电路基础知识详解版课件

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1、第一章 认识电路（基础知识）,1.1 电路和电路模型,1.2 电路中的主要物理量,1.3 电路的基本元件,1.4 基尔霍夫定律,1.6 简单电阻电路的分析方法,1.5 基尔霍夫定律,本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解电路的基本定律并能正确应用； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。,第1章 电路的基础知识,1.1 电路和电路模型,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,1. 电路的作用,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,2. 电路的组成部分,

2、电源: 提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,直流电源: 提供能源,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,2.电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,手电筒的电路模型,为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,例：手电筒,电池,导线,灯泡,开关,手电筒由电池、灯 泡、开关和筒体组成。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,3.电路模

3、型,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；,灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；,筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,1.2 电路中的主要物理量,物理中对基本物理量规定的方向,1. 电路基本物理量的实际方向,(2) 参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,2. 电路基本物理量的参考方向,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值

4、为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3) 实际方向与参考方向的关系,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。,若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。,电路的基本元素是元件，电路元件是实际器件的理想化物理模型，应有严格的定义。,电路中研究的全部为集总元件。,电路元件的端子数目可分为二端、三端、四端元件等。,最基本的几个元件：,1.3 电路的基本元件,实际电阻元件,感性认识电阻元件,线性

5、电阻电路研究的模型,1. 符号,2. 欧姆定律 (Ohms Law),(1) 电压与电流的参考方向设定为一致的方向,R,u,+,u R i,R 称为电阻，,电阻的单位： (欧) (Ohm，欧姆),一. 电阻元件,伏安特性曲线:,R tg , 线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,令 G 1/R,G称为电导,则 欧姆定律表示为 i G u .,电导的单位： S (西) (Siemens，西门子),电阻元件的伏安特性为 一条过原点的直线,3. 开路与短路,对于一电阻R,当R=0，视其为短路。 i为有限值时，u=0。,当R=，视其为开路。 u为有限值时，i=0。,* 理想导线的电阻值为零。,4.

6、电阻的功率和能量,由电功率的定义及欧姆定律可知，电阻吸收的功率和能量,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,实际电容元件,感性认识电容元件,线性电容电路研究的模型,任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电流 u 成正比。,2、电路符号,1、电容,或,+ uC -,+ uC -,二. 电容元件,与电容有关两个变量: C, q 对于线性电容，有： q =Cu,3. 元件特性,C 称为电容器的电容,电容 C 的单位：F (法) (Farad，法拉) F= C/V = As/V

7、 = s/ ,常用F，nF，pF等表示。,4、库伏特性：线性电容的qu 特性是过原点的直线, tg,5、电压、电流关系： u, i 取关联参考方向,或,动态特性,记忆特性,6、电容元件的功率和能量,在电压、电流关联参考方向下，电容元件吸收的功率为,则电容在任何时刻 t 所储存的电场能量WC 将等于其所吸收的能量。,由此可以看出，电容是无源元件，它本身不消耗能量。,从t0到 t 电容储能的变化量：,7 、小结：,动态,记忆,（5）C 既表示元件，也表示参数,图 (a)所示电容元件，已知电流的波形如图(b)所示，设C=5F ，电容电压的初始值u(0) = 0，试求电容两端的电压u。,解 由图(b)

8、可知电流分段表示为,又因为， 根据记忆特性公式可得电容两端的电压为,电容电压的波形如图(c)所示。,例1,其他电容全面认识电容元件,1、电磁特性实质：电容是储存电场能量或储存电荷能力的度量。电容元件是用来模拟一类能够储存电场能量的理想元件模型。,2、分类1：线性时变、线性时不变；非线性时变、非线性时不变。,3、分类2：二端子、三端子、多端子。,4、电容效应与万有引力相似，任意两个物体之间均有电容特性，常见如晶体管中三极管管脚之间的电容。,5、实际电容电容器：集额定功率、尺寸要求、耐压值、耐流值等多种指标的设备。,电容器结构,两个极板介质,实际电容器制作的材料和结构不尽相同，通常有云母电容器、陶

9、瓷电容器、钽质电容器、聚碳酸酯电容器等等。,线性电感电路研究的模型,变量: 电流 i , 磁链,1 、线性定常电感元件符号与参数,L 称为自感系数,L 的单位：亨（利） 符号：H (Henry）,2 、韦安（ i ）特性,0, tg,三. 电感元件,3 、 电压、电流关系：,由电磁感应定律与楞次定律,i , 右螺旋 e , 右螺旋 u , e 一致 u , i 关联,VCR常用,VCR次常用,动态,记忆,很少用,4 、 电感的储能,(1) u的大小与 i 的变化率成正比，与 i 的大小无关；,(3) 电感元件是一种记忆元件；,(2)电感在直流电路中相当于短路；,(4) 当 u，i 为关联方向时

10、，u=L di / dt； u，i 为非关联方向时，u= L di / dt 。,5 、小结：,（5）L 既表示元件，也表示参数,动态,记忆,其他电感全面认识电感元件,1、电磁特性实质：导体中有电流流过时，导体周围将产生磁场。变化的磁场可以使置于磁场中的导体产生电压，这个电压的大小与产生磁场的电流随时间的变化率成正比。这里所讨论的电感元件就是用来模拟实际电磁器件的理想元件。,2、分类1：线性时变、线性时不变；非线性时变、非线性时不变。,3、分类2：二端子、三端子、多端子。,4、电感效应与万有引力相似，任意两个物体之间均有电感特性，常见如同轴电缆有重要参数就是其电感，长距离传输线之间的电感等。,

11、5、实际电感电感器：集额定功率、尺寸要求、耐压值、耐流值等多种指标的设备。更多的是理想电感元件与电阻的组合，因而不可能是无损元件。,实际电感线圈,结构：由具有绝缘外包线绕制成有心或空心的线圈构成,感性认识电源,1、任何实际电路正常工作必须要有提供能量的电源 。,2、实际电源多种多样，图给出了几种实际电源的图片。如手电筒和收音机上用的干电池和计算器中用的纽扣电池图(a)，实验室中用的稳压电源图(b)。还有其它种类的电源，如机动车上用的蓄电池和人造卫星上用的太阳能电池，工程上使用的直流发电机，交流发电机等等。,规定：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。,(2) 特点：,(a) 电源两

12、端电压由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 通过它的电流是任意的，由外电路决定。,直流：uS为常数,交流： uS是确定的时间函数，如 uS=Umsint,(1)电路符号,四. 电压源,(3). 伏安特性,US,(a) 若uS = US ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与 电源中的电流无关。,(b) 若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是 这样。电压为零的电压源，伏安曲线与 i 轴重合,相当于短路元件。,(4). 理想电压源的开路与短路,(a) 开路：R，i=0，u=uS。,(b) 短路：R=0，i ，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短路。,* 实际电压源也

13、不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,u=USri,实际电压源,(5). 功率：,或,p吸=uSi p发= uSi ( i, uS关联 ),电场力做功 ， 吸收功率。, 电流（正电荷 ）由低电位向高电位移动 外力克服电场力作功发出功率, p发 uS i (i , us非关联）,物理意义：,独立电流源也是一种理想化的电源模型。若一个二端元件不论其电压为何值（或外部电路如何），其电流始终保持常量Is或给定的时间函数is(t)的电源称为独立电流源（简称电流源）。,电子电路中有该类电路， 今后会遇到。,五. 电流源,电路分析理想电流源模型,规定:电源输出电流为iS，其值与此电源的端

14、电压 u 无关。,(2). 特点：,(a) 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 电源两端电压是任意的，由外电路决定。,直流：iS为常数,交流： iS是确定的时间函数，如 iS=Imsint,(1).电路符号,(3). 伏安特性,IS,(a) 若iS= IS ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与 端电压无关。,(b) 若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是 这样 电流为零的电流源，伏安曲线与 u 轴重合,相当于开路元件,(4). 理想电流源的短路与开路,(b) 开路：R，i= iS ，u 。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。,(a

15、) 短路：R=0， i= iS ，u=0 ，电流源被短路。,(5). 实际电流源的产生： 可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。,一个高电压、高内阻的电压源，在外部负载电阻较小，且负载变化范围不大时，可将其等效为电流源。,r =1000 ，US =1000 V， R =12 时,当 R =1 时，u=0.999 V,当 R =2 时，u=1.999 V,将其等效为1A的电流源：,当 R =1 时，u=1 V,当 R =2 时，u=2 V,与上述结果误差均很小。,(6). 功率,p发= u is

16、 p吸= uis,p吸= uis p发= uis,u , iS 关联,u , iS 非关联,解 由欧姆定律,电流源端电压为,电流源的功率为,由上可知，独立电流源的端电压是任意的，与外部电路有关。作为理想元件其端电压可为无穷大（电流源开路），这意味着没有能量的限制。这在实际中也不可能存在。,UR = RIs = 100.5 = 5（V）,UIS = UR +Us= 5 +10 = 15（V）,PIS = -UISIs =-150.5 = -7.5 W(发出功率),电源与负载的判别,U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。,U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载； P = UI 0，电源。,1. 根据 U、I 的实际方向判别,2. 根据 U、I 的参考方向判别,电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出， （发出功率）；,负载： U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。