電路的基本概念與基本定律課件

1、第一章 電路的基本概念與基本定律第一節(jié) 電路與電路模型第二節(jié) 電路的主要物理量第三節(jié) 電路的三種狀態(tài)第四節(jié) 電壓源和電流源及其等效變換第五節(jié) 基爾霍夫定律第1頁，共31頁。第一節(jié) 電路與電路模型一、電路 電路是人們在生產(chǎn)、生活中為了實(shí)現(xiàn)某種需求，把各種電氣器件按一定的方式連接起來，所構(gòu)成的電流流通路徑。 電路由三部分組成：電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)。 電路的主要作用： 1.實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配-如電力系統(tǒng)，龐大的電網(wǎng)從發(fā)電、輸電、變電到配電，送到不同用戶所在地； 2.實(shí)現(xiàn)信號的傳遞和處理，輸入的信號叫激勵(lì)（或信號源），輸出的信號叫響應(yīng)-如電視機(jī)能通過有線或無線的方式接收電視信號，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換處

2、理并輸出圖像和聲音。第2頁，共31頁。電源：電源是把其他形式能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置，如蓄電 池、各種發(fā)電機(jī)等。負(fù)載：所有的用電設(shè)備都可以被稱為負(fù)載，它把電能轉(zhuǎn)換成 其他形式的能量，如電燈、電風(fēng)扇、電動(dòng)機(jī)等。中間環(huán)節(jié)：是指連接電源和負(fù)載的部分，例如輸電線、開關(guān) 等。第3頁，共31頁。 二、電路模型 1實(shí)際電路 實(shí)際電路有的較簡單，也有的相當(dāng)復(fù)雜，影響電路的內(nèi)外界因素也很多，當(dāng)我們對實(shí)際電路進(jìn)行分析時(shí)，常采用模型化的方法，即首先建立實(shí)際電路的理想化電路模型，然后對此電路模型進(jìn)行定量分析，從而得到與實(shí)際電路對應(yīng)的結(jié)論。 2電路模型 在電路的分析計(jì)算時(shí)，通常要用一個(gè)假定的二端元件來代替實(shí)際元件，這個(gè)二端

3、元件的電磁性質(zhì)應(yīng)該反映實(shí)際元件的電磁性質(zhì)，這個(gè)假定的二端元件稱為理想電路元件。第4頁，共31頁。 由理想電路元件組成的電路稱為理想電路模型，簡稱電路模型。 把實(shí)際電路中的各種元件設(shè)備按其主要物理性質(zhì)分別用一些理想電路元件來表示，構(gòu)成的電路圖就是電路模型。如圖所示： 理想電路元件簡稱電路元件，如有電阻、電感、電容元件、理想電壓源、理想電流源等。其中電阻元件、電感元件和電容元件均不產(chǎn)生能量，稱為無源元件；理想電壓源和理想電流源是電路中提供能量的元件，稱為有源元件。 第5頁，共31頁。 第二節(jié) 電路的主要物理量一、電流 1.電流的定義：在電場的作用下，電荷有規(guī)則的定向移動(dòng)就形成電流。 2電流的大小：

4、引入電流強(qiáng)度概念來描述電流的大小，單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流強(qiáng)度。 3電流的方向：電流不僅有大小而且有方向，我們規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。第6頁，共31頁。電流實(shí)際方向與參考方向 簡單電路中，電流的實(shí)際方向容易判斷，但在復(fù)雜電路中，往往很難判斷某支路中電流的實(shí)際方向。為此，在分析與計(jì)算電路前，需要假定某一方向作為電流的正方向，稱為參考方向，所選的電流參考方向是任意設(shè)定的，與電流的實(shí)際方向無關(guān)， 選定了電流的參考方向，便可以進(jìn)行電路的分析計(jì)算，當(dāng)電流實(shí)際方向與參考方向一致時(shí)，計(jì)算出來的電流值為正；如果兩者相反，則電流值為負(fù)。第7頁，共31頁。 二、電壓 1電壓的定義：

5、電場力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功定義為a、 b兩點(diǎn)間的電壓，用uab（Uab）表示。 2電壓的方向：電壓的方向則由起點(diǎn)指向終點(diǎn)，也可用正負(fù)號表示或以箭頭標(biāo)明。 3電壓的單位：庫侖/焦耳=伏特第8頁，共31頁。關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向 4電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向：對某個(gè)具體元件，電壓參考極性和電流的參考方向取為一致時(shí)，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。在分析電路和電功率的計(jì)算中很有意義。第9頁，共31頁。B點(diǎn)電位： 三、電位 電位的定義：在電路中選定一個(gè)參考點(diǎn)（注意每次計(jì)算只能選一個(gè)相對的參考點(diǎn)），取參考點(diǎn)的電位為零電位，則電路中某一點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓就被稱為這一點(diǎn)的電位。 電位的單位與電壓相同。

6、如圖，選O為參考點(diǎn)，A點(diǎn)電位：第10頁，共31頁。 電位與電壓關(guān)系的結(jié)論之一：如果已知兩點(diǎn)的電位,則此兩點(diǎn)間的電壓等于它們的電位之差。 電位與電壓關(guān)系的結(jié)論之二：電路中某一點(diǎn)的電位隨參考點(diǎn)（零電位點(diǎn)）選擇的不同而不同。但兩點(diǎn)間的電壓不變。 電位概念在電子電路中的應(yīng)用：簡化電子線路！第11頁，共31頁。 四、電動(dòng)勢 電動(dòng)勢是衡量外力即非電場力做功能力的物理量，電動(dòng)勢越大，電源的能力越強(qiáng)。第12頁，共31頁。 電動(dòng)勢的定義：外力克服電場力把單位正電荷從電源的負(fù)極（b點(diǎn)）搬運(yùn)到正極（a點(diǎn)）所做的功，稱為a與b兩點(diǎn)間的電動(dòng)勢。 電動(dòng)勢的方向： 在電源內(nèi)部，電動(dòng)勢的實(shí)際方向是正電荷所受外力的方向，從低電

7、位指向高電位。 電動(dòng)勢的單位：與電壓相同。電源內(nèi)部，電壓的實(shí)際方向是正電荷所受電場力的方向，從高指向低電位，故與電動(dòng)勢方向相反！第13頁，共31頁。由于 ,因此 電路消耗（或吸收）的功率P等于單位時(shí)間內(nèi)電路消耗（或吸收）的能量。 即 功率的單位為瓦特（Watt）， 簡稱瓦（W）。 五、電能和電功率 從t0到t的時(shí)間內(nèi)，從a到b點(diǎn)電路元件吸收的電能可根據(jù)電壓的定義（a、 b兩點(diǎn)的電壓在量值上等于電場力將單位正電荷由a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)時(shí)所做的功）求得， 即第14頁，共31頁。第三節(jié) 電路的三種狀態(tài) 電路有三種狀態(tài)，分別是空載（斷路）狀態(tài)、短路狀態(tài)和有載（通路）工作狀態(tài)。 一、空載狀態(tài) 空載狀態(tài)，就是電

8、源與負(fù)載沒有構(gòu)成閉合回路。第15頁，共31頁。 二、短路狀態(tài) 所謂短路，就是電源未經(jīng)負(fù)載而直接連通成閉合回路的情況。第16頁，共31頁。 三、有載工作狀態(tài) 電源與負(fù)載接成閉合回路，電路便處于有載（通路）工作狀態(tài)。第17頁，共31頁。 有載工作狀態(tài)下，電源的端電壓U隨輸出電流I的變化關(guān)系U =f（I）稱為電源的外特性。 外特性方程： 電壓隨電流直線下降， 斜率與內(nèi)阻有關(guān)。外特性曲線：第18頁，共31頁。第四節(jié) 電壓源和電流源及其等效變換 實(shí)際電源的兩種電路模型：電壓源和電流源。 一、電壓源 將實(shí)際電源用電動(dòng)勢和電阻串聯(lián)來建模，即為電壓源。 在R0=0的理想情況下，電壓源被稱為恒壓源或理想電壓源。

9、 實(shí)際電源都會(huì)有內(nèi)阻，如果電源的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于負(fù)載等效電阻，即 ，可以將這個(gè)電源近似為恒壓源。第19頁，共31頁。電壓源理想電壓源第20頁，共31頁。伏安特性曲線電壓源理想電壓源第21頁，共31頁。 將電壓源的外特性變形為二、電流源 可以發(fā)現(xiàn)：電源的輸出電流等于一個(gè)恒定電流與一個(gè)可變電流的差。恒定電流部分等于電源的短路電流，可變電流部分可想象成輸出電壓在內(nèi)阻上引起的電流。 由此，實(shí)際電源可以用一個(gè)恒定電流和電阻R0的并聯(lián)來建模。 為電流源。電流源 理想電流源 第22頁，共31頁。 當(dāng) 時(shí)電流源被稱為恒流源或理想電流源 的理想情況是不存在的，如果實(shí)際電源的內(nèi)阻 ，即可近似為恒流源。電流源理想電流源伏

10、安特性曲線電流源的開路電壓第23頁，共31頁。電壓源模型電流源模型電流源模型與電壓源模型的參數(shù)對比三、電壓源與電流源的等效變換 一個(gè)實(shí)際的電源，既可以用理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)表示， 也可以用理想電流源與內(nèi)阻并聯(lián)來表示。對于外電路而言， 如果電源的外特性相同， 無論采用哪種模型來計(jì)算外電路上的電流、電壓，結(jié)果都會(huì)相同。 對外電路而言， 兩種模型是可以等效變換的。第24頁，共31頁。 利用電流源和電壓源的等效變換，可以化簡和求解電路。 (1) 把電壓源變換為電流源時(shí)，電流源中IS的大小等于原電壓源的短路電流 ，方向與原電壓源的電動(dòng)勢箭頭方向相同電路形式由串聯(lián)改并聯(lián)，內(nèi)阻大小不變。 (2) 把電流源變

11、換為電壓源時(shí)，電壓源中E的大小等于原電流源的開路電壓 ，方向與原電流源方向相同，電路形式由并聯(lián)改串聯(lián)，內(nèi)阻大小不變。 (3) 電壓源與電流源的等效變換只能對外電路等效，對內(nèi)電路不等效。等效變換對電源內(nèi)電阻上的電流、電壓及功率計(jì)算都不等效。 (4) 理想電壓源與理想電流源之間不能進(jìn)行等效變換。 第25頁，共31頁。 預(yù)備知識： 1、支路：電路中任一段不分叉的電路分支，稱為支路。 2、節(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 3、回路：電路中任一閉合路徑稱為回路。 4、網(wǎng)孔：內(nèi)部不包含支路的回路稱為網(wǎng)孔?；鶢柣舴蚨呻娏鞫呻妷憾芍罚築AF、BCD、BE節(jié)點(diǎn)：B、E回路：ABEFA、BCDE

12、B和ABCDEFA網(wǎng)孔：ABEFA、BCDEB第五節(jié) 基爾霍夫定律第26頁，共31頁。 一、基爾霍夫電流定律（KCL） 基爾霍夫電流定律簡稱KCL，反映了電路中的節(jié)點(diǎn)所連接的各支路電流之間的相互關(guān)系。 KCL的基本內(nèi)容：在任意時(shí)刻，流入電路中任一節(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和， 即： I入=I出 該定律說明電路中的節(jié)點(diǎn)上不會(huì)發(fā)生電荷堆積現(xiàn)象，反映了電流具有連續(xù)性。 如將流入節(jié)點(diǎn)的電流前取正號，流出節(jié)點(diǎn)的電流前取負(fù)號，基爾霍夫電流定律也可寫成:I=0 應(yīng)用上式時(shí)也可以約定流出為正、流入為負(fù)，等式依然成立。其物理意義是：流入節(jié)點(diǎn)B的電流的代數(shù)和恒等于零。對上圖節(jié)點(diǎn)B列KCL方程：對上圖節(jié)

13、點(diǎn)E列KCL方程： ！2個(gè)節(jié)電的電路只能列出一個(gè)獨(dú)立的KCL方程！第27頁，共31頁。 左圖中封閉面 的KCL方程： 基爾霍夫電流定律的結(jié)論：對一個(gè)具有m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，只能列出（m-1）個(gè)獨(dú)立的KCL方程。 基爾霍夫電流定律的推廣：對于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的封閉面，（廣義節(jié)點(diǎn)），根據(jù)電流的連續(xù)原理，電路中流入一個(gè)封閉面的電流等于流出的電流，即流入一個(gè)封閉面的電流代數(shù)和等于零。第28頁，共31頁。 二、基爾霍夫電壓定律（KVL） 基爾霍夫電壓定律簡稱KVL，反映了電路中的回路上各段電壓之間的相互關(guān)系，。 KVL的基本內(nèi)容是: 在任一時(shí)刻，沿任一回路繞行一周，回路中所有電源電動(dòng)勢（電壓升）的代數(shù)和等于所有

14、電阻電壓降的代數(shù)和，即 應(yīng)用KVL定律時(shí)，先假定繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針或逆時(shí)針，當(dāng)電動(dòng)勢的方向與繞行方向一致時(shí)，因沿回路方向電位升高，故該電動(dòng)勢取正號，反之取負(fù)號; 當(dāng)電阻上的電流方向與回路繞行方向一致時(shí)，因沿回路方向電位降低，故該電阻上的電壓降取正號， 反之取負(fù)號。第29頁，共31頁。 仍對圖 1-23電路列方程。 沿ABEFA回路，有沿BCDEB回路，有沿ABCDEFA回路，有 顯然前兩個(gè)方程相加可以得到第三個(gè)方程，因此，這3個(gè)回路中只有兩個(gè)獨(dú)立可用的電壓方程。 應(yīng)用基爾霍夫電壓定律的結(jié)論：對一個(gè)n條支路、m個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，可以列出（n- m +1）個(gè)獨(dú)立的KCL方程，一般情況下以網(wǎng)孔作為回路列寫即可