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1、电路基础,主编：唐民丽 吴恒玉,第1章 电路的基本概念和基本定律,1.1 电路的基本概念 1.2 电路中的基本物理量 1.3 电路中的电源 1.4 电路的基本定律,1.1 电路的基本概念,1.1.1 电路的概述 电路是由一些电气设备和元器件按一定方式连接而成的整体，并能为电流提供路径。复杂的电路呈网状, 又称网络。,图1-1 简单照明电路,分类： 1)实现电能的传送、分配和转换。 2)实现电信号的传递和处理。,1.1 电路的基本概念,电路的基本组成可以包括以下四个部分： 1)电源：电路中提供电能的设备，如电池、发电机等。 2)负载：电路中使用电能的设备，如灯泡、电动机等。 3)控制器件：控制电
2、路工作状态的器件或设备，如各种开关。 4)传送和分配电能的设备，如导线、变压器等。 电路状态 ： 1)通路(闭路)：电源与负载接通，电路中有电流通过，电器设备能获得一定的电压和电功率。 2)开路(断路)：电路出现阻断现象，无法构成电流通路。 3)短路：电源两端的导线直接相连，输出电流过大，对电源来说属于严重过载，如果没有保护措施，电源或电器会被烧毁甚至发生火灾，所以通常要在电路或电器设备中安装熔断器、熔丝等保险装置，以免发生短路时造成不良后果。,1.1 电路的基本概念,1.1.2 电路模型 人们为了分析方便，在一定条件下对实际元件加以理想化、抽象化，只考虑其中起主要作用的某些电磁现象，忽略其次
3、要特性，用足以表征其主要电磁特性的模型来代替，这就是理想元件。,表1-1 常用理想元件及符号,1.1.3 单位制 单位制就是指度量衡的制度。,1.1 电路的基本概念,表1-2 SI常用倍数与分数词头,1.1 电路的基本概念,思考与练习： 1.电路由几部分组成？各部分有什么作用？ 2.如何理解电路状态中的通路、开路和短路？ 3.什么是电路模型？电路模型和实际电路是一一对应的关系吗？,1.2 电路中的基本物理量,1.2.1 电流 1.电流的基本概念：电路中电荷沿着导体的定向移动形成电流。 2.直流：如果电流的大小和方向都不随时间而变化，即在单位时间内通过导体某一横截面的电量相等，则称之为稳定电流或
4、恒定电流，简称直流 。 3.交流：如果电流的大小和方向都随时间的变化而变化，称为变动电流 。其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交流 。,图1-2 常见的几种电流,1.2 电路中的基本物理量,图1-3 电流的参考方向与实际方向,1.2.2 电压 1.电压的基本概念：电路中、两点间电压的大小等于电场力把单位正电荷由点移动到点所做的功。 2.电压的参考方向：电压的参考方向一般用实线箭头表示，也可用双下标或“”、 “”极性表示。,4.电流的参考方向,虚线箭头表示电流的实际方向，用实箭头表示电流的参考方向，也可以用双下标表示，如表示其参考方向由指向。参考方向是任意选定的，而电流的实际方向是客观
5、存在的。,1.2 电路中的基本物理量,图1-4 电压参考方向,图1-5 电压参考方向与实际方向的关系,3.关联参考方向,在分析电路时，往往把同一段电路的电压和电流参考方向选得一致，即：电流是从电压的正极流向负极，称之为关联参考方向。如图1-6所示。,1.2 电路中的基本物理量,4.电位,所谓电位是指在电路中任选一点作为参考点，某点到参考点的电压就叫做该点的电位。,图1-6 关联参考方向与非关联参考方向,图1-7 电位的表示,1.2 电路中的基本物理量,1.2.3 功率和能量,在电路的分析和计算中，能量和功率的计算是十分重要的。 1)P0，说明该段电路消耗功率为P； 2)P=0，说明该段电路不消
6、耗功率； 3)P0，说明该段电路消耗功率为P，发出(或提供)功率为P，实际上是发出(或提供)功率。 例1-1 试求图1-8中各元件的功率，并说明该元件是吸收功率还是发出功率？,解：图1-8a中，电流和电压为关联参考方向，元件的功率为,图1-8 例1-1图,1.2 电路中的基本物理量,此时元件消耗的功率为,电流和电压为非关联参考方向，元件的功率为,此时元件发出的功率为,电流和电压为非关联参考方向，元件的功率为,此时元件消耗的功率为,1.2 电路中的基本物理量,1.为什么要规定电压与电流的参考方向？参考方向与实际方向有何联系？ 2.已知某电路中设O点为参考点，A点电位为5V,B点电位为5V，C点电
7、位为10V，求电压、UBC、UAC的值。 3.求图1-9中各二端元件的功率，并说明是发出功率还是吸收功率？,图1-9 思考与练习3题图,思考与练习,1.3 电路中的电源,1.3.1 电压源 1.理想电压源：无论外电路如何，其两端电压总能保持固定值或一定的时间函数的电源称为理想电压源。 直流电压源：若输出电压是不随时间变化的固定值叫做直流电压源 交流电压源：当输出电压为一定的时函数时叫做交流电压源。,图1-10 直流理想电压源及其伏安特性,1.3 电路中的电源,图1-11 正弦交流理想电压源及其伏安特性,1)电压源的端电压是常量或一个固定的时间函数，与所连接的外电路无关； 2)通过电压源的电流随
8、外接电路的不同而改变。,理想电压源具有以下特性：,1.3 电路中的电源,2.实际电压源,图1-12 电压源与负载连接,理想电压源实际上是不存在的。实际电压源内部均有内阻，电压源对外输出电压时会在其内阻上消耗一部分压降，所以实际电压源可以看成一个理想电压源和一个内电阻的串联。如图1-13（a）所示。电压源的伏安特性曲线如图1-13（b）所示。,图1-13 实际电压源,1.3 电路中的电源,1)当外电路开路时，即A、B两点空载，电压源输出电流i=0，电源内阻R0上的压降也为0，此时电源对外输出电压就等于电源电压u=US。,2)当外电路接有负载时，即A、B两点间有电流通过，该电流也会在R0上产生压降
9、，这时电源对外输出电压与电流的关系为 3)当实际电压源被短路时，即A、B间电阻为0，输出电压u也为0，此时电源的电流称为短路电流，其值仅受电源内阻的限制，即,所以实际电压源内阻越小，它的伏安特性就越平坦，当负载电流变化时，输出电压变化越小，输出电压越稳定，电源带负载的能力就越强。理想电压源就是内阻等于零的电压源。 通常实际电压源的内阻都比较小，不要轻易将电源短路，否则会产生较大的短路电流将电压源烧坏。,1.3 电路中的电源,1.3.2 电流源 1.理想电流源：无论外电路如何，其输出电流总能保持固定值或一定的时间函数的电源称为理想电流源。,图1-14 理想电流源,其电路模型如图1-14所示，用箭
10、头表示电流的参考极性，若输出电流是不随时间变化的固定值叫做直流电压源，如图1-14（a）, 当输出电流为一定的时函数时叫做交流电流源，如图1-14（b）所示，图1-15为直流理想电流源的伏安特性曲线。,1.3 电路中的电源,图1-15 直流理想电流源的伏安特性,1)电流源输出的电流是常量或一个固定的时间函数，与所连接的外电路无关； 2)电流源的端电压随外接电路的不同而改变。,理想电流源具有以下特性：,1.3 电路中的电源,2.实际电流源,图1-16 实际电流源,理想电流源实际上是不存在的。实际电流源内部均有内阻，电流源对外输出电流时会因其内阻的存在而在电源内部产生一部分环流，所以实际电流源可以
11、看成一个理想电流源和一个内电阻的并联。如图1-16（a）所示。实际电流源的伏安特性曲线如图1-16（b）所示。,1.3 电路中的电源,1)当外电路开路时，即A、B两点空载，电流源输出电流i=0，此时电流源两端电压与其内阻R0有关，即u=i0R0=IR0。 2)当外电路接有负载时，即A、B两点间有电流通过，这时电源对外输出的电流与电源端电压关系为 3)当实际电流源被短路时，即A、B间电阻为0，电源中全部电流IS都流向外电路，内阻R0上就不会有环流通过，输出电压u=0。 1.3.3 受控源 电压或电流受电路中其他部分的电压或电流控制的电压源或电流源称为受控源。,1.3 电路中的电源,图1-17 受
12、控源的四种形式,受控源的分类及表示方法有四种，如图1-17所示：,1.3 电路中的电源,图1-18 放大电路的微变等效电路,1.理想电压源有什么特点？理想电流源有什么特点？ 2.理想电压源和理想电流源的内阻分别为多少？ 3.实际电压源可以用一个 和一个内电阻 联来等效；实际电流源可以用一个 和一个内电阻 联来等效。,思考与练习,1.3 电路中的电源,1.4 电路的基本定律,1.4.1 欧姆定律 欧姆定律反映了电路中电压、电流和电阻之间的关系，是电路最基本的定律，在应用时常使用以下两种形式：无源支路欧姆定律、含源支路欧姆定律。 1.无源支路欧姆定律,图1-19 无源支路欧姆定律,2.含源支路欧姆
13、定律,所谓含源电路是指这段电路中包含有电源。找出这段电路两端的电压、电阻和电流之间的关系，就是含源电路欧姆定律所要解决的问题。,1.4 电路的基本定律,图1-20 含源支路欧姆定律,1.4.2 基尔霍夫电流定律 为了说明基尔霍夫定律，先介绍几个相关术语。 支路：节点：回路：网孔： 基尔霍夫电流定律（Kirchhoff current law）简称KCL： 对于任意一个集中参数电路中的任意一个节点或闭合面，在任何时刻，通过该节点或闭合面的所有支路电流代数和等于零。,1.4 电路的基本定律,图1-21 电路举例,例1-2 已知图1-21中I1=5A，IS=2A，I4=1A，,KCL的另外一层含义就
14、是将节点扩展成任一闭合曲面，如图1-21虚线表示的封闭曲面，即流入该曲面的电流之和必然等于流出该曲面的电流之和。,求电路中其他各支路电流。 解：由KCL对各节点列电流方程解得： 例1-3 如图1-22所示电路，分别求两电路中的I值。 解：根据KCL可将节点扩展成任一闭合曲面，对于图1-22a中电路，可选其中一个网孔为一个闭合曲面；而对于图1-22b中电路，可将最外层回路作为一个闭合曲面。那么图只有一条支路I与该闭合曲面相连，根据KCL，流入电流必等于流出电流，可断定。同理图1-22b中接地线上的电流I也等于0。,1.4 电路的基本定律,图1-22 例1-3图,1.4 电路的基本定律,1.4.3
15、 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律(Kirchhoff voltage law，KVL)：对于任意一个集中参数电路中的任意一个回路，在任何时刻，沿该回路的所有元件上的电压代数和等于零。,图1-23 电路举例图,注意：这里的代数和也是依据电压参考方向，若电压降取正，电压升则取负；反之亦然。,1.4 电路的基本定律,图1-24 电路举例,1.求图1-25所示电路中AB两点间电压U。 2.如图1-26所示电路中，已知I1=1A，I2=3A，I5=2A，求电流I3、I4和I6。 3.求图1-27所示电路中B点的电位VB。,思考与练习,1.4 电路的基本定律,图1-25 思考与练习1题图,1.4 电路
16、的基本定律,图1-26 思考与练习2题图,1.4 电路的基本定律,图1-27 思考与练习3题图,1.4 电路的基本定律,一、实验目的 1.学习使用万用表测量电阻。 2.验证欧姆定律的正确性。 3.应用欧姆定律确定电阻值。 4.研究电压、电流与电阻的关系。 5.掌握EWB软件的基本使用方法、使用步骤，特别是虚拟仪器的使用方法。,仿真实验1 欧姆定律,1.4 电路的基本定律,二、实验原理 欧姆定律：线性电阻元件两端的电压与流过的电流成正比，比例常数就是这个电阻元件的电阻值。 三、实验步骤 1.在EWB的环境下，建立图1-28所示的用数字万用表测量电阻的实验电路，数字万用表按图示设置。 2.单击仿真电源开关，激活实验电路，记录数字万用表显示的R1的读数。 3.在EWB的环境下，建立图1-29所示的欧姆定律实验电路。 4.单击仿真电源开关，数字万用表和电流表均出现读数，记录电阻两端的电压U的数值和流过R1的电流I的数值。,1.4 电路的基本定律,图1-28 数字万用表测量电阻元件阻值,1.4 电路的基本定律,图1-29 欧姆定律实验电路,
