電路的模型與基本概念(一)

1、電路基礎知識（一）電路基礎知識（一）一、教學內容一、教學內容: 1.1 1.1 電路及其模型電路及其模型 1.2 1.2 電路基本元電路基本元 1.3 1.3 歐姆定律歐姆定律二、教學要求：二、教學要求： 1 1、理解電路、電路模型；、理解電路、電路模型； 2 2、熟練掌握電流、電壓、電位及參考方向、熟練掌握電流、電壓、電位及參考方向; ;歐姆定律的應用歐姆定律的應用三、重點與難點：三、重點與難點： 1 1、熟練掌握電流、電壓、電位及參考方向；歐姆定律的應用、熟練掌握電流、電壓、電位及參考方向；歐姆定律的應用1.1.1 1.1.1 電路及其物理量電路及其物理量 電路的概念電路是由用電設備或元器

2、件（稱為負負載載）與供電設備（稱為電源電源）通過導線導線連接而構成的提供給電電荷流動的通路路。電電源源負負載載電路的組成電路的組成電路的分類（按工作電流分）如果電路工作時其中電流的大小和方向不隨時間變化，稱為直流電路直流電路；手電筒電路手電筒電路 燈泡燈泡10BASE-T wall plate導線導線電池電池開關開關電池：電源，發(fā)出電能電池：電源，發(fā)出電能( (化學能化學能電能電能););燈泡：負載，消耗電能燈泡：負載，消耗電能( (電能電能光能和熱能光能和熱能) )；電源和負載由導線和開關連接成一個閉合回路。電源和負載由導線和開關連接成一個閉合回路。電路的分類（按工作電流分） 如果電路工作時

3、其中電流是隨時間按正弦規(guī)律變化的交流電流時，稱為正弦交流電路正弦交流電路； 放放大大器器 電源電源（信號源）（信號源）中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié) 負載負載 擴音機電路擴音機電路 揚聲器揚聲器話筒話筒話筒將語音信號轉換為電信號，經(jīng)過話筒將語音信號轉換為電信號，經(jīng)過放大器放大，再由喇叭將電信號轉換放大器放大，再由喇叭將電信號轉換為語音信號。為語音信號。1.1.21.1.2電路的功電路的功能能電路的分類（按功能分）電路的分類（按功能分） 一是進行電能的傳輸和轉換（如電力系一是進行電能的傳輸和轉換（如電力系統(tǒng)），這類電路主要關注的是統(tǒng)），這類電路主要關注的是能量傳輸能量傳輸和和轉換轉換效率效率。二是進行信號的傳

4、遞和處理（如擴音器、二是進行信號的傳遞和處理（如擴音器、收音機等），這類電路主要關注信號傳輸和處收音機等），這類電路主要關注信號傳輸和處理質量，如保真度。理質量，如保真度。電路由三部分組成：電路由三部分組成：電源電源 + 中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié) + 負載負載1.1.3 1.1.3 電路的作用電路的作用z電路的作用就是電路的作用就是傳遞傳遞和和處理處理各種電信號。各種電信號。z信號信號通常是時間的函數(shù)。通常是時間的函數(shù)。z信號的分類：周期信號、非周期信號、模擬信號、信號的分類：周期信號、非周期信號、模擬信號、數(shù)字信號和隨機信號。數(shù)字信號和隨機信號。1.1.4 模擬電路電路和數(shù)字電路電路 電子電路分為兩

5、大類：一類是模擬電路，一類電子電路分為兩大類：一類是模擬電路，一類是數(shù)字電路。是數(shù)字電路。 模擬電路研究的是模擬量，數(shù)字電路研究的是模擬電路研究的是模擬量，數(shù)字電路研究的是數(shù)字量。數(shù)字量。 模擬量具有模擬量具有連續(xù)連續(xù)的值，數(shù)字量具有的值，數(shù)字量具有離散離散的值。的值。 電子電路中的信號分為兩大類：一類是模擬電子電路中的信號分為兩大類：一類是模擬信號，指在時間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號，信號，指在時間和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號，如模擬話音、溫度、壓力等一類物理量的信號。如模擬話音、溫度、壓力等一類物理量的信號。工作在模擬信號下的電子電路稱為工作在模擬信號下的電子電路稱為模擬電路模擬電路。tV(

6、t) 在工程上，為了便于分析，在工程上，為了便于分析，常用常用傳感器傳感器將模擬量轉換為電流、將模擬量轉換為電流、電壓等電量，再進行分析。電壓等電量，再進行分析。2) 模擬電子系統(tǒng) 模擬電子電路處理的是模擬信號，擴音系統(tǒng)是一個典型模擬電子電路處理的是模擬信號，擴音系統(tǒng)是一個典型的模擬電子系統(tǒng)。的模擬電子系統(tǒng)。線性放大器線性放大器原始聲音原始聲音麥克風麥克風音頻信號音頻信號放大的音頻信號放大的音頻信號揚聲器揚聲器還原的聲音還原的聲音使用數(shù)字方法和模擬方法的系統(tǒng) 光盤播放器是一個同時使用數(shù)字電路和模擬電路的系統(tǒng)光盤播放器是一個同時使用數(shù)字電路和模擬電路的系統(tǒng)。3) 電路模型電路模型電路模型：由由理

7、想理想元件及其組合代表實際電路元件元件及其組合代表實際電路元件，與實際電路具有基本相同的電磁性質與實際電路具有基本相同的電磁性質，稱其為電路模型稱其為電路模型。手電筒電路及其電路模型手電筒電路及其電路模型 燈泡燈泡10BASE-T wall plate導線導線電池電池開關開關實際電路實際電路燈泡燈泡R導線導線電池電池開關開關SRSUS電路模型電路模型1.2 1.2 電路基本概念電路基本概念一、電路中的主要物理量一、電路中的主要物理量 主要有電壓、電流、電荷、磁鏈等。在線性電路分析中主要有電壓、電流、電荷、磁鏈等。在線性電路分析中常用電流、電壓、電位等。常用電流、電壓、電位等。1. 電流電流 (

8、current)：帶電質點的運動形成電流。：帶電質點的運動形成電流。電流的大小用電流的大小用電流強度電流強度表示：單位時間內通過導體某表示：單位時間內通過導體某截面的電荷量。截面的電荷量。單位：單位：A (安安) (Ampere，安培，安培)注意：電流實際指注意：電流實際指“電流強度電流強度”，而不是，而不是“電流電流”dtdqi 當電流當電流i的大小和方向均不變時，稱為的大小和方向均不變時，稱為直流電流直流電流，簡稱為直流（簡稱為直流（DC），常用大寫的），常用大寫的I表示。表示。隨時間作周期性變動且平均值為零的電流稱為隨時間作周期性變動且平均值為零的電流稱為交流交流，簡稱為交流（簡稱為交流

9、（AC），常用小寫），常用小寫i表示。表示。tQI 當數(shù)值過大或過小時，常用十進制的倍數(shù)表示。當數(shù)值過大或過小時，常用十進制的倍數(shù)表示。SI制中，一些常用的十進制倍數(shù)的表示法：制中，一些常用的十進制倍數(shù)的表示法：符號符號 T G M k c m n p中文中文 太太 吉吉 兆兆 千千 厘厘 毫毫 微微 納納 皮皮數(shù)量數(shù)量 1012 109 106 103 102 103 106 109 1012* *據(jù)此，電流的表達單位有毫安（據(jù)此，電流的表達單位有毫安（mAmA），微安等。），微安等。2 2、電壓、電位及其參考方向、電壓、電位及其參考方向 電壓電壓是用來描述電場力做功的物理量，電路中是用來描

10、述電場力做功的物理量，電路中a a、b b兩點兩點之間的電壓之間的電壓uabab在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷由在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷由a a點點移動到移動到b b點所做的功，即點所做的功，即dqdwuab如果電壓不隨時間變化，即為常數(shù)，則這種電壓稱為如果電壓不隨時間變化，即為常數(shù)，則這種電壓稱為直流電壓（直流電壓（Uab）。）。電壓也是有方向的，它的實際方向習慣上規(guī)定為電能減少電壓也是有方向的，它的實際方向習慣上規(guī)定為電能減少的方向，即的方向，即電位降低（從高電位點到低電位點）的方向電位降低（從高電位點到低電位點）的方向。dqdwbaabVVQWU3. 電位電位：電路中為分析方便，常

11、在電路中選某一點為參考：電路中為分析方便，常在電路中選某一點為參考點，把任一點到參考點的電壓稱為該點的電位。點，把任一點到參考點的電壓稱為該點的電位。參考點參考點的電位定為的電位定為零零，所以，參考點也稱為零電位點。，所以，參考點也稱為零電位點。電位可用電位可用 表示，單位與電壓相同，也是表示，單位與電壓相同，也是V(伏伏)。abcd設設c點為電位參考點，則點為電位參考點，則 c=0 a=Uac， b=Ubc， d=Udc兩點間電壓與電位的關系：兩點間電壓與電位的關系：abcd仍設仍設c點為電位參考點，點為電位參考點， c=0Uac = a ， Udc = dUad= Uac Udc= a d

12、前例前例結論結論：電路中任意兩點間的電壓等于該兩點間的：電路中任意兩點間的電壓等于該兩點間的電位之差。電位之差。例例 . abc1.5 V1.5 V已知已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V用電位計算如下：用電位計算如下：(1) 以以a點為參考點點為參考點， a=0Uac= ？(2) 以以b點為參考點點為參考點， b=0Uac= ？例例 . abc1.5 V1.5 V已知已知 Uab=1.5 V，Ubc=1.5 V(1) 以以a點為參考點點為參考點， a=0Uac= a c = 0 (3)=3 V(2) 以以b點為參考點點為參考點， b=0Uac= a c = 1.5 (1.5) = 3

13、 V結論結論：電路中電位參考點可任意選擇；當選擇不同的電：電路中電位參考點可任意選擇；當選擇不同的電位參考點時，電路中各點電位均不同，位參考點時，電路中各點電位均不同，但任意兩點但任意兩點間電壓始終保持不變。間電壓始終保持不變。二、電壓、電流的參考方向二、電壓、電流的參考方向 1. 電流的參考方向電流的參考方向+10V10k 注意：注意：規(guī)定電流的規(guī)定電流的實際方向實際方向為正電荷的流動方向為正電荷的流動方向，即從高電位流向低電位。（即從高電位流向低電位。（但實際往往相反！）但實際往往相反?。㊣元件元件(導線導線)中電流流動的實際方向有兩種可能中電流流動的實際方向有兩種可能: 實際方向實際方向

14、實際方向實際方向參考方向參考方向：任意任意選定一個方向即為電流的參考方向。選定一個方向即為電流的參考方向。i 參考方向參考方向大小大小方向方向電流電流(代數(shù)量代數(shù)量) 電流參考方向的兩種表示電流參考方向的兩種表示： 用導線上的箭頭表示，用導線上的箭頭表示，箭頭的指向為箭頭的指向為電流的參考方向。電流的參考方向。 用雙下標表示：如用雙下標表示：如 iAB , 電流的參考方向由電流的參考方向由A指向指向B。i 參考方向參考方向i 參考方向參考方向i 0i 0實際方向實際方向實際方向實際方向電流的參考方向與實際方向的關系：電流的參考方向與實際方向的關系：引入?yún)⒖挤较蛞雲(yún)⒖挤较?的原因和原則的原因和

15、原則(b) 電路中電流是電路中電流是實時交變實時交變的交流，無法標出實際的交流，無法標出實際方向。先標出參考方向，配合函數(shù)表達式，才方向。先標出參考方向，配合函數(shù)表達式，才能最終表示出電流的大小和實際方向。能最終表示出電流的大小和實際方向。(a) 復雜電路某些支路復雜電路某些支路事先無法確定事先無法確定實際方向。只實際方向。只能先任意標定方向（即：參考方向），根據(jù)計能先任意標定方向（即：參考方向），根據(jù)計算結果，再確定電流的實際方向。算結果，再確定電流的實際方向。(c) 參考方向的原則：大膽假設，堅持始終。參考方向的原則：大膽假設，堅持始終。2. 電壓電壓(降降)的參考方向的參考方向+U 0參

16、考方向參考方向U+實際方向實際方向+實際方向實際方向參考方向參考方向U+U電壓參考方向的三種表示方式電壓參考方向的三種表示方式：(1) 用箭頭：指向為電壓（降）的參考方向（適合中距離）用箭頭：指向為電壓（降）的參考方向（適合中距離）(2) 用正負極性表示用正負極性表示（適合于兩端元件）（適合于兩端元件）：由正極指向負：由正極指向負極的方向為電壓極的方向為電壓 (降低降低)的參考方向的參考方向(3) 用雙下標表示用雙下標表示 ：如：如 UAB , 由由A指向指向B的方向為電壓的方向為電壓(降降)的參考方向的參考方向UU+ABUAB小結：小結：(1) 電壓和電流的參考方向是電壓和電流的參考方向是任

17、意假定任意假定的。分析電路前的。分析電路前必須標明必須標明?？偨Y為：大膽設定、堅持始終！總結為：大膽設定、堅持始終！ 參考方向一經(jīng)假定，必須在圖中相應位置標注參考方向一經(jīng)假定，必須在圖中相應位置標注 (包包括方向和括方向和符號符號），在計算過程中不得），在計算過程中不得改變改變。參考方向不同時，表達式符號也不同，但實際方向參考方向不同時，表達式符號也不同，但實際方向客觀不變客觀不變。+Riuu = Ri+Riuu = Ri(4) 參考方向關聯(lián)的判則：參考方向關聯(lián)的判則：電流沿其參考方向從電電流沿其參考方向從電壓參考方向的正端流入壓參考方向的正端流入。(3) 元件或支路的元件或支路的u，i通常約

18、定采用相同的參考方通常約定采用相同的參考方向，以減少公式中負號，稱之為向，以減少公式中負號，稱之為關聯(lián)參考方向關聯(lián)參考方向。反之，稱為。反之，稱為非關聯(lián)參考方向非關聯(lián)參考方向。+iu 1.3 1.3 無源器件理想模型無源器件理想模型1.3.1 1.3.1 電阻器電阻器 (resistor)(resistor)一一 . 線性定常線性定常電阻元件：任何時刻端電壓與其電流成電阻元件：任何時刻端電壓與其電流成正比正比。1. 符號符號 R(1) 電壓與電流的參考方向設定為電壓與電流的參考方向設定為關聯(lián)參考方向時：關聯(lián)參考方向時：Riu+2. 歐姆定律歐姆定律 (Ohms Law) 伏安特性曲線伏安特性曲

19、線: u R i R tg 線性電阻線性電阻R是一個與電壓和電流無關的是一個與電壓和電流無關的正實數(shù)正實數(shù)。令令 G 1/RR 稱為電阻稱為電阻G稱為電導稱為電導則則 歐姆定律表示為歐姆定律表示為 i G u .電阻的單位：電阻的單位： (歐歐) (Ohm，歐姆，歐姆)電導的單位：電導的單位： S (西西) (Siemens，西門子，西門子)uiO(2) 電阻的電壓和電流的參考方向相反電阻的電壓和電流的參考方向相反Riu+則歐姆定律寫為則歐姆定律寫為u Ri 或或 i Gu公式必須和參考方向公式必須和參考方向配套配套使用！使用！一般一般不言而喻不言而喻：公式中電壓與電流為：公式中電壓與電流為關

20、聯(lián)參考方向關聯(lián)參考方向注意：電阻器電壓與電流的實際方向總是注意：電阻器電壓與電流的實際方向總是“關聯(lián)關聯(lián)”的，不能出現(xiàn)的，不能出現(xiàn)“負阻負阻”。 3. 功率分析功率分析Riu+Riu+*上述結果說明上述結果說明電阻元件電阻元件在任何時刻總是在任何時刻總是消耗消耗功率的。功率的。*并且，電路中，只有電阻器才能將電能消耗、不可逆轉地轉并且，電路中，只有電阻器才能將電能消耗、不可逆轉地轉換成其他形式的能量。換成其他形式的能量。 無論參考方向如何，總有：無論參考方向如何，總有：p吸吸 ui i2R u2 / R0Riu+4. 開路與短路開路與短路對于一電阻對于一電阻R，當當R=0，視其為，視其為短路短

21、路。 i為有限值時，為有限值時，u=0。當當R= ，視其為，視其為開路開路。 u為有限值時，為有限值時，i=0。* 理想導線的電阻值為零理想導線的電阻值為零。 二二. 線性時變電阻元件線性時變電阻元件時變電阻：電阻時變電阻：電阻R t 是時間是時間t的函數(shù)。的函數(shù)。電壓電流的約束關系：電壓電流的約束關系： u t = R t i t i t = g t u t R t i t u t +1.3.2 歐姆定律uiR電阻元件的符號電阻元件的符號在關聯(lián)參考方向下，電阻兩端電壓與流過在關聯(lián)參考方向下，電阻兩端電壓與流過電阻的電流成正比，比例系數(shù)為電阻元件的電阻的電流成正比，比例系數(shù)為電阻元件的參數(shù)參數(shù)

22、電阻值電阻值uURiI或 歐姆定律只適用于線性電阻。歐姆定律只適用于線性電阻。RG1歐姆定律歐姆定律電導電導z 電阻的串聯(lián)與分壓電阻的串聯(lián)與分壓 一般來說，若有一般來說，若有m個電阻個電阻R1、 R2、 、Rm串聯(lián)，串聯(lián)，則它們的等效電阻（或稱總電阻）為則它們的等效電阻（或稱總電阻）為 iR+ +- -u+ u1 -+-u2NiR1R2+-uR = R1 + R2 + + Rm 又又u1 = R1 i， u2 = R2 i21RRui 對于右圖所示電路中的對于右圖所示電路中的R1和和R2來說，由歐姆定律得來說，由歐姆定律得故有分壓公式：故有分壓公式：uRRRu2111uRRRu2122+ u1 -+-u2NiR1R2+-uR1增大，增大，u1?z電阻的并聯(lián)與分流電阻的并聯(lián)與分流 一般而言，若有一般而言，若有R1、R2、Rm互相并聯(lián)，則等互相并聯(lián)，則等效電阻效電阻R可用下式計算：可用下式計算：考慮到考慮到則等效則等效電導電導G = G1 + G2 + + GmmRRRR111121GR1111GRmmGR1 對于由對于由R1和和R2相并聯(lián)相并聯(lián)組成的電路，可以用一個等效組成的電路，可以用一個等效電阻電阻R來代替，如圖所示。由來代替，如圖所示。由于于