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在直流电路中电源的电流方向和端电压方向相反吗
在直流电路中电源的电流方向和端电压方向相反吗
09-12-18 &匿名提问 发布
您好回路是电流通过器件或其他介质后流回电源的通路。通常指闭合电路。支路是相对干路的，支路是由干路分出的小路。 　　 节点是在装修构造中，那些以一种或多种材料组合并通过某种造型所形成的连接点，常称作节点。它是交待设计造型的重要环节，同时也是体现设计细部的重要因素。在图纸中常以局部剖面的形式体现，重点交待尺寸、构造、材质等具体细节。电学的节点是联结的点。理想电源是在一定条件下从实际电源抽象出来的一种理想模型。理想电压源的特点  1．理想电压源的端电压只按其自身规律变化。 若uS(t)是不随时间变化的常数，即是直流理想电压源。若uS(t)是一定的时间函数（如正弦交流电），则将随时间t而发生变化。
2．理想电压源的端电压与流经它的电流方向、大小无关。  即使流经它的电流为无穷大，其两端电压仍按原来的规律变化 （为常数或为时间的函数）。若理想电压源uS(t)=0，则它相当于短路。
3．理想电压源的端电压由自身决定，与外电路无关，而流经它的电流是由它及外电路所共同决定的。  流过理想电压源的电流是随外电路变化的。理论上讲，这个电流可在-∞~∞范围内变化。
4．理论上讲，理想电压源可以供给无穷大能量，也可以吸收无穷大能量。  理想电流源 不管外部电路如何，其输出电流总能保持定值或一定的时间函数的电源，其端电压由外电路决定。 理想电流源的特点  1．理想电流源的输出电流只按其自身规律变化。 若iS(t)是不随时间变化的常数，即是直流理想电流源。若iS(t)是一定的时间函数（如正弦交流电），则将随时间t而发生变化。
2．理想电流源的输出电流与其两端电压方向、大小无关。 即使其两端电压为无穷大，其输出电流仍按原来规律变化（为常数或为时间的函数）。若理想电压源iS(t)=0，则它相当于开路。
3．理想电流源的输出电流由自身决定，与外电路无关，而其两端电压由它及外电路所共同决定的。 即理想电流源的两端电压是随外电路变化的。理论上讲，该电压可在-∞～∞范围内变化。
4．理论上讲，理想电流源可以供给无穷大能量，也可以吸收无穷大能量。 总的什么是理想电压源?理想电流源?答  内阻等于零的电压为理想电压源,理想电压源能在不管什么负载,不管负载大小,也不管负载是否在变化,都能保持电压不变. 内阻为无限大的电流源为理想电流源.理想电流源能在上述条件下,都能保证输出电流恒定.
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电压源和电流源及电路基本器件R(电阻)、C(电容)、L(电感)
电压源和电流源及电路基本器件R(电阻)、C(电容)、L(电感)
&&&&电源是任何电路中都不可缺少的重要组成部分，它是电路中电能的来源。实际电源有电池、发电机、信号源等。电压源和电流源是从实际电源抽象得到的电路模型。电路元件是电路中最基本的组成单元。电阻元件、电容元件、电感元件都是组成电路模型的理想元件。电阻、电容和电感这三个名词即代表了三种理想的电路元件，又是表征它们量值大小的参数。
一、电压源
&&&&任何一个电源，都含有电动势E和内阻R0。在分析与计算电路时，往往把它们分开，组成由E和R串联的电源的电路模型，即电压源。图1-8中a、b左边部分所示。图中U为电源的端电压，当接上负载电阻R形成回路后，电路中将有电流I流过，则电源的端电压为：－
&&&&式中，E和R 值为常数，U和I的关系称为电源的外特性，如图1-9所示 。
&&&&&&&&&&&&&&
图1-8 电压源电路&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图1-9 电压源和理想电压源的外特性曲线
&&&&当I=0(即电压源开路)时，U=Uo=E(开路电压等于电源的电动势)。
&&&&当U=0(即电压源短路)时，I=IS= (IS称为短路电流)。
&&&&当R=0时，电压U恒等于电动势E，是一定值，而其中的电流I则是任意值，由负载电阻R 及电压U本身确定。这样的电压源称为理想电压源或恒压源。理想电压源如图1-10所示。
图1-10 理想电压源电路
&&&&常见实际电源(如发电机、蓄电池等)的工作机理比较接近电压源，其电路模型是E和R 的串联组合。理想电压源实际上是不存在的。但在电流源内阻R 远小于负载电阻R ，内阻上的压降IR 将远小于U，则可认为U&E，基本上恒定，这时可将此电压源看成是理想电压源。通常用的稳压电源可认为是一个理想电压源。
二、电流源
&&&&电源除用电动势E和内阻R 串联的电路模型表示外，还可以用另一种电路并联模型来表示。
&&&&如将式(1-3)两端除以R ，得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &
&&&&即&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （1-4）
&&&&这样，我们就可以用一个电流源IS=和一个内阻R并联的电路模型去表示一个电源，此即电流源。如图1-11中a、b左边部分所示，图中U为电流源的端电压，若接上负载电阻R构成回路后，其中将有电流I流过。
&图1-11& 电流源电路
&&&&式(1-4)中IS和R均为常数，U和I的关系称为电流源的外特性，我们可以作出外特性图，如图1-12所示。当电流源开路时，I=0，U=UO=ISR；当其短路时，U=0，I=IS。内阻R越大，则直线越陡，R支路对Is的影响就越小。
&&&&当R=&(相当于R支路断开)时，电流I将恒等于IS，是一定值，而其两端的电压U则是任意值，由负载电阻RL及电流IS本身确定。这样的电源称为理想电流源或恒流源。理想电流源如图1-13所示电工电子技术是面向高等工科院校非电专业学生的一门技术基础课。
&&&&　　　　　　　　　　　　　　　&&
　　　　图1-12&电流源和理想电流源的外特性曲线&&&&　　　　&　　　　　　 　　　　图1-13&理想电流源电路
&&&&通过本课程的学习使学生获得电工与电子技术的基本理论、基本知识和基本技能。 像光电池一类的器件，工作时的特性比较接近电流源，其电路模型是电流源与电阻的并联。
&&&&理想电流源是不存在的，但是在电源内阻R 远大于负载电阻R ，即R&&R 时，R 支路的分流作用很小，则可认为I&IS基本恒定，这时可将此电流源看成是理想电流源。
三、电压源与电流源的等效转换&&&
&一个电源可用电压源和电流源两种电路模型来表示，且电压源与电流源的外部特性相同。因此，电源的这两种电路模型之间是相互等效的，可以进行等效转换。两者之间进行等效变化的方法如下。
&&&&① 将如图1-14所示左边的电压源等效变化为电流源时，电流源的电流 IS= (即电压源的短路电流)。IS流出的方向与E的正极相对应，与IS并联的内阻R 就等于与E串联的内阻R ，等效变换所得的电流源如图1-14(a)所示。
&&&&② 将图1-14右边所示的电流源等效变换为电压源时，电压源的电动势E=ISR (即电流源的开路电压)，E的正极与IS流出的方向相对应；与E串联的内阻R 就等于与IS并联的内阻R ，等效变换所得的电压源如图1-14(b)左边所示。
图1-14&电压源与电流源的等效变换
&&&&但是，电压源和电流源的等效关系只是对外电路而言的，对电源内部是不等效的。例如图1-14中，当电流源开路时，电源内部有损耗，IS流过R 产生损耗，而当电流源短路时，电源内部无损耗，R 无电流流过。而将其等效变换为图1-14左边所示的电压源后，情况就不同了。当电压源开路时，R 无电流通过，电源内部无损耗，而当电压源短路时，R 中有电流IS= 流过，在电源内部产生损耗。
&&&&理想电压源和理想电流源之间没有等效的关系。因为对理想电压源(R =0)来讲，其短路电流IS为无穷大，对理想电流源(R = &)讲，其开路电路Uo为无穷大，都不能得到有限的数值，故这两者之间不存在等效变换的条件。
&&&&【例1-2】 求图1-15(a)所示电路的电流I。
&&&&解：图1-15(a)的电路可简化为图1-15(d)所示的单回路电路，简化过程如图1-15 (b)、图1-15(c)、图1-15(d)所示，由简化后的电路可求得
图1-15 例1-2的图
四、电路基本元件
&1．电阻元件
&&&&电阻是表征电路中电能消耗的理想元件。一个电阻器有电流通过后，若只考虑它的热效应，忽略它的磁效应，即成为一个理想电阻元件。电阻元件的图形符号如图1-16所示。图中电压和电流都用小写字母表示，表示它们可以是任意波形的电压和电流。图1-16中，u和i的参考方向相同，根据欧姆定律得出
&&&&即电阻元件上的电压和与通过的电流成线性关系，两者的比值是一个大于零的常数，称为这一部分电路的电阻，单位是欧姆(&O)。
&&&&在直流电路中，电阻的电压与电流的乘积即为电功率，单位是瓦(W)。
&&&&在t时间内消耗的电能为W=Pt。
&&&&W的单位是焦[耳](J)，工程上电能的计量单位为千瓦∙小时(kW∙h)，1千瓦∙小时即1度电，1度电与焦的换算关系为1kW∙h=3.6&106J。这些电能或变成热能散失于周围的空间，或转换成其他形态的能量作有用功了。因此，电阻消耗电能的过程是不可逆的能量转换过程。
2．电容元件
&&&&电容是用来表征电路中电场能储存这一物理性质的理想元件。图1-17是一电容器，当电路中有电容器存在时，电容器极板(由绝缘材料隔开的两个金属导体)上会聚集起等量异号电荷。电压u越高，聚集的电荷q就越多，产生的电场越强，储存的电场能就越多。q与u的比值为C＝q/u。C称为电容。式中，q的单位为库[仑](C)；u的单位为伏[特](V)；C的单位为法[拉](F)。由于法[拉]的单位太大，工程上多用微法( F)或皮法(pF)，它们的换算关系为1F=10-6pF，1pF=10-12F。
&&&&当极板上的电荷量q或电压u发生变化时，在电路中就要引起电流流过。其大小为
　　　　　　　　　　　　　　(1-5)
&&&&上式是在u和i的参考方向相同的情况下得出的，否则要加负号。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图1-16 电阻元件&&&&&&&&&&& 　　　　　　　图1-17 电容元件
&&&&当电容器两端加恒定电压时，则由上式可知i=0，电容元件相当于开路。将式(1-5)两边积分，便可得出电容元件上的电压与电路中电流的一种关系式，即
　　　(1-6)
&&&&式(1-6)中， u0是初始值，即在t=0时电容元件上的电压。若u0=0或q0=0，则
　　　　　　　　　　　&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (1-7)
&&&&如将式(1-5)两边乘上u，并积分之，则得
　　　　&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (1-8)
&&&&这说明当电容元件上的电压增加时，电场能量增大，在此过程中，电容元件从电源取用能量(充电)，式(1-8)中的 Cu2就是电容元件极板间的电场能量。当电压降低时，则电场能量减小，即电容元件向电源放还能量(放电)。
&&&&一般的电容器除有储能作用外，也会消耗一部分电能，这时，电容器的模型就必须是电容元件和电阻元件组合，由于电容器消耗的电功率与所加的电压直接相关，因此其模型应是两者的并联组合。
3.电感元件
&&&&电感是用来表征电路中磁场能储存这一物理性质的理想元件，例如当电路中有电感器(线圈)存在时，电流通过线圈会产生比较集中的磁场，因而必须考虑磁场能储存的影响。
&&&&在图1-18(a)中，设线圈的匝数为N，电流i通过线圈而产生的磁通为Ф，两者的乘积(&=NФ)称为线圈的磁链，它与电流的比值L=&P/i称为电感器(线圈)的电感。式中，&和Ф的单位为韦[伯](Wb)；i的单位为安[培](A)；L的单位为亨[利](H)。
图1-18 电感
&&&&如果线圈的电阻很小，则可以忽略不计，该线圈便可用图1-18(b)所示的理想电感元件来代替。当线圈中的电流变化时，磁通和磁链将随之变化，将会在线圈中产生感应电动势。在规定e的参考方向与磁场线的方向符合右手螺旋定律时，感应电动势e可以用下式计算
&&&&因此，在图1-18中，关联参考方向规定：u与i的参考方向一致，i与e的参考方向都与磁场线的参考方向符合右手螺旋定则，因而i与e的参考方向也应该一致。在此规定下，便得到了电感中感应电动势的另一种计算公式，即
&&&&又因为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
&&&&&&&&&&&&&&&&
　　　&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (1-9)
&&&&此即电感元件上的电压与通过的电流的关系式。
&&&&当线圈中通过不随时间而变化的恒定电流时，由式(1-9)可知，其上电压为零，电感元件可视为短路。
&&&&将式(1-9)两边积分，便可得出电感元件上的电压与电流的关系式，即
　　　(1-10)
&&&&式中， 是初始值，即在t=0时电感元件中通过的电流，若 =0，则　　
&&&&最后讨论电感元件中的能量转换问题。如将式(1-9 )两边乘上i，并积分之，则得
　　　　&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (1-11)
&&&&这说明当电感元件中的电流增大时，磁场能量增大；在此过程中电能转换为磁能，即电感元件从电源取用能量。当电流减小时，磁场能量转换为电能，即电感元件向电源放还能量。
&&&&【例1-3】 如图1-19所示，在指定的电压u和电流i参考方向下，写出各元件u和i的约束方程(元件的组成关系)。
图1-19 例1-3的图
&&&&解：（a）u=-104i；(b)u=-Ldi/dt=-2x10-2di/dt；(c)i=Cdu/dt=10-5du/dt(；d)u=-5V；(e)i=2A
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