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、生活中為了實現(xiàn)某種需求，把各種電氣器件按一定的方式連接起來，所構成的電流流通路徑。 電路由三部分組成：電源、負載和中間環(huán)節(jié)。 電路的主要作用： 1.實現(xiàn)能量的轉換、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.實現(xiàn)信號的傳遞和處理，輸入的信號叫激勵（或信號源），輸出的信號叫響應-如電視機能通過有線或無線的方式接收電視信號，然后進行轉換處

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換成電能的裝置，如蓄電 池、各種發(fā)電機等。負載：所有的用電設備都可以被稱為負載，它把電能轉換成 其他形式的能量，如電燈、電風扇、電動機等。中間環(huán)節(jié)：是指連接電源和負載的部分，例如輸電線、開關 等。第3頁，共31頁。 二、電路模型 1實際電路 實際電路有的較簡單，也有的相當復雜，影響電路的內外界因素也很多，當我們對實際電路進行分析時，常采用模型化的方法，即首先建立實際電路的理想化電路模型，然后對此電路模型進行定量分析，從而得到與實際電路對應的結論。 2電路模型 在電路的分析計算時，通常要用一個假定的二端元件來代替實際元件，這個二端

3、元件的電磁性質應該反映實際元件的電磁性質，這個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。 把實際電路中的各種元件設備按其主要物理性質分別用一些理想電路元件來表示，構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)則的定向移動就形成電流。 2電流的大?。?/p>

4、引入電流強度概念來描述電流的大小，單位時間內通過導體橫截面的電荷量定義為電流強度。 3電流的方向：電流不僅有大小而且有方向，我們規(guī)定正電荷運動的方向為電流的實際方向。第6頁，共31頁。電流實際方向與參考方向 簡單電路中，電流的實際方向容易判斷，但在復雜電路中，往往很難判斷某支路中電流的實際方向。為此，在分析與計算電路前，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定的，與電流的實際方向無關， 選定了電流的參考方向，便可以進行電路的分析計算，當電流實際方向與參考方向一致時，計算出來的電流值為正；如果兩者相反，則電流值為負。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點移到b點所做的功定義為a、 b兩點間的電壓，用uab（Uab）表示。 2電壓的方向：電壓的方向則由起點指向終點，也可用正負號表示或以箭頭標明。 3電壓的單位：庫侖/焦耳=伏特第8頁，共31頁。關聯(lián)參考方向非關聯(lián)參考方向 4電壓、電流的關聯(lián)參考方向：對某個具體元件，電壓參考極性和電流的參考方向取為一致時，稱為關聯(lián)參考方向。在分析電路和電功率的計算中很有意義。第9頁，共31頁。B點電位： 三、電位 電位的定義：在電路中選定一個參考點（注意每次計算只能選一個相對的參考點），取參考點的電位為零電位，則電路中某一點與參考點之間的電壓就被稱為這一點的電位。 電位的單位與電壓相同。

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

7、位指向高電位。 電動勢的單位：與電壓相同。電源內部，電壓的實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等于單位時間內電路消耗（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的時間內，從a到b點電路元件吸收的電能可根據(jù)電壓的定義（a、 b兩點的電壓在量值上等于電場力將單位正電荷由a點移動到b點時所做的功）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、源與負載沒有構成閉合回路。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， 斜率與內阻有關。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 實際電源的兩種電路模型：電壓源和電流源。 一、電壓源 將實際電源用電動勢和電阻串聯(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、 實際電源都會有內阻，如果電源的內阻遠小于負載等效電阻，即 ，可以將這個電源近似為恒壓源。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恒定電流與一個可變電流的差。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阻上引起的電流。 由此，實際電源可以用一個恒定電流和電阻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 時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，如果實際電源的內阻 ，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 一個實際的電源，既可以用理想電壓源與內阻串聯(lián)表示， 也可以用理想電流源與內阻并聯(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算外電路上的電流、電壓，結果都會相同。 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，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勢箭頭方向相同電路形式由串聯(lián)改并聯(lián)，內阻大小不變。 (2) 把電流源變

11、換為電壓源時，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，對內電路不等效。等效變換對電源內電阻上的電流、電壓及功率計算都不等效。 (4) 理想電壓源與理想電流源之間不能進行等效變換。 第25頁，共31頁。 預備知識： 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：三條或三條以上支路的連接點稱為節(jié)點。 3、回路：電路中任一閉合路徑稱為回路。 4、網(wǎng)孔：內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：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)點所連接的各支路電流之間的相互關系。 KCL的基本內容：在任意時刻，流入電路中任一節(jié)點的電流之和恒等于流出該節(jié)點的電流之和， 即： I入=I出 該定律說明電路中的節(jié)點上不會發(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)點的電流前取正號，流出節(jié)點的電流前取負號，基爾霍夫電流定律也可寫成:I=0 應用上式時也可以約定流出為正、流入為負，等式依然成立。其物理意義是：流入節(jié)點B的電流的代數(shù)和恒等于零。對上圖節(jié)點B列KCL方程：對上圖節(jié)

13、點E列KCL方程： ！2個節(jié)電的電路只能列出一個獨立的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論：對一個具有m個節(jié)點的電路，只能列出（m-1）個獨立的KCL方程。 基爾霍夫電流定律的推廣：對于包圍幾個節(jié)點的封閉面，（廣義節(jié)點），根據(jù)電流的連續(xù)原理，電路中流入一個封閉面的電流等于流出的電流，即流入一個封閉面的電流代數(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系，。 KVL的基本內容是: 在任一時刻，沿任一回路繞行一周，回路中所有電源電動勢（電壓升）的代數(shù)和等于所有

14、電阻電壓降的代數(shù)和，即 應用KVL定律時，先假定繞行方向為順時針或逆時針，當電動勢的方向與繞行方向一致時，因沿回路方向電位升高，故該電動勢取正號，反之取負號; 當電阻上的電流方向與回路繞行方向一致時，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 顯然前兩個方程相加可以得到第三個方程，因此，這3個回路中只有兩個獨立可用的電壓方程。 應用基爾霍夫電壓定律的結論：對一個n條支路、m個節(jié)點的電路，可以列出（n- m +1）個獨立的KCL方程，一般情況下以網(wǎng)孔作為回路列寫即可