電工與電子技術(shù)課件 【ch01】電路概念和電路定律

第一章電工與電子技術(shù)電路概念和電路定律01電路和電路模型電路和電路模型01實(shí)際電路模型日常生活中常接觸到的電器元件或設(shè)備包含各種電源、電阻、電感、電容、二極管、晶體管、變壓器、集成電路、電動(dòng)機(jī)等，將這些電器元件或設(shè)備互相連接形成電流的流通路徑，即構(gòu)成實(shí)際電路。實(shí)際電路存在于生活的各個(gè)領(lǐng)域。電路和電路模型01實(shí)際電路模型實(shí)際電路根據(jù)組成可以分為三個(gè)基本部分：電源(提供電能和電信號(hào)的電路器件)、負(fù)載(使用電能和電信號(hào)的電路器件)、中間環(huán)節(jié)(連接導(dǎo)線、控制開(kāi)關(guān)等)。電路和電路模型02電路模型實(shí)際電路在進(jìn)行工作時(shí)，本質(zhì)是在電路中進(jìn)行電能與其他形式的能量之間的相互轉(zhuǎn)換，電壓對(duì)應(yīng)電場(chǎng)，電流對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)。電路在工作時(shí)，存在著電場(chǎng)和磁場(chǎng)，反映電場(chǎng)儲(chǔ)能性質(zhì)的元件為電容，參數(shù)為電容值；反應(yīng)磁場(chǎng)儲(chǔ)能性質(zhì)的元件為電感，參數(shù)為電感值，電阻在電路中是反映能量損耗的電路參數(shù)。電路和電路模型02電路模型研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象是電路理論的主要任務(wù)，用電壓(電荷)、電流(磁通)等物理量來(lái)描述其中的過(guò)程。電路和電路模型02電路模型以手電筒電路為例，它的實(shí)際電路如圖1-1-1(a)所示，電路模型如圖1-1-1(b)所示。02電路的基本變量電路的基本變量01電流習(xí)慣上把正電荷定向移動(dòng)的方向規(guī)定為電流的實(shí)際方向。電流的大小用電流強(qiáng)度來(lái)描述。電流強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱(chēng)電流)指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量，用字母i或者I來(lái)表示，單位為A(安培)。電路的基本變量01電流大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流稱(chēng)為直流電流，簡(jiǎn)稱(chēng)直流。直流電流大小和方向都隨時(shí)間變化而變化的電流稱(chēng)為交流電流。交流電流電路的基本變量01電流圖1-2-1表示電路的一部分，其中矩形方框用來(lái)泛指二端元件。電路的基本變量02電壓電磁學(xué)中已經(jīng)知道電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力的作用，當(dāng)把電荷從電場(chǎng)中的一點(diǎn)移到另外一點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)力會(huì)對(duì)電荷做功。電荷在電場(chǎng)中有電勢(shì)能，恒定電場(chǎng)中的每一個(gè)點(diǎn)都有電位，電場(chǎng)中任意兩點(diǎn)間的電位差即電壓。電路的基本變量02電壓例如，電場(chǎng)中某兩點(diǎn)a、b間的電壓為單位正電荷由高電位點(diǎn)a移至低電位點(diǎn)b時(shí)電場(chǎng)力所做的功，用u或者U來(lái)表示。電路的基本變量02電壓若電壓的大小或方向不隨時(shí)間變化而變化，則這樣的電壓稱(chēng)為直流電壓；直流電壓若電壓的大小或方向隨時(shí)間的變化而變化，這樣的電壓稱(chēng)為交流電壓。交流電壓電路的基本變量02電壓電壓的真實(shí)極性在計(jì)算之前也很難確定，所以與電流的參考方向選取方法類(lèi)似，可以先定義電壓的參考極性。在計(jì)算前，將自定義的高電位端標(biāo)記為“+”,低電位端標(biāo)記為“-”,如圖1-2-2所示。電路的基本變量03關(guān)聯(lián)參考方向電壓和電流的參考方向在電路分析計(jì)算中至關(guān)重要。在對(duì)任意電路進(jìn)行分析計(jì)算之前，都應(yīng)該先假設(shè)電壓和電流的參考方向，否則分析無(wú)法進(jìn)行。電路的基本變量03關(guān)聯(lián)參考方向電路的基本變量04功率和電能在電路的分析和計(jì)算中，電功率和電能也是非常重要的兩個(gè)物理量。在電路的工作狀態(tài)下總會(huì)伴隨著電能和其他形式的能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。電氣設(shè)備、電路元件在工作時(shí)都會(huì)對(duì)功率有所限制，即要考慮設(shè)備在工作時(shí)是否工作在額定值下，過(guò)載會(huì)使設(shè)備損壞，欠載會(huì)使設(shè)備不能正常工作。電路的基本變量04功率和電能當(dāng)正電荷從電壓極性“+”端移動(dòng)到電壓極性“-”端時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)電荷做正功，電路吸收能量；當(dāng)正電荷從電壓極性“-”端移動(dòng)到電壓極性“+”端時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)電荷做負(fù)功，電路釋放能量。電路的基本變量04功率和電能電路的基本變量04功率和電能當(dāng)電壓和電流的單位為伏特(V)和安培(A)時(shí)，功率的單位為瓦特(W)。電路的基本變量05電路元件電路元件是組成電路的基本單元。電路元件可以通過(guò)其端子與外部電路相連，電路元件的特性通過(guò)與端子相關(guān)的電路物理量來(lái)進(jìn)行描述。電路元件按與外部連接的端子數(shù)目可以分為二端元件、三端元件、四端元件等。分類(lèi)電路的基本變量05電路元件12電阻和電導(dǎo)設(shè)元件兩端的電壓為u,流過(guò)的電流為i,歐姆定律表示為：u(t)=Ri(t)電源當(dāng)電阻流過(guò)電流時(shí)，電阻會(huì)消耗能量，則電路中必然會(huì)有提供能量的元件，如電池、發(fā)電機(jī)、信號(hào)源等。03基爾霍夫定律基爾霍夫定律01基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律(KCL)指出：“在集總參數(shù)電路中，在任何時(shí)刻，對(duì)于任一結(jié)點(diǎn)，所有流入(或流出)該結(jié)點(diǎn)的支路電流的代數(shù)和恒為零。"用數(shù)學(xué)形式表示為：基爾霍夫定律01基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律(KVL)指出：“在集總參數(shù)電路中，任意時(shí)刻，沿著任一回路，所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零”。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：基爾霍夫定律01基爾霍夫電壓定律KCL描述了電路中各支路電流之間的關(guān)系，KVL描述了電路中各支路電壓之間的關(guān)系，這兩個(gè)定律僅與元件的相互連接有關(guān)，而與元件的性質(zhì)并無(wú)關(guān)系。無(wú)論元件的性質(zhì)是時(shí)變?cè)€是時(shí)不變?cè)?，線性元件還是非線性元件，基爾霍夫定律總是成立的。04電阻的連接電阻的連接電阻的串聯(lián)即電阻首尾相連，流過(guò)同一個(gè)電流。(1)電阻的串聯(lián)電阻的連接電阻的并聯(lián)即各個(gè)電阻的首相連、尾相連，連成一排，有共同的電壓。(2)電阻的并聯(lián)電阻的連接在同一個(gè)電路中，電阻既有串聯(lián)又有并聯(lián)，稱(chēng)為混聯(lián)電路。(3)電阻的混聯(lián)05電路的等效變換電路的等效變換01電壓源的連接電路含有多個(gè)獨(dú)立源時(shí)，要盡可能將獨(dú)立源合并，合并后不能改變未合并部分的電壓和電流。（1）電壓源與電壓源串聯(lián)電路的等效變換01電壓源的連接電壓源的并聯(lián)是受條件限制的，電壓源必須值相同且極性相同時(shí)，才能并聯(lián)連接，否則將不能滿足KVL。（2）電壓源與電壓源并聯(lián)與電壓源并聯(lián)的元件(如電流源和電阻)不會(huì)改變理想電壓源的輸出電壓U,所以對(duì)外電路而言，與電壓源并聯(lián)的元件即可視為多余元件，可以等效變換為電壓源。（3）電壓源與電流源(或電阻)并聯(lián)電路的等效變換01電壓源的連接兩個(gè)電流源并聯(lián)時(shí)，如圖1-5-3(a)所示，可以等效變換為如圖1-5-3(b)所示的一個(gè)電流源，等效條件是：is=is1+is2（4）電流源與電流源并聯(lián)電流源的串聯(lián)是受條件限制的，電流源必須值相同且方向相同時(shí)，才能串聯(lián)連接，否則不滿足KCL。（5）電流源與電流源串聯(lián)電路的等效變換01電壓源的連接與電流源串聯(lián)的元件(如電壓源和電阻)不會(huì)改變理想電流源的輸出電流I,所以對(duì)外電路而言，與電流源串聯(lián)的元件即可視為多余元件