁返 回 工業風力發電現場工業風力發電現場 下 頁上 頁返 回 1-7 1-7 受控電源受控電源( (非獨立源非獨立源) ) l 電路符號電路符號 受控電壓源受控電壓源 1.1.定義定義 受控電流源受控電流源 電壓或電流的大小和方向不是給定的時間電壓或電流的大小和方

24、向不是給定的時間 函數，而是受電路中某處的電壓函數，而是受電路中某處的電壓(或電流或電流)控制的電控制的電 源，稱為受控電源。源，稱為受控電源。 下 頁上 頁返 回 + 四端元件四端元件 電流控制的電流源電流控制的電流源 ( CCCS ) : : 電流放大倍數電流放大倍數 根據控制量和被控制量是電壓根據控制量和被控制量是電壓u或電流或電流i，受控源，受控源 可分四種類型：電壓控制電流源、電壓控制電壓源、可分四種類型：電壓控制電流源、電壓控制電壓源、 電流控制電流源、電流控用電壓源。電流控制電流源、電流控用電壓源。 2.2.分類分類 12 ii 輸出：受控部分輸出：受控部分輸入：控制部分輸入：控

25、制部分 下 頁上 頁返 回 i1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + g: 轉移電導轉移電導 電壓控制的電流源電壓控制的電流源 ( ( VCCS ) ) 12 gui 電壓控制的電壓源電壓控制的電壓源 ( ( VCVS ) ) 12 uu : 電壓放大倍數電壓放大倍數 gu1 + _ u2 i2 _ u1 i1 + 下 頁上 頁 i1 u1 + _ u2 i2 _ u1 + _ 返 回 電流控制的電壓源電流控制的電壓源 ( ( CCVS ) ) 12 riu r : 轉移電阻轉移電阻 例例 bc ii 電路模型電路模型 ib icib 下 頁上 頁 ri1 + _ u2 i2 _ u1 i

26、1 + _ 返 回 b i c i 3.3.受控源與獨立源的比較受控源與獨立源的比較 獨立源電壓獨立源電壓( (或電流或電流) )由電源本身決定，與電由電源本身決定，與電 路中其他電壓、電流無關，而受控源電壓路中其他電壓、電流無關，而受控源電壓( (或或 電流電流) )由控制量決定。由控制量決定。 獨立源在電路中起獨立源在電路中起“激勵激勵”作用，在電路中產作用，在電路中產 生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的 電壓或電流對另一處的電壓或電流對另一處的電壓或電流電壓或電流的控制關系的控制關系 ，在電路中不能作為，在電路中不能作為“激勵激勵”。 下 頁

27、上 頁返 回 例例7-1 求電壓求電壓u2。 解解 A2A 3 6 1 i V4V)610( 65 12 iu 5i1 + _ u2 _ i1+ +- 3 u1=6V 下 頁上 頁返 回 1-8 1-8 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律 （KCL）和基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電壓定律( KVL )。它反。它反 映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基映了電路中所有支路電壓和電流所遵循的基 本規律，是分析集總參數電路的基本定律。本規律，是分析集總參數電路的基本定律。 基爾霍夫定律與元件特性構成了電路分析的基爾霍夫定律與元件特性構成了電路分析

28、的 基礎。基礎。 下 頁上 頁返 回 + _ R1 uS1 + _ uS2 R2 R3 1.1.幾個名詞幾個名詞 電路中通過同一電流的分支。電路中通過同一電流的分支。 元件的連接點稱為結點。元件的連接點稱為結點。 b=3 a n=4 b 支路支路 電路中每一個兩端元件就稱電路中每一個兩端元件就稱 為一條支路。為一條支路。 i3 i2 i1 結點結點 b=5 下 頁上 頁 或三條以上支路的連接點稱或三條以上支路的連接點稱 為結點。為結點。 n=2 注意 兩種定兩種定 義分別用在不同義分別用在不同 的場合。的場合。 返 回 由支路組成的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。 兩結點間的一條通路。由支路兩

29、結點間的一條通路。由支路 構成。構成。 對平面電路，其內部不含任對平面電路，其內部不含任 何支路的回路稱網孔。何支路的回路稱網孔。 l=3 12 3 路徑路徑 回路回路 網孔網孔 網孔是回路，但回路不一定是網孔。網孔是回路，但回路不一定是網孔。 下 頁上 頁 + _ R1 uS1 + _ uS2 R2 R3 注意 返 回 2.2.基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律 (KCL) 令流出為令流出為“+”，有：，有： 例例 在集總參數電路中，任意時刻，對任意結點流在集總參數電路中，任意時刻，對任意結點流 出（或流入）該結點電流的代數和等于零。出（或流入）該結點電流的代數和等于零。 m b ti 1 0

30、)(出入 ii 或或 流進流進 的電的電 流等流等 于流于流 出的出的 電流電流 1 i 5 i 4 i 3 i 2 i 0 54321 iiiii 54321 iiiii 下 頁上 頁返 回 0 641 iii 例例 0 542 iii 0 653 iii 三式相加得：三式相加得： 0 321 iii KCL可推廣應用于電路中包圍多個結點可推廣應用于電路中包圍多個結點 的任一閉合面。的任一閉合面。 下 頁上 頁 5 i 6 i 4 i 1 i 3 i 2 i 表明 返 回 KCL是電荷守恒和電流連續性原理在電路中是電荷守恒和電流連續性原理在電路中 任意結點處的反應。任意結點處的反應。 KCL

31、是對結點處支路電流加的約束，與支路是對結點處支路電流加的約束，與支路 上接的是什么元件無關，與電路是線性還是上接的是什么元件無關，與電路是線性還是 非線性無關。非線性無關。 KCL方程是按電流參考方向列寫的，與電方程是按電流參考方向列寫的，與電 流實際方向無關。流實際方向無關。 下 頁上 頁 明確 返 回 3 3. .基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律 (KVL) m b tu 1 0)(升 降 uu 或或 U3 U1 U2 U4 下 頁上 頁 標定各元件電壓參標定各元件電壓參 考方向。考方向。 選定回路繞行方向，選定回路繞行方向， 順時針或逆時針。順時針或逆時針。 在在集總參數電路中，任一時刻，沿任一回路，集總參數電路中，任一時刻，沿任一回路， 所有支路電壓的代數和恒等于零。所有支路電壓的代數和恒等于零。 返 回 I1 + US1 R1 I4 _ + US4 R4 I3 R3 R2 I2 _ U1US1+U2+U3+U4+US4= 0 U2+U3+U4+US4=U1+US1 或或 R1I1+R2I2R3I3+R4I4=US1US4 下 頁上 頁 KVL也適用于電路中任一假想