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电路元件与电路基本定理

电流、电压和电功率

电流

1 定义: 带电质点的有序运动形成电流 。
单位时间内通过导体横截面的电量定义为电流强度,
简称电流,用符号 i 表示,其数学表达式为:(i单位:安培(A))

i=\frac{dq}{dt}

q单位:库仑(C)                 t单位:秒(s)

下面是电流定义示意图

 

电流的真实方向规定为正电荷运动的方向。 

电流的参考方向: 任意假设的电流的方向

(1)电流参考方向与真实方向的关系

        i >0 真实方向与参考方向一致;

        i <0 真实方向与参考方向相反。
(2)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 i_{ab},电流的参考方向由a点指向b点。
(3)直流与交流
大小和方向不随时间变化的电流称为直流 。(DC)
随时间作周期性变化且 平均值为零的电流称为交流。(AC)

电压

1 定义:电场力把单位正电荷从一点移动到另一点所作的功。  用符号 u 表示,其数学表达式为:

u=\frac{dw}{dq}

u单位:伏特(V)

电压的真实方向规定为电压降的方向。

电压参考方向:任意假设的电压的方向

电压参考方向的三种表示:

        • 用双下标表示:如u_{ab},电压的参考方向由a点指向b点。

        • 用正负极性表示:由正极指向负极的方向为电压的参考方向。

        • 用箭头表示:箭头指向为电压的参考方向。

电位:

任选一点p作为参考点(参考点的电位一般选为0,所以也称零电位点),电路中某点与参考点之间的电压 称为该点的电位,用\varphi表示。电位的单位:V。

两点之间的电压等于这两点的电位之差。

U_{ab}=\varphi _a-\varphi _b

 电压的真实方向规定为从高电位指向低电位的方向。

关联方向

元件上的u,i采用相同的参考方向。

电功率

p=\frac{dw}{dt}

单位瓦特(w)

p=ui

若u,i为关联参考方向,则

p>0,吸收正功率。(实际吸收功)

p<0,吸收负功率。(实际发出功)

基尔霍夫定律

主要概念如下图:

两个结点之间构成一条支路。

定律内容:

 基尔霍夫电流定律(Kirchhoff‘s Current Law,简称KCL) 表述为:在集中参数电路中,任一时刻流出(或流入)任一节 点的支路电流代数和等于零,即

\sum i_k=0i_k表示第k条支路电流)

i参考方向为流出节点:为正,反之为负

同理,基尔霍夫电压定律(Kirchhoff's Voltage Law,简称KVL)表 述为:在集中参数电路中,任一时刻沿任一回路各支路电压的代 数和等于零,即

\sum u_k=0u_k表示第k条支路电压)

电荷守恒、能量守恒可以证明

独立的KCL方程

❖在含有n个节点的电路中,任意n-1个节点的KCL方程 是一组独立方程,这些节点称为独立节点

❖选择哪n-1个节点作为独立节点是任意的。

推广:假想回路

1 电流、电压与电功率

电阻元件

固定电阻(a),可变二端电阻(b,c),三端电阻(d,e),可变电阻(b,c,d,e)

电阻端口特性:

欧姆定律对于线性二端电阻,其端口电压与电流成正比。

公式如下:

 

 

电阻的功率:

p=ui=Ri^2=Gu^2\geq0

说明电阻是耗能元件。

电阻的能量:

 

 说明电阻是无源元件。

非线性电阻(nonlinear resistance):

电压电流关系不是过u-i平面原点的直线。

2 电阻元件

电容元件

线性电容:
一个二端元件,在任意时刻,它的电荷q和端电压u成正比:
q=Cu

i=C\frac{du}{dt}

物理意义:线性电容的端口电流并不取决于当前时刻电压,而与端口电压的时间变化率成正比,所以电容是一种动态元件。 

t 时刻电容上的电压决定于此时刻以前的全部电流,所以电容属于记忆元件。 \

在关联参考方向下,输入线性电容端口的功率:

p=Cu\frac{du}{dt}

电容储能公式见下方:

电容吸收的总能量全部储存在电场中,没有产生能量损耗, 所以电容是无损元件

电容本身不能提供能量,电容是无源元件

并联等效电容等于各电容之和。

C_{eq}=C_1+C_2+\dots+C_N

串联等效电容的倒数等于各电容的倒数之和。

\frac{1}{C_{eq}}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\dots+\frac{1}{C_N}

3 电容元件

电感元件

线圈中有电流 i 时,其周围即建立磁场,从而在线圈中形成与电流相交链的磁通Ф
u=\frac{d\Psi}{dt}=L\frac{di}{dt}
电感中某一瞬间的电流决定于此瞬间以前的全过程的电压,因此电感也属于 记忆元件
电感的功率:
p=ui=Li\frac{di}{dt}
电感储能:
上式说明电感吸收的总能量全部储存在磁场中,所以电感又是 无损元件
从全过程来看,电感本身不能提供能量,电感是 无源元件
电感的串并联规则类似于电阻,相反于电容。
4 电感元件

独立电源

5 独立电源

 电压源的电源电压u_S由电压源本身决定,与外电路无关

电压源的电流由与其相联的外电路来确定。

 若u_S为常量,称为直流电压源。

u_S为时变量,记作u_S=u_S(t)

 

 电压源的功率:(注意是取“非关联参考方向”!)

电流源符号:

u,i_S 取非关联参考方向,电源输出的功率为:p=u\times i_S

❖电压源的端口电压和电流源的端口电流与外电路无关, 因此称其为独立电源。

❖独立电源能对外提供电能,属于有源元件

❖在电路中能够激发电压和电流,故独立电源也称为激励

❖电路中被激发的电压和电流称为响应

受控电源

源电压或源电流受电路中另一处的电压或电流控制,  这类电源称为受控电源。

若源电压(流)与控制电压(流)成正比关系。则此类受控源称为线性受控源

四种类型:

受控源属于有源元件,p<0

受控源与独立源的比较

(1) 独立源电压(或电流)由电源本身决定,与电路中其它电压、电流无关,而受控源电压(或电流)由控制量决定

(2) 独立源作为电路中“激励” ,在电路中产生电压、电流,而受控源只是反映出口端与入口端的关系,在电路中不能作为“激励”

7 基尔霍夫定律

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