電路基礎(chǔ)（微課版）課件 第1章 電路的基本概念

第1章

電路的基本概念第1章電路的基本概念本章主要介紹電路的基本概念、基本物理量以及基本定律。電路的基本概念主要包括電路的組成和分類、理想電路元件以及電路模型等。電路的基本物理量包括電流、電壓、電位、電功和電功率等。電路基本定律主要包括歐姆定律和基爾霍夫定律，它們是電路分析計(jì)算的基本依據(jù)。2第1章電路的基本概念1.1電路和電路模型1.2電路的基本物理量1.3電路基本定律1.4電壓源與電流源31.1電路和電路模型根據(jù)一定的任務(wù)，把所需的器件用導(dǎo)線相連即組成電路。實(shí)際的器件往往比較復(fù)雜，為了便于分析，常使用理想化器件來對實(shí)際器件進(jìn)行抽象。用理想化導(dǎo)線將理想化器件連接起來就構(gòu)成了電路模型。電力電路電子電路4對電能進(jìn)行傳輸、轉(zhuǎn)換和分配的電路稱為電力電路。電力電路的特點(diǎn)是電路中的電流、電壓和功率都比較大。一種典型的電力電路如圖所示。圖中發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能在遠(yuǎn)距離傳輸之前，先經(jīng)過升壓變壓器將電壓提高，以便降低傳輸過程中的線路損耗。在用電側(cè)，先經(jīng)過降壓變壓器將電壓降低后再提供給各類用電設(shè)備（如電燈、電爐、電動機(jī)等）使用。1.1電路和電路模型5對微小的電信號進(jìn)行傳遞、變換、存儲和處理的電路稱為電子電路。電子電路的特點(diǎn)是電路中的電流、電壓和功率都非常小。一種典型的電子電路如圖所示。圖中話筒是信號源，它將外界的聲音轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l信號（微弱的電信號）。音頻處理模塊的作用一般是對音頻信號進(jìn)行濾波、降噪、均衡、壓縮、美化等處理，使得音頻信號質(zhì)量得到提升，后經(jīng)過功率放大器將微弱的音頻信號放大后推動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。1.1電路和電路模型6實(shí)際電路中常見的元器件有：電阻器、電容器、電感線圈、導(dǎo)線、開關(guān)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、二極管、三極管、運(yùn)算放大器等，這些電路元器件的電磁特性往往多元而復(fù)雜，并且隨著外部條件的改變而改變。為了便于分析研究，常常在一定條件下將實(shí)際元器件理想化，只關(guān)注其主要的電磁特性，而忽略其次要因素，把它們近似的看作理想電路元件，簡稱電路元件。1.1電路和電路模型7理想電路元件是用數(shù)學(xué)關(guān)系式嚴(yán)格定義的假想元件。每一種理想元件都可以表示實(shí)際元器件的一種主要電磁特性。理想電路元件的數(shù)學(xué)關(guān)系反映了實(shí)際電路元器件的基本物理規(guī)律。電路元件用統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號表示，下圖所示的是五種常見的電路元件及其圖形符號。1.1電路和電路模型（a）理想電阻（b）理想電容（c）理想電感（d）理想電壓源（e）理想電流源8由一個(gè)或若干個(gè)理想電路元件經(jīng)理想導(dǎo)線連接起來就構(gòu)成了電路模型。電路理論是建立在電路模型上的，其研究討論的對象是電路模型而不是實(shí)際電路。下圖是一個(gè)簡單的手電筒電路及其電路模型。1.1電路和電路模型91.2.1電流1.2電路的基本物理量電荷的有規(guī)則的定向移動形成電流。若電流隨時(shí)間而變化，稱為交流電流（AC），用i

表示。若電流不隨時(shí)間變化，則稱為直流電流（DC），用大寫字母I

表示。電流的大小由電流強(qiáng)度來反映。把單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流強(qiáng)度，簡稱電流，對于交流電流有：對于直流電流，相應(yīng)的有：101.2.1電流1.2電路的基本物理量當(dāng)電量

q（Q）的單位采用國際制單位庫侖（C）、時(shí)間

t的單位采用國際制單位秒（s）時(shí)，則電流

i（I）的單位相應(yīng)就是國際制單位安培（A）。電流還有較小的單位—毫安（mA）、微安（μA）和納安（nA），它們之間的換算關(guān)系如下所示。111.2.1電流1.2電路的基本物理量習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動的方向?yàn)殡娏鲗?shí)際方向，但在實(shí)際電路分析過程中，對于較為復(fù)雜的電路，往往難于事先判斷出某個(gè)元件或者某條支路上的電流方向。此外，對于交流電流，其大小和方向都隨時(shí)間而變化，無法用一個(gè)固定的方向來表示其實(shí)際方向。為了解決這個(gè)問題，通常先任意假設(shè)一個(gè)方向?yàn)殡娏鞯姆较?，并使用箭頭在電路圖中進(jìn)行標(biāo)注，稱為電流的參考方向，如下圖所示。電流的參考方向是任意指定的。當(dāng)電流的實(shí)際方向與參考方向一致時(shí)，電流為正值；反之，當(dāng)電流的實(shí)際方向與參考方向相反時(shí)，電流為負(fù)值。12例題

指出下圖中各個(gè)元件上的電流實(shí)際方向。1.2電路的基本物理量（a）電流值為正，則電流實(shí)際方向與參考方向一致，從左向右。（b）電流值為負(fù)，則電流實(shí)際方向與參考方向相反，從右向左。（c）圖中只給出了電流值，但沒有給出電流的參考方向，故無法判斷電流的實(shí)際方向。（d）圖中只給出了電流的參考方向，但沒有給出電流值，故無法判斷電流的實(shí)際方向。131.2.2電壓1.2電路的基本物理量在電路中，電荷能定向移動是因?yàn)殡娐分写嬖陔妶觥Ｔ陔妶隽Φ淖饔孟?，單位正電荷從電路中的a點(diǎn)運(yùn)動到b點(diǎn)，電場對電荷所做的功，稱為從a點(diǎn)到b的電壓，可以表示為：隨時(shí)間變化的電壓叫交流電壓，用小寫字母u

表示。不隨時(shí)間變化的電壓叫直流電壓用大寫字母U

表示。與直流電流的定義類似，直流電壓的定義可簡化為：141.2.2電壓1.2電路的基本物理量當(dāng)電量的單位采用國際制單位庫侖（C）、電功的單位采用國際制單位焦耳（J）時(shí)，則電壓的單位相應(yīng)就是國際制單位伏特（V）。電壓常用的單位還有毫伏（mV）、微伏（μV）和千伏（kV），它們之間的換算關(guān)系如下所示。151.2.2電壓1.2電路的基本物理量電壓也是有方向的，習(xí)慣上規(guī)定電場力對正電荷做正功的方向?yàn)殡妷旱膶?shí)際方向。與電流類似，在實(shí)際電路分析中，可任意選定一個(gè)方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较颉Ｔ陔娐穲D中，可用箭頭、雙下標(biāo)或者正負(fù)極性標(biāo)出電壓的參考方向，如下圖所示。當(dāng)電壓參考方向與電壓的實(shí)際方向一致時(shí)，電壓值為正；當(dāng)電壓參考方向與電壓的實(shí)際方向相反時(shí)，電壓值為負(fù)。16例題指出下圖中各個(gè)元件上的電壓實(shí)際極性。1.2電路的基本物理量（a）電壓值為正，則電壓的實(shí)際極性與參考極性一致，左端為“+”，右端為“-”。（b）電壓值為負(fù)，則電壓的實(shí)際極性與參考極性相反，右端為“+”，左端為“-”。（c）電壓值為正，則電壓的實(shí)際極性與參考極性一致，右端為“+”，左端為“-”。（d）圖中只給出了電壓值，但沒有給出電壓的參考極性，故無法判斷電壓的實(shí)際極性。171.2.2電壓1.2電路的基本物理量在給定的電路圖中，若選取一點(diǎn)

o作為參考點(diǎn)，則由電路中的某點(diǎn)

n到參考點(diǎn)的電壓就稱為

n點(diǎn)的電位。電位參考點(diǎn)可以任意選取，工程應(yīng)用中常選擇大地、設(shè)備外殼或接地點(diǎn)作為參考點(diǎn)。參考點(diǎn)的電位為零。電路的參考點(diǎn)一旦選定，電路中其余各點(diǎn)的電位也隨之得到確定。若某點(diǎn)電位為正，說明正電荷從該點(diǎn)移動到參考點(diǎn)時(shí)電場力對電荷做正功，習(xí)慣上說該點(diǎn)的電位高于參考點(diǎn)的電位；若某點(diǎn)電位為負(fù)，說明正電荷從該點(diǎn)移動到參考點(diǎn)時(shí)電場力對電荷做負(fù)功，習(xí)慣上說該點(diǎn)電位低于參考點(diǎn)的電位。18在電路分析和計(jì)算時(shí)，電流和電壓的參考方向是任意假設(shè)的。為了方便起見，元件上的電流與電壓常取“關(guān)聯(lián)參考方向”。若電流的參考方向由電壓的正極流入，經(jīng)過元件由電壓的負(fù)極流出時(shí)，即電流與電壓參考方向一致，這樣假設(shè)的參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向。如下圖（a）所示。否則，為非關(guān)聯(lián)方向，如下圖（b）所示。1.2電路的基本物理量191.2.3電功和電功率1.2電路的基本物理量電流經(jīng)過電路時(shí)，電場力對運(yùn)動電荷所做的功稱為電功。若某個(gè)元件的電流與電壓的實(shí)際方向相同，正電荷由高電位端移向低電位端，電場力做正功，該元件吸收電能。相反，正電荷由低電位端移向高電位端，電場力做負(fù)功，該元件輸出電能。電功的表達(dá)式為：相應(yīng)的，在直流的情況下有：201.2.3電功和電功率1.2電路的基本物理量當(dāng)電壓的單位采用國際制單位伏特（V）、電流的單位采用國際制單位安培（A）、時(shí)間t的單位采用國際制單位秒（s）時(shí)，則電功的單位相應(yīng)就是國際制單位焦耳（J）。在工程實(shí)際中，常常采用千瓦時(shí)（kWh）作為電功的計(jì)量單位，它等于1千瓦功率的用電設(shè)備在1個(gè)小時(shí)內(nèi)所吸收的電功，簡稱1度電，即：211.2.3電功和電功率1.2電路的基本物理量單位時(shí)間內(nèi)電場力所做的功（即做功的速率）為電功率，用字母

p（直流情況下用P）表示。電功率的表達(dá)式為：相應(yīng)的，在直流的情況下有：22例題

求圖中各個(gè)元件的功率。1.2電路的基本物理量23（a）電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向。（b）電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向。（c）電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向。（d）電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向。歐姆定律基爾霍夫電流定律基爾霍夫電壓定律稱為電路的三大基本定律。電路基本定律是電路分析的基礎(chǔ)。1.3電路基本定律241.3.1歐姆定律1.3電路基本定律歐姆定律是說明導(dǎo)體伏安特性的重要定律，它可以表述為：當(dāng)導(dǎo)體溫度不變時(shí)，導(dǎo)體中的電流

i和導(dǎo)體兩端的電壓

u成正比。當(dāng)導(dǎo)體的電流和電壓取關(guān)聯(lián)方向時(shí)，歐姆定律可以表示為：25當(dāng)導(dǎo)體的電流和電壓取關(guān)聯(lián)方向時(shí)，歐姆定律可以表示為：1.3.1歐姆定律1.3電路基本定律在國際單位制中，電阻的單位是歐姆，以符號“Ω”表示，常用的單位還有千歐（kΩ）和兆歐（MΩ）。電阻的大小反映了導(dǎo)體對電流的阻礙作用。歐姆定律可以寫成另一種形式：26式中G稱為導(dǎo)體的電導(dǎo)，它反映了導(dǎo)體對電流的導(dǎo)通作用。電導(dǎo)的單位為西門子（S），很顯然電導(dǎo)與電阻互為倒數(shù)，即：1.3.1歐姆定律1.3電路基本定律電阻元件的電阻值可以是線性的或非線性的，時(shí)變的或非時(shí)變的，分別如下圖所示：27線性非時(shí)變非線性非時(shí)變線性時(shí)變非線性時(shí)變1.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律描述電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的名詞主要有支路、節(jié)點(diǎn)、回路和網(wǎng)孔。如下圖所示：28支路：流過同一個(gè)電流沒有分支的一段電路。一條支路由一個(gè)或若干個(gè)二端元件串聯(lián)而構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)：電路中3條或3條以上支路的匯集連接點(diǎn)，電路圖中的節(jié)點(diǎn)通常用粗圓點(diǎn)標(biāo)注出來?；芈罚弘娐分腥我婚]合的路徑。網(wǎng)孔：平面電路中，內(nèi)部不含任何支路的回路。1.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律基爾霍夫電流定律（Kirchhoff’sCurrentLaw，KCL）又稱為基爾霍夫第一定律，表述為：對于任意集中參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，任一節(jié)點(diǎn)的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零。因?yàn)樵摱墒轻槍﹄娐返墓?jié)點(diǎn)的，所以又稱為節(jié)點(diǎn)定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：29基爾霍夫電流定律也可以表述為：對于任意集中參數(shù)電路的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻流入該節(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和。1.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律如果規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)的電流取正，流出節(jié)點(diǎn)的電流取負(fù)，下圖中節(jié)點(diǎn)b（注意把b和c看成是同一個(gè)點(diǎn)）的基爾霍夫電流定律方程為：301.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律基爾霍夫電流定律不但適用于電路中的節(jié)點(diǎn)，而且還可以推廣運(yùn)用到電路中任一閉合面（廣義節(jié)點(diǎn)）。下圖中虛線框內(nèi)部分作為一個(gè)整體，可以看作一個(gè)廣義節(jié)點(diǎn)，該廣義節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的電流滿足基爾霍夫定律，即有：或31

1.3電路基本定律321.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff’sVoltageLaw，KVL）又稱為基爾霍夫第二定律，表述為：對于任意集中參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，任一回路所有電壓的代數(shù)和恒等于零。因?yàn)樵摱墒轻槍﹄娐返幕芈返模杂址Q為回路定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：33基爾霍夫電壓定律也可以表述為：對于任意集中參數(shù)電路的任一回路中，各元件上電壓降的總和等于電壓升的總和。1.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律在利用基爾霍夫電壓定律構(gòu)建方程時(shí)，為了方便起見，一般先要指定回路的繞行方向。當(dāng)元件兩端的電壓參考方向與回路繞行方向相同時(shí)，在求和式中對應(yīng)的電壓前取正號；當(dāng)元件兩端的電壓參考方向與回路繞行方向相反時(shí)，在求和式中對應(yīng)的電壓前取負(fù)號。341.3.2基爾霍夫定律1.3電路基本定律基爾霍夫電壓定律不但適用于電路中的回路，而且還可以推廣運(yùn)用于回路的部分電路（廣義回路）。下圖中，對于廣義回路運(yùn)用基爾霍夫電壓定律可得：35

1.3電路基本定律361.4.1理想電壓源1.4電壓源與電流源有些實(shí)際電源在工作時(shí)能向外部提供穩(wěn)定的電壓，如干電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等，這類電源可抽象為理想電壓源。理想電壓源是一個(gè)二端理想元件，其輸出電壓的大小與負(fù)載的大小無關(guān)，是一個(gè)恒定值或是一個(gè)僅與時(shí)間有關(guān)的值。本書中討論的理想電壓源輸出恒定電壓，不隨時(shí)間變化。理想電壓源的元件符號和伏安特性曲線如下圖所示：371.4.2理想電流源1.4電壓源