电路原理

1、电路模型和电路定律

1.1、电路和电路模型

1.1.1、实际电路

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。

电路的功能：

• 能量的传输、分配与转换；
• 信息的传递、控制与处理。

电路的共性：建立在同一电路理论基础上。

1.1.2、电路模型

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。

理想电路元件：有某种确定的电磁性能的理想元件。

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：表示将其他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3个特征：

1. 只有2个端子；
2. 可以用电压或电流按数学方式描述；
3. 不能被分解为其他元件。

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。

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。

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。

1.2.1、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。

电流定义：

电流单位：A（安培）、kA、mA、μA  。

电流方向：规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。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。

元件（导线）中电流流动的实际方向只有2种可能：

电流的参考方向：任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。

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，电流的参考方向由A指向B：

1.2.2、电压的参考方向

电位φ：单位正电荷q从电路中一点移至参考点（φ=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。

实际电压方向：电位真正降低的方向。

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。

电压（降）的参考方向：假设高电位指向低电位的方向。

电压参考方向的3种表示方式：

1. 用箭头表示：
2. 用正负极表示：
3. 用双下标表示：（少用）

1.2.3、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，成为非关联参考方向。

注意：

• 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向；
• 参考方向一经选定，必须在途中相应位置标注（包括方向和符号），在计算过程种不得任意改变。
• 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。

1.3、电功率和能量

1.3.1、电功率

电功率：单位时间内电场力所做的功。

功率的单位：W（瓦）（Watt，瓦特）

能量的单位：J（焦）（Joule，焦耳）

1.3.2、电路吸收或发出功率的判断

注意：对一完整的电路，满足：发出的功率=吸收的功率

1.4、电路元件

1.4.1、电路元件

电路元件：是电路中最基本的组成单元。

注意：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。

1.4.2、集总参数电路

集总参数电路：由集总元件构成的电路。

集总元件：假定发生的电磁过程都集中在元件内部进行。

集总条件：

注意：集总参数电路中u，i可以是时间的函数，但与空间坐标无关。因此，任何时刻，流入两端元件一个端子的电流等于从另一端子流出的电流。端子间的电压为单值量。

1.5、电阻元件

1.5.1、定义

电阻元件：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：

1.5.2、线性时不变电阻元件

任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。

单位：R称为电阻，单位Ω（Ohm），G称为电导，单位S（Siemens）

注意：欧姆定律

• 只适用于线性电阻（R为常数）；
• 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（公式和参考方向必须配套使用）
• 说明线性电阻是无记忆、双向性的元件

1.5.3、功率和能量

功率：

这表明电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。

1.5.4、电阻的开路与短路

能量：

开路：

短路：

1.6、电压源和电流源

1.6.1、理想电压源

定义：其两端电压总能保持定值或一定的时间函数，其值与流过它额电流i无关的元件叫理想电压源。电压源不能直接并联。

电路符号：

理想电压源的电压、电流关系：

• 电流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。
• 通过电压源的电流由电源及外电路共同决定。

电压、电流参考方向非关联的物理意义：电流（正电荷）由低电位向高电位移动，外力克服电场力做功，电源发出功率。

电压、电流参考方向关联的物理意义：电场力做功，电源吸收功率。

1.6.2、理想电流源

定义：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无关的元件叫理想电压源。电流源不能直接并联。

电路符号：

理想电流源的电压、电流关系：

• 电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它的两端电压方向、大小无关。
• 电流源两端的电压由电源及外电路共同决定。

实际电流源的产生：可由稳流电子设备产生，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电子被激发产生一定值的电流等。

电流源的功率

• 电压、电流的参考方向非关联：发出功率，起电源作用。
• 电压、电流的参考方向关联：吸收功率，充当负载。

1.7、受控电源（非独立源）

1.7.1、定义

受控电源：电压或电流的大小和方向不是给定的时间函数，而是受电路中某个地方的电压（电流）控制的电源，称为受控电源。

电路符号：

1.7.2、分类

根据控制量和被控制量是电压u或电流i，受控源可分四种类型：当被控制量是电压时，用受控电压源表示；当被控制量是电流时，用受控电流源表示。

• 电流控制的电流源（CCCS）：
• 电压控制的电流源（VCCS）：
• 电压控制的电压源（VCVS）：
• 电流控制的电压源（CCVS）：

1.8、基尔霍夫定律

基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。它反映了电路中所有支路电压和电流所遵循的基本规律，是分析集总参数电路的基本定律。基尔霍夫定律与元件特性构成了电路分析的基础。

1.8.1、几个名词

支路：电路中每一个两端元件就叫一条支路。b=5。（电路中通过同一电流的分支）

结点：元件的连接点称为结点。n=4。（或三条以上支路的连接点称为结点）

路径：两结点间的一条通路，由支路构成。

回路：由支路组成的闭合路径。l=3。

网孔：对平面回路，其内部不含任何支路的回路称网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。

1.8.2、基尔霍夫电流定律（KCL）

在集总参数电路中，任意时刻，对任意结点流出（或流入）该结点电流的代数和等于0。

（流进的电流等于流出的电流）

KCL可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面。

明确：

• KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；
• KCL是对结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；
• KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。

1.8.3、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，所有支路电压的代数和恒等于0。

标定各元件电压参考方向，选定回路绕行方向，顺时针或逆时针：

明确：

• KVL的实质反映了电路遵从能量守恒定律；
• KVL是对回路中的支路电压加的约束，与回路各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；
• KVL方程是按电压参考方向列写，与电压实际方向无关。

2、电阻电路的等效变换

2.1、引言

电阻电路：仅由电源和线性电阻构成的电路。

分析方法：① 欧姆定律和基尔霍夫定律是分析电阻电路的依据。② 等效变换的方法，也称化简的方法。

2.2、电路的等效变换

2.2.1、两端电路（网络）

任何一个复杂的电路，向外引出两个端钮，且从一个端子流入的电流等于从另一端子流出的电流，则称这一电路为二端网络（或一端口网络）。

2.2.2、两端电路等效的概念

两个两端电路，端口具有相同的电压、电流关系，则称它们是等效的电路。

明确：

电路等效变换的条件：两点路具有相同的VCR。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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