電路的作用及基本組成-一、什么是電路？.ppt

1、電路的作用及基本組成,一、什么是電路？,電路是由用電設(shè)備或元器件與供電設(shè)備 （稱為電源）通過導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給 電荷流動(dòng)的通路。,例如電力系統(tǒng)輸送、分配電能的電路：,1.實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與轉(zhuǎn)換,返回,2.實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞和處理(去噪、放大等),例如常見的擴(kuò)音機(jī)電路：,返回,二、電路的組成,1、電路的主要組成,電源：提供電能或電信號(hào)的裝置,負(fù)載：用電設(shè)備消耗電功率,“負(fù)載增加” 負(fù)載消耗電功率增加， 即負(fù)載電流增加。,電源實(shí)際輸出功率取決于負(fù)載。,中間環(huán)節(jié)：輸送和分配電能設(shè)備，即導(dǎo)線、開關(guān)、 轉(zhuǎn)換電路控制及保護(hù)部分等。,總由三部分組成：電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié),例如：手電筒,電源：電池,負(fù)載：小燈

2、泡,中間環(huán)節(jié)：彈簧、開關(guān)等,中間環(huán)節(jié),負(fù)載,信號(hào)源 （電源）,又例如：擴(kuò)音機(jī)電路,2、電路模型,理想導(dǎo)線：既無電阻性，又無電感性、電容性的導(dǎo)線。,電路模型：由理想元件和理想導(dǎo)線組成的電路。 電路模型中每個(gè)理想元件都可用數(shù)學(xué)式子來精確定義，因而可以方便地建立起描述電路模型的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并用數(shù)學(xué)方法分析、計(jì)算電路，從而掌握電路的特性。,例如：手電筒電路的實(shí)際元件有干電池、電珠、開關(guān)和筒體，電路模型如圖所示。,理想元件：在一定條件下對實(shí)際元件加以理想化，僅僅表征實(shí)際元件的主要電磁性質(zhì)，可以用其電流和電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示其性能。,手電筒電路的電路模型,常用理想元件和符號(hào),色環(huán)電阻,電阻排,電位器,電

3、容,極性電容,電路的激勵(lì)和響應(yīng),返回,激勵(lì)：輸入（電能或信號(hào)） 響應(yīng)：輸出（電能或信號(hào)）,激勵(lì)與響應(yīng)以電壓電流的形式表現(xiàn)。 電路中電源和信號(hào)源的電壓或電流稱為 激勵(lì)，它推動(dòng)電路的工作。 由激勵(lì)而在電路中產(chǎn)生的電壓和電流稱 為響應(yīng)。,表示10的冪的標(biāo)準(zhǔn)前綴,電路的基本物理量,1、 電路的基本物理量,電流電路中電荷流動(dòng)量的度量，它表示單位時(shí)間流過電 路中某一截面的凈電荷量。即：i(或 I)=d q/d t 單位：安培（A）,電壓電路中電場強(qiáng)弱的度量，它表示單位正電荷從電 路中一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn),電場力所作的功，即在移動(dòng)過 程中單位正電荷所失去的電位能。即：u(或 U)=dW/dq 單位：伏特（V）,

4、電動(dòng)勢 電源內(nèi)部的電源力通過電源內(nèi)部運(yùn)送電荷的 能力。即：外力驅(qū)動(dòng)正電荷移動(dòng)的本領(lǐng)。單位： 伏特（V）,實(shí)際方向：物理中對電量規(guī)定的方向。,電流I:正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。,電流流過電源時(shí)，是從電源的負(fù)極到正極； 電流流過負(fù)載時(shí)，是從負(fù)載的高電位到低電位。,2、 電流和電壓的實(shí)際方向,電壓U: 從高電位到低電位電位降的方向。,電動(dòng)勢E: 從電源的負(fù)極到電源的正極電位升的方向。,3、 電流和電壓的參考方向,1）問題的提出：電流、電壓既然具有方向性，也就不能單 用數(shù)值來表示，必須同時(shí)標(biāo)定其方向。但在對復(fù)雜電路分析 之前顯然也不能確定其實(shí)際方向。電路如何求解？,電流方向 AB？,電流方向 BA？,如：,2

5、）解決的方法,(1) 在解題前先假設(shè)一個(gè)電流方向，作為參考方向。,(2) 根據(jù)電路的基本定律，列出電壓、電流方程。,(3) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定電流的實(shí)際方向： 若計(jì)算結(jié)果 I3為正 ,則實(shí)際方向與參考方向一致； 若計(jì)算結(jié)果 I3為負(fù),則實(shí)際方向與參考方向相反。,I3,3）參考方向的三種表示,正負(fù)號(hào),下標(biāo)a、b和箭頭都是表示電位降低的方向。,同一電路元件上既有電流參考方向，也有電壓參考方向。作為參考方向，都是人為假設(shè)出來的，兩者之間沒有實(shí)際聯(lián)系。,但是，為了分析的方便，我們在一個(gè)元件上定義兩個(gè)獨(dú)立的參考方向是不合適的。因此，通常我們在分析電路時(shí)采用所謂關(guān)聯(lián)的參考方向(關(guān)聯(lián)正方向）：,即在同一電路元

6、件或電路部分，電壓和電流的參考方向采用一致的方向。否則，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。,4、電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向,注意:,1.分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向。 2.參考方向選定之后，在計(jì)算過程中不能改變。,關(guān)聯(lián)參考方向：電壓與電流的參考方向相同,非關(guān)聯(lián)參考方向：電壓與電流的參考方向相反,關(guān)聯(lián),非關(guān)聯(lián),【例1.2】已知元件A、B的電壓、電流參考方向 如圖所示。試判斷A、B元件的電壓、電流的參考 方向是否關(guān)聯(lián)？,解：A元件的電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)； B元件的電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)。,假設(shè): 與 的正方向一致 （關(guān)聯(lián)）,例,假設(shè): 與 的正方向相反 （非關(guān)聯(lián)）,解,因?yàn)?所以,電源電壓 的參考方

7、向與實(shí)際方向相同。,【例 1.1】,5、電位及其計(jì)算,1)電位的概念,電位是描述電場的一個(gè)標(biāo)量物理量，是一個(gè)相對量，只有 定義了參考點(diǎn)，電位才有意義。電位的單位是伏特。,2)參考點(diǎn)及其參考電位,為了分析方便，在電路中選取一個(gè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，并設(shè)參考 點(diǎn)的電位（參考電位）為 0 伏特。稱為“接地”并用接地符號(hào) 標(biāo)出。,3)電位與電壓的關(guān)系,定義了參考點(diǎn)后，電路中每點(diǎn)都有一個(gè)電位值。兩點(diǎn)之間 的電壓實(shí)際上就是這兩點(diǎn)電位之差，因此，電壓也稱為“電 位差”。,反過來看，某點(diǎn)電位實(shí)際上就是該點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的電壓。,因此，通常我們并不十分強(qiáng)調(diào)電壓與電位之間的差別。,則可得出,從上面的結(jié)果可以看出,a、c、 d

8、點(diǎn)的電位比b點(diǎn)分別高60V、140V、90V。,例,在圖示電路中,若設(shè)為b參考點(diǎn)，即Vb=0,若設(shè)a為參考點(diǎn)，即Va=0 , 則可得出,進(jìn)而有：,由此得出結(jié)論：,電位在電路中的表示法,電位值是相對的，參考點(diǎn)選得不同，電路中其它各 點(diǎn)的電位也將隨之改變。而電壓（兩點(diǎn)電位之差）是絕對的，它不隨參考點(diǎn)的不同而改變。,4)電位的計(jì)算,計(jì)算電路中某點(diǎn)的電位，首先要使該點(diǎn)電位有意義， 因此電位計(jì)算的過程可分兩步進(jìn)行：,（1）在電路中設(shè)定參考點(diǎn),一般選則電壓源的一端、連接支路最多的結(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)。,（2）計(jì)算各點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的電壓,因?yàn)槟滁c(diǎn)的電位就是它到參考點(diǎn)的電壓，因此，電位 的計(jì)算可轉(zhuǎn)化為電壓的計(jì)算。,方法

9、：從該點(diǎn)出發(fā)，逐點(diǎn)推算。,即 Vi =U,已知：Va=12 V, Vb = -10 V , 求：Vc,Vc = Ucb + Ubo,= (Va Vb ) + Vb,= Uab+ Vb,= (12+10) + (-10 ) = 1V,或 Vc = Uca+Uao,= Uba+Va,= (Vb- Va )+Va,= (-10 12 )+12 = 1V,6、電功率和電能量,1)電功率的概念,電功率電路元件消耗電能快慢的度量，它表 示單位時(shí)間內(nèi)電路元件消耗的電場能量。,2)電功率的符號(hào)與單位,電路中用 P 或 p 表示電功率，按照定義: p(或 P )=dW/d t,在關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),3）電功率正負(fù)的

10、意義,設(shè)電路任意兩點(diǎn)間的電壓為 U ,流入此部分電路的電流為 I， U與I正方向關(guān)聯(lián)，則這部分電路消耗的功率為:,在 U、 I 正方向選擇一致的前提下，,“吸收功率” （負(fù)載）,“發(fā)出功率” （電源）,若 P = UI 0,若 P = UI 0,（即U、I 實(shí)際方向一致）,（即U、I 實(shí)際方向相反）,當(dāng) 計(jì)算的 P 0 時(shí), 則說明 U、I 的實(shí)際方向一致，此部分電路消耗電功率，為負(fù)載。,所以，從 P 的 + 或 - 可以區(qū)分器件的性質(zhì)， 或是電源，或是負(fù)載。,結(jié) 論,在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)，如果假設(shè) U、I 正方向一致。,當(dāng)計(jì)算的 P 0 時(shí), 則說明 U、I 的實(shí)際方向相反，此部分電路發(fā)出電功率

11、，為電源。,例,E、IS哪個(gè)是電源？哪個(gè)是負(fù)載？,E： IS 、U 實(shí)際方向相反，（E、IS 實(shí)際方向相同）。,IS : IS 、U 實(shí)際方向相同，是負(fù)載。,是電源。,解：,可判斷：A元件是電源，B元件是負(fù)載。,例,誰產(chǎn)生功率?產(chǎn)生多少功率?,E : IS 、U 實(shí)際方向一致，P0，是負(fù)載。,US = E + IS R =40 + 110 =500，US、IS反向, I S 是電源,產(chǎn)生功率 P=USIS =501=50W,US,消耗功率 P=EIS +RIS2=401+101=50W, 功率守恒,4）電能量,單位 焦耳（J） 功率為1W的用電設(shè)備在1s時(shí)間內(nèi)所消耗的電能量 為1焦耳,工程上常

12、用的電能量單位是千瓦小時(shí)（kWh）俗稱“度”,1度=1kWh=1033600J=3.6106J,流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比，即,可見，當(dāng)電壓U一定時(shí)，電阻R 越大，電流I 越小。則電阻具有阻礙電流增大的性質(zhì)。,電阻的單位:,一、無源元件,理想電路元件及其伏安特性,1、電阻元件及其伏安特性,起阻礙電流作用的元器件稱為電阻。,伏 - 安 特性,由歐姆定律得出：,單位：S,R 稱為電阻，單位：,G 稱為電導(dǎo)，單位：S,電阻元件的伏安特性,線性電阻,非線性電阻,注意：用歐姆定律列方程時(shí)，一定要在 圖中標(biāo)明參考方向。,歐姆定律與U、I正方向的關(guān)系,歐姆定律的幾種表示形式,電阻的功率,電路基礎(chǔ),

13、電容參數(shù)：單位電壓下存儲(chǔ)的電荷,單位：F, F, nF, pF,符號(hào),有極性,無極性,2、電容元件,在外電源作用下，正負(fù)電極上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去電源，電極上的電荷仍可長久地聚集下去，是一種儲(chǔ)存電能的部件。,電容的電流與電壓關(guān)系：,電容是一種儲(chǔ)能元件, 儲(chǔ)存的電場能量為：,電容的儲(chǔ)能：,電路基礎(chǔ),3、電感元件及其伏安特性,電感元件：把金屬導(dǎo)線繞在一骨架上構(gòu)成一實(shí)際電感線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，將產(chǎn)生磁通，是一種抵抗電流變化、儲(chǔ)存磁能的部件。, (t)N (t),電路符號(hào),（單位：H, mH, H）,電感參數(shù)：單位電流產(chǎn)生的磁鏈,3、電感元件,把金屬導(dǎo)線繞在一骨架上構(gòu)成一實(shí)際電感線圈，當(dāng)電流

14、 通過線圈時(shí)，將產(chǎn)生磁通，是一種抵抗電流變化、儲(chǔ)存 磁能的部件。,電感的電流與電壓關(guān)系：,因?yàn)?所以,電感是一種儲(chǔ)能元件, 儲(chǔ)存的磁場能量為：,電感的儲(chǔ)能：,例1-3 AD590是半導(dǎo)體集成兩端感溫電流源，當(dāng)某一固定溫度時(shí)，該器件工作在一定電壓下，將輸出恒定的電流。其溫度與電流的關(guān)系為： 。電路如圖1-11所示，若測溫范圍-55C-150C,問輸出電壓U0的變化范圍是多少？,解：,當(dāng)溫度在-55 C時(shí)，,當(dāng)溫度在150 C時(shí)，,則電壓變換范圍在218.15mV到423.15mV。,1.電壓源：能向負(fù)載提供一個(gè)確定的電壓或給定的時(shí)間函數(shù),二.獨(dú)立電源元件,特點(diǎn)：輸出電 壓不變，其值恒等于電動(dòng)勢。

15、 即 Uab E；,電壓源中的電流由外電路決定。,恒壓源,設(shè): E=10V,當(dāng)R1 R2 同時(shí)接入時(shí)： I=10A,例,電壓源中的電流由外電路決定。,2.電流源：能向負(fù)載提供一個(gè)確定的電流。,特點(diǎn)：輸出電流不變，其值恒等于電 流源電流 IS；,伏 安 特 性,輸出電壓由外電路決定。,恒流源,恒流源兩端電壓由外電路決定,設(shè): IS=1 A,I,E,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原則：Is不能變，E 不能變。,電壓源中的電流 I= IS,恒流源兩端的電壓,恒壓源與恒流源特性比較,Uab的大小、方向均為恒定， 外電路負(fù)載對 Uab 無影響。,I 的大小、方向均為恒定， 外電路負(fù)載對 I 無影

16、響。,輸出電流 I 可變 - I 的大小、方向均 由外電路決定,端電壓Uab 可變 - Uab 的大小、方向 均由外電路決定,例 AD590是半導(dǎo)體集成兩端感溫電流源，當(dāng)某一固定溫度時(shí)，該器件工作在一定電壓下，將輸出恒定的電流。其溫度與電流的關(guān)系為： 。電路如圖1-11所示，若測溫范圍-55C-150C,問輸出電壓U0的變化范圍是多少？,電路基礎(chǔ),解：,當(dāng)溫度在-55 C時(shí)，,當(dāng)溫度在150 C時(shí)，,則電壓變換范圍在218.15mV到423.15mV。,二.受控源（非獨(dú)立源）,定義：電壓或電流的大小和方向不是給定的時(shí)間函數(shù)，而是受電路中某個(gè)地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源，由于控制量的

17、存在，受控源是四端元件。,理想的受控源共有四種，即電壓控制電流源（簡稱VCCS）、電壓控制電壓源（簡稱VCVS）、電流控制電流源（簡稱CCCS）、電流控制電壓源（簡稱CCVS）。,受控源分類,獨(dú)立源和非獨(dú)立源的異同,相同點(diǎn)：兩者性質(zhì)都屬電源，均可向電路提供電壓或電流。,不同點(diǎn)：獨(dú)立電源的電動(dòng)勢或電流是由非電能量提供的，其大小、方向和電路中的電壓、電流無關(guān)；受控源的電動(dòng)勢或輸出電流，受電路中某個(gè)電壓或電流的控制。它不能獨(dú)立存在，其大小、方向由控制量決定。,獨(dú)立源在電路中起“激勵(lì)”作用，在電路中產(chǎn) 生電壓、電流，而受控源是反映電路中某處的電壓或 電流對另一處的電壓或電流的控制關(guān)系，在電路中 不能作

18、為“激勵(lì)”。,電路基礎(chǔ),例,求：電壓 u2,解,（1）有載工作狀態(tài),電源元件接有負(fù)載元件，存在電功率的傳遞，這 種工作狀態(tài)稱為電路的有載工作狀態(tài)。,電路的基本工作狀態(tài),開關(guān)S閉合,有載,開關(guān)S斷開,開路,cd短接,短路,電路的工作狀態(tài)分為有載、開路、短路三種。,（2）額定工作狀態(tài)、額定值,元器件生產(chǎn)廠商根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，規(guī)定元器件正常 運(yùn)行的工作條件稱為額定工作狀態(tài)。,在額定工作狀態(tài)下元器件的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)稱為額 定值。由廠家的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)給出。如：UN、IN、 PN、RN。,例如，某指示燈額定工作狀態(tài)為12V50Hz交流，額 定功率為5W。 說明該燈正常工作應(yīng)接在12V50Hz 交流電源上，此時(shí)，

19、該燈的功率為5W。,額定值就是制造廠根據(jù)設(shè)備具有最高效率與 一定壽命所規(guī)定的最佳使用值。,如：燈泡 220V，40W,用于280V，效率很高，但加至297V， 用1分鐘，相當(dāng)于220V的1小時(shí)的壽命。,PR= U2/R =1102/103 =12.1W,PN=12.5W,又如，電阻的額定值有兩個(gè)：阻值、功率。,電源：(電壓、電流、容量) 負(fù)載： (電壓、電流、功率),有載工作狀態(tài)：,滿載額定工作狀態(tài)。PPN,輕載欠載，PPN,過載超載，PPN，不允許。,【例】已知一直流電源的額定電壓UN=220V,解：,（1）電源的額定電流和電動(dòng)勢,（2）電源帶一個(gè)負(fù)載時(shí)，電源輸出的電流、電壓及輸出功率。,電

20、源處于輕載工作狀態(tài)，電源的利用率低。,（3）電源帶五個(gè)這樣的負(fù)載負(fù)載時(shí)，電源輸出的電流、電壓及輸出功率。,電源處于超載工作狀態(tài)，長時(shí)間運(yùn)行將燒毀電源。,當(dāng)電源開路時(shí)：,輸出電流： I=0,開路電壓：Uoc=E,輸出功率：P=0,注意：開路時(shí)電源電壓降到開路端。,220V!,（3）開路工作狀態(tài),當(dāng)電路中某元件與外部連接斷開時(shí)，電路中將沒有 電流流過該元件，這種工作狀態(tài)稱為開路狀態(tài)。,顯然，開路狀態(tài)的元件電流為0，這時(shí)其兩端電壓 稱為開路電壓，用下標(biāo)OC表示：UOC,當(dāng)電源短路時(shí)：,輸出電壓：U=0,短路電流：Isc=E/Ro,很大！不允許！,輸出功率：P=0,（4）短路工作狀態(tài),當(dāng)電路中某元件的

21、外接端用導(dǎo)線直接相連時(shí)，元 件兩端將成等電位，無電壓，這種工作狀態(tài)稱為 短路狀態(tài)。（Short Circuit）,顯然，短路狀態(tài)的元件電壓為0，這時(shí)流過它電流稱為短路電流,用下標(biāo)SC表示：ISC,短路通常是一種事故，應(yīng)避免發(fā)生。,基爾霍夫定律 又稱克希荷夫定律,基爾霍夫（Kirchhofs Law）定律從物質(zhì)不滅和能量守恒出發(fā)，描述了電路中各部分電壓或各部分電流間的關(guān)系,其中包括基爾霍夫電流和基爾霍夫電壓兩個(gè)定律。,這是來自于元件連接方式對各元件電壓、電流值的約束,電路中 各元件 電壓、 電流值,受元件連接方式的約束,受元件性質(zhì)的約束,由基爾霍夫定律描敘,由元件的端電壓與流過電流 的關(guān)系定律（

22、伏安特性）描敘 如電阻元件的歐姆定律等,這就是電路的基本規(guī)律，是我們分析電路 的重要依據(jù)。,ab、acdb、aefb （共3條）,a、 b (共2個(gè)）,abdca、 eabfe、eacdbfe （共3 個(gè)）,支路：,節(jié)點(diǎn)：,回路：,（一）名詞注釋：,abdca、 eabfe （共2 個(gè)）,網(wǎng)孔：,支路：ab、ad、 . （共6條）,回路：abda、 bcdb、 . （共7 個(gè)）,節(jié)點(diǎn)：a、 b、 . (共4個(gè)）,例,(二) 基爾霍夫電流定律,對任何節(jié)點(diǎn)，在任一瞬間，流入節(jié)點(diǎn)的電流等于由節(jié)點(diǎn)流出的電流。或者說，在任一瞬間，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和為 0。,電流定律的依據(jù)：電流的連續(xù)性，電荷守恒。,

23、 I =0,即：,例,或：,電流定律還可以擴(kuò)展到電路的任意封閉面。,I1+I2=I3,I=0 ！,基氏電流定律的擴(kuò)展,I=?,(三) 基爾霍夫電壓定律,對電路中的任一回路，沿任意循行方向繞一周，其電位升等于電位降。或，電壓的代數(shù)和為 0。,即：, E = IR,電位升 電位降,基氏電壓定律的依據(jù)：電位的單值性，能量守恒。,注意：上公式中U、E、I的正負(fù)由它與回路的循行方向 是否一致決定。,有 I1R1+E2=E1+I2R2,或 -E2+I2R2-I1R1+E1=0,例：回路e-a-c-d-b-f-e,基爾霍夫電壓定律擴(kuò)展到開口電路：,將開口電路假想接一個(gè)無窮大的電阻，組成閉合電路，設(shè)無窮大電阻兩端的電壓為 。,【例 1.8】,（四）關(guān)于獨(dú)立方程式的討論,問題的提出：在用基氏電流定律或電壓定律列方程時(shí)，究竟可以列出多少個(gè)獨(dú)立的方程？,獨(dú)立方程只有 2 個(gè),設(shè)：電路中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，B個(gè)支路,N=2