電路和電路模型ppt課件.ppt

1、電路基礎(chǔ),石家莊理工職業(yè)學(xué)院,計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)系,主要內(nèi)容,項(xiàng)目一 認(rèn)識(shí)電路的基本物理量和基爾霍夫定律,1.1 電路和電路模型, 電路的概念,由實(shí)際元器件構(gòu)成的電流的通路稱(chēng)為電路。,1、電路的組成及其功能,電路是電流的通路,電路通常由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三部分組成。, 電路的組成,1、電路的組成及其功能,電源,連接導(dǎo)線和其余設(shè)備為中間環(huán)節(jié),負(fù)載,電路可以實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。,電力系統(tǒng)中,電子技術(shù)中,電路可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳遞、變換、存儲(chǔ)和處理。,1、電路的組成及其功能, 電路的功能,2、電路模型,實(shí)體電路,電路模型,電源,負(fù)載,中間環(huán)節(jié),用抽象的理想電路元件及其組合，近似地代替實(shí)際的器件

2、，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。, 理想電路元件,電阻元件 只具耗能的電特性,電容元件 只具有儲(chǔ)存電能的電特性,理想電壓源 輸出電壓恒定，輸出電流由它和負(fù)載共同決定,理想電流源 輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定。,電感元件只具有儲(chǔ)存磁能的電特性,理想電路元件是實(shí)際電路器件的理想化和近似化，其電特性單一、精確，可定量分析和計(jì)算。,3、理想元件,5種基本理想電路元件有三個(gè)特征： （a）只有兩個(gè)端子； （b）可以用電壓或電流按數(shù)學(xué)方式描述； （c）不能被分解為其他元件。,注意,電路元件按照其與電路其他部分相連接的端鈕數(shù)，可以分為二端元件和多端元件。二端元件通過(guò)兩個(gè)端鈕與電路其他部分連

3、接；多端元件通過(guò)三個(gè)或三個(gè)以上端鈕與電路其他部分連接。,3、理想元件,檢驗(yàn)學(xué)習(xí)結(jié)果,電路由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？,何謂理想電路元件？其中“理想”二字在實(shí)際電路的含義？,理想元件有何特征？,學(xué)好本課程，應(yīng)注意抓好四個(gè)主要環(huán)節(jié)：提前預(yù)習(xí)、認(rèn)真聽(tīng)課、及時(shí)復(fù)習(xí)、獨(dú)立作業(yè)。還要處理好三個(gè)基本關(guān)系：聽(tīng)課與筆記、作業(yè)與復(fù)習(xí)、自學(xué)與互學(xué)。,1.2 電路基本物理量及參考方向,電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。,1.電流的參考方向,電流,電流強(qiáng)度,帶電粒子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量,方向,規(guī)定正電

4、荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向,單位,1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(導(dǎo)線)中電流流動(dòng)的實(shí)際方向只有兩種可能:,對(duì)于復(fù)雜電路或電路中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，電流的實(shí)際方向往往很難事先判斷。,問(wèn)題,參考方向,任意假定一個(gè)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向即為電流的參考方向。,i 0,i 0,實(shí)際方向,實(shí)際方向,電流的參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系：,表明,電流參考方向的兩種表示：, 用箭頭表示：箭頭的指向?yàn)殡娏鞯膮⒖挤较颉?用雙下標(biāo)表示： 如 iAB , 電流的參考方向由A指向B。,電壓U,單位,2.電壓的參考方向,單位正電荷q 從電路中一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力做功（

5、W）的大小。,電位,單位正電荷q 從電路中一點(diǎn)移至參考點(diǎn)（0）時(shí)電場(chǎng)力做功的大小。,實(shí)際電壓方向,電位真正降低的方向。,V (伏)、kV、mV、V,2、電壓、電位和電動(dòng)勢(shì),a,電位是相對(duì)于參考點(diǎn)的電壓。 參考點(diǎn)的電位: b=0；a點(diǎn)電位： a=E-IR0=IR,b,+ U ,電動(dòng)勢(shì)E只存在電源內(nèi)部，其數(shù)值反映了電源力作功的本領(lǐng)，方向規(guī)定由電源負(fù)極指向電源正極,路端電壓U。電壓的大小反映了電場(chǎng)力作功的本領(lǐng)；電壓是產(chǎn)生電流的根本原因；其方向規(guī)定由“高”電位端指向“低”電位端。, 三者的定義式,2、電壓、電位和電動(dòng)勢(shì),顯然電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)的定義式形式相同，因此它們的單位一樣，都是伏特V。,電壓等于

6、兩點(diǎn)電位之差：, 三者的區(qū)別和聯(lián)系,Uab=VaVb,電源的開(kāi)路電壓在數(shù)值上等于電源電動(dòng)勢(shì)；,電路中某點(diǎn)電位數(shù)值上等于該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。,例,已知：4C正電荷由a點(diǎn)均勻移動(dòng)至b點(diǎn)電場(chǎng)力做功8J，由b點(diǎn)移動(dòng)到c點(diǎn)電場(chǎng)力做功為12J， 若以b點(diǎn)為參考點(diǎn)，求a、b、c點(diǎn)的電位和電壓Uab、U bc; 若以c點(diǎn)為參考點(diǎn)，再求以上各值。,解,(1),解,(2),結(jié)論,電路中電位參考點(diǎn)可任意選擇；參考點(diǎn)一經(jīng)選定，電路中各點(diǎn)的電位值就唯一確定；當(dāng)選擇不同的電位參考點(diǎn)時(shí)，電路中各點(diǎn)電位值將改變，但任意兩點(diǎn)間電壓保持不變。,復(fù)雜電路或交變電路中，兩點(diǎn)間電壓的實(shí)際方向往往不易判別，給實(shí)際電路問(wèn)題的分析計(jì)算帶來(lái)困

7、難。,電壓(降)的參考方向,假設(shè)高電位指向低電位的方向。,問(wèn)題,電壓參考方向的三種表示方式：,(1) 用箭頭表示：,(2)用正負(fù)極性表示,(3)用雙下標(biāo)表示,U,U,+,UAB,元件或支路的u，i 采用相同的參考方向稱(chēng)之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱(chēng)為非關(guān)聯(lián)參考方向。,關(guān)聯(lián)參考方向,非關(guān)聯(lián)參考方向,3.關(guān)聯(lián)參考方向,i,+,-,+,-,i,u,u,分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向,參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 (包括方向和符號(hào))，在計(jì)算過(guò)程中不得任意改變,參考方向不同時(shí)，其表達(dá)式相差一負(fù)號(hào)，但電壓、電流的實(shí)際方向不變。,例,電壓電流參考方向如圖中所標(biāo)，問(wèn)：對(duì)A、B兩部分電路電壓電流

8、參考方向關(guān)聯(lián)否？,答：A電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)； B電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)。,注意,想想、練練,已知某電路中Uab=-5V,試說(shuō)明a,b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電位高？,電功率大的用電器，電功也一定大，這種說(shuō)法正確嗎？為什么？,1.3 電功率和能量,1.電功率,功率的單位：W (瓦) (Watt，瓦特),能量的單位：J (焦) (Joule，焦耳),單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。,2. 電路吸收或發(fā)出功率的判斷,u, i 取關(guān)聯(lián)參考方向,P=ui 表示元件吸收的功率,P0 吸收正功率(實(shí)際吸收)負(fù)載,P0 吸收負(fù)功率(實(shí)際發(fā)出)電源,P = ui 表示元件發(fā)出的功率,P0 發(fā)出正功率 (實(shí)際發(fā)出),P0 發(fā)出負(fù)

9、功率 (實(shí)際吸收),u, i 取非關(guān)聯(lián)參考方向,例,求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。,已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A,解:,對(duì)一完整的電路，滿(mǎn)足：發(fā)出的功率吸收的功率,注意,已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A,想想、練練,已知某電路中Uab=-5V,試說(shuō)明a,b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電位高？,一個(gè)元件的功率為P=100W，試討論關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)參考方向下，該元件吸收還是發(fā)出功率？

10、,想想、練練,I3,如圖所示的電路中有三個(gè)元件。電流、電壓的參考方向如圖中箭頭所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得： I1=3A,I2=-3A,I3=-3A,U1=-120V,U2=70V,U3=-50V 試指出各元件電流、端電壓的實(shí)際方向，計(jì)算元件的功率，并指出哪個(gè)元件吸收功率，哪個(gè)元件發(fā)出功率。,1.4 電路元件,是電路中最基本的組成單元。,1. 電路元件,5種基本的理想電路元件：,電阻元件：表示消耗電能的元件,電感元件：表示產(chǎn)生磁場(chǎng)，儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件,電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成 電能的元件。,注意,如果表征元件端子特性的數(shù)學(xué)關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件

11、稱(chēng)為線性元件，否則稱(chēng)為非線性元件。,1.4.1 電阻元件,2.線性時(shí)不變電阻元件,電路符號(hào),電阻元件,對(duì)電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來(lái)描述：,任何時(shí)刻端電壓與電流成正比的電阻元件。,1.定義,伏安 特性,0,ui 關(guān)系,R 稱(chēng)為電阻，單位： (Ohm),滿(mǎn)足歐姆定律,單位,G 稱(chēng)為電導(dǎo)，單位：S (Siemens),u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,伏安特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線,如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)，公式中應(yīng)冠以負(fù)號(hào)；,說(shuō)明線性電阻是無(wú)記憶、雙向性的元件。,歐姆定律,只適用于線性電阻( R 為常數(shù)）；,則歐姆定律寫(xiě)為,u R i i G u,公式和參考方向必須配套使用！

12、 無(wú)特殊說(shuō)明一般均使用關(guān)聯(lián)參考方向,注意,3.功率和能量,電阻元件在任何時(shí)刻總是消耗功率的。,p -u i (-R i) i i2 R - u2/ R,p u i i2R u2 / R,功率,表明,從 t0 到 t 電阻消耗的能量：,4.電阻的開(kāi)路與短路,能量,短路,開(kāi)路,0,0,實(shí)際電阻器,5. 線性電阻元件的串、并聯(lián),1. 串聯(lián),特點(diǎn)：,1. 流過(guò)所有電阻的電流i相同,2. u=u1+u2+ +un,3. Req=R1+R2+ +Rn,分壓公式：,2. 并聯(lián),特點(diǎn)：,1. 所有電阻的電壓u相同,2. i=i1+i2+ +in,3.,分流公式：,1.4.2 電容元件 (Capacitor),

13、電容器,在外電源作用下，兩極板上分別帶上等量異號(hào)電荷，撤去電源，板上電荷仍可長(zhǎng)久地集聚下去，是一種儲(chǔ)存電能的部件。,1. 定義,電容元件,儲(chǔ)存電能的元件。其特性可用uq 平面上的一條曲線來(lái)描述,庫(kù)伏 特性,任何時(shí)刻，電容元件極板上的電荷q與電壓 u 成正比，q u 特性是過(guò)原點(diǎn)的直線。,電路符號(hào),2. 線性電容元件,C 稱(chēng)為電容器的電容, 單位：F (法) (Farad，法拉), 常用 F、pF、nF等表示。 1F=103 F =106 pF =109 nF,單位,線性電容的電壓、電流關(guān)系,電容元件VCR的微分形式,表明:,(1) i 的大小取決于 u 的變化率, 與 u 的大小無(wú)關(guān)， 電容是

14、動(dòng)態(tài)元件；,(2) 當(dāng) u 為常數(shù)(直流)時(shí)，i =0。電容相當(dāng)于開(kāi)路，電容 有隔斷直流作用；,實(shí)際電路中通過(guò)電容的電流 i 為有限值，則電容電壓u 必定是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。,u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,電容元件有記憶電流的作用，故稱(chēng)電容為記憶元件,（1）當(dāng) u，i 為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)，上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號(hào) ;,電容元件VCR的積分形式,表明:,注,（2）上式中 u(t0) 稱(chēng)為電容電壓的初始值，它反映電容初始時(shí)刻的儲(chǔ)能狀況，也稱(chēng)為初始狀態(tài)。,3. 電容的功率和儲(chǔ)能,功率,u、 i 取關(guān)聯(lián)參考方向,電容的儲(chǔ)能,（1）電容的儲(chǔ)能只與當(dāng)時(shí)的電壓值有關(guān)，電容 電壓不能躍變，反映了儲(chǔ)能不能躍變；,表

15、明,（2）電容儲(chǔ)存的能量一定大于或等于零。,課本13頁(yè) 1-15,從 t1 時(shí)刻到 t2時(shí)刻電容儲(chǔ)能的變化量：,電容能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量，轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電容元件是無(wú)源元件、是儲(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。,1.4.2 電感元件 (Inductor),電感器,把金屬導(dǎo)線繞在一骨架上構(gòu)成一實(shí)際電感器，當(dāng)電流通過(guò)線圈時(shí)，將產(chǎn)生磁通，是一種儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的部件。, (t)N (t),1.定義,電感元件,儲(chǔ)存磁能的元件。其特性可用i 平面上的一條曲線來(lái)描述。,韋安 特性, (t) (t),任何時(shí)刻，通過(guò)電感元件的電流i與其磁鏈 成正比。 i 特性是

16、過(guò)原點(diǎn)的直線。,電路符號(hào),2. 線性電感元件,L 稱(chēng)為電感器的自感系數(shù), L的單位：H (亨) ( Henry，亨利)，常用 H，mH表示。,單位,線性電感的電壓、電流關(guān)系,u、i 取關(guān)聯(lián)參考方向,表明,(1) 電感電壓u 的大小取決于i 的變化率, 與i 的大小無(wú)關(guān)，電感是動(dòng)態(tài)元件；,(2) 當(dāng)i為常數(shù)(直流)時(shí)，u =0。電感相當(dāng)于短路；,實(shí)際電路中電感的電壓 u為有限值，則電感電流 i 不能躍變，必定是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。,根據(jù)電磁感應(yīng)定律與楞次定律,電感元件VCR的微分關(guān)系,電感元件有記憶電壓的作用，故稱(chēng)電感為記憶元件。,（1）當(dāng) u，i 為非關(guān)聯(lián)方向時(shí)，上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號(hào)

17、;,表明,注,電感元件VCR的積分形式,（2）上式中 i(t0) 稱(chēng)為電感電流的初始值，它反映電感初始時(shí)刻的儲(chǔ)能狀況，也稱(chēng)為初始狀態(tài)。,3. 電感的功率和儲(chǔ)能,功率,u、 i 取關(guān)聯(lián)參考方向,電感的儲(chǔ)能,（1）電感的儲(chǔ)能只與當(dāng)時(shí)的電流值有關(guān)，電感 電流不能躍變，反映了儲(chǔ)能不能躍變；,表明,（2）電感儲(chǔ)存的能量一定大于或等于零。,從t0到 t 電感儲(chǔ)能的變化量：,電感能在一段時(shí)間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在另一段時(shí)間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電感元件是無(wú)源元件、是儲(chǔ)能元件，它本身不消耗能量。,電容元件與電感元件的比較,電容 C,電感 L,變量,電流 i磁鏈 ,關(guān)系式,電壓 u電

18、荷 q,(1) 元件方程的形式是相似的；,(2) 若把 u i ，q ，C L 互換,可由電容元件的方程得到電感元件的方程；,(3) C 和 L稱(chēng)為對(duì)偶元件, 、q 等稱(chēng)為對(duì)偶元素。,結(jié)論,1.5 電壓源和電流源,電路符號(hào),1.理想電壓源,定義,其兩端電壓總能保持定值或一定的時(shí)間函數(shù)，其值與流過(guò)它的電流 i 無(wú)關(guān)的元件叫理想電壓源。,電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無(wú)關(guān)。,通過(guò)電壓源的電流由電源及外電路共同決定。,理想電壓源的電壓、電流關(guān)系,直流電壓源的伏安關(guān)系,例,外電路,電壓源不能短路！,0,電壓源的功率,電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；,電流（正電荷 ）由低電

19、位向高電位移動(dòng)，外力克服電場(chǎng)力作功，電源發(fā)出功率。,發(fā)出功率，起電源作用,物理意義：,電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；,物理意義：,電場(chǎng)力做功，電源吸收功率,吸收功率，充當(dāng)負(fù)載,例,計(jì)算圖示電路各元件的功率,解：,發(fā)出,吸收,吸收,滿(mǎn)足：P（發(fā)）P（吸）,其輸出電流總能保持定值或一定的 時(shí)間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u 無(wú)關(guān)的元件叫理想電流源。,電路符號(hào),2.理想電流源,定義,理想電流源的電壓、電流關(guān)系,電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無(wú)關(guān)。,電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。,直流電流源的伏安關(guān)系,0,例,外電路,電流源不能開(kāi)路！,可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生，如晶體

20、管的集電極電流與負(fù)載無(wú)關(guān)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。,實(shí)際電流源的產(chǎn)生：,電流源的功率,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；,發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；,吸收功率，充當(dāng)負(fù)載,例,計(jì)算圖示電路各元件的功率,解,發(fā)出,發(fā)出,滿(mǎn)足：P（發(fā)）P（吸）,實(shí)際電源,干電池,鈕扣電池,1. 干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）,干電池電動(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。,氫氧燃料電池示意圖,2. 燃料電池（化學(xué)電源）,電池電動(dòng)勢(shì)1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。,3. 太陽(yáng)能電池（光能電源