电路的基本概念和基本元.ppt

电 路 基 础 主讲：张海生 电子邮件： 海南政法职业学院 信息技术系 1 1 欢迎学习电路基础 n电路基础是工科类专业的重要基础课程。通过本课 程的学习使学生掌握电路的基本理论、基本分析方 法和进行电路实验的基本技能，为后续专业课程打 下必要的基础。 n电路分析理论体系严谨，学生在学习中不仅可学会 一种思维方法，而且深入学习能养成科学的学习作 风，从而终生受益。 n学好本课程，应注意抓好两个主要环节：认真听 课、细心复习。还要处理好三个基本关系：听课 与笔记、作业与复习、自学与互学。 2 2 各类参考书 n汪缉光 电路原理 清华大学出版社 n陈利永 电子电路基础 中国铁道出版社 n马洪明等电路分析基础四川教育出版社 n李永冰等 电路基础 大连理工大学出版 社 n周绍平等 电工电子技术北京交通大学 出版社 3 3 课程考核方法 n平时成绩：占40%（包括：课堂提问、实 验情况、课后作业以及考勤情况） n期末考试：占60% 4 4 第第1 1章章 电路的基本概念和基本元件电路的基本概念和基本元件 5 5 例子手电筒电路是大家所熟悉的一种用来照明 的最简单的用电器具，如图1.1所示 它由四部分组成： (1)干电池：它将化学能转换为电能； (2)小电珠：它将电能转换为光能； (3)开关：通过它的闭合与断开，能够控制小电珠的发 光情况； (4)金属容器、卷线连接器：它相当于传输电能的金属 导线，提供了手电筒中其它元件之间的连接。 6 6 1.11.1电路与电路模型电路与电路模型 1.1.1电路 电路是由各种电气设备和元器件按一定 方式联接而成、为电流提供流通路径的 总体。 电路 的作用 1.电能的传输、转换和分配 2.信号的传输和处理 7 7 电路的 组成部分 电源 负载 中间环节 提供电路工作时 所需要的电能或 信号 将电能转换为 他形式的能量 的设备 连接电源和负载 并对电路的工作 状态进行控制 8 8 思考:指出在该电路，分别属于电源、负载和 中间环节的元件。 图为由电池、导线电键以及灯泡组成的照明电路 9 9 1.1.2 电路模型 为了便于对电路进行分析，需要 对各种 实际元件或电器设备加以近似化、理想 化，在一定条件下忽略其次要性质，从 而可以抽象出能表征元件主要性质的、 具单一电磁特性的元件理想元件。 每一种理想元件的电磁特性都可以用数 学的方法来精确地描述。 1010 元件可以根据其与外部电路连接的端钮数， 分为二端元件和多端元件。 二端元件与外部 电路有两个连接 端钮。 多端元件与外部 电路有两个以上 的连接端钮。 方框代表元件 1111 几种常见理想元件及其电路符号 电流源 电阻元件 电感元件 电压源 电容元件 US L C R IS 1212 由理想元件构成的电路称为电路模型。在电路 模型中，用理想元件及其组合来代表实际电路 中相应的元件和设备的电磁特性。 1313 电路的工作状态 通路：电路构成闭合回路，有电流通过。 电源产生的总功率等于电源内阻和负载电阻所 吸收的功率。 如果电源、负载和中间环节都能处于长期可靠而 又最合理的工作状态，称为“额定工作状态”（也称“满 载”）。 1414 开路：电路断开，电路中无电流通过。开路也叫断路 。 电路中的电流为零，电源内阻的电压降等于零 。这种状态也称为“空载”。 1515 短路：负载两端直接被导线短接的状态。 由于电源内阻一般很小，故短路电流很大，很可 能导致电路烧毁。为了防止短路，往往在电路中接入 一些保护设备，如熔断丝或自动开关等。 1616 例如：例如： + - US RS R 1717 1.2 1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 1.2.1 电流 电荷的定向移动称 为电流。 形成电流的移动电荷既可以是带正电也 可以带负电。通常规定正电荷定向移动 的方向为电流的方向。 1818 电流的大小用电流强度表示。设在 dt 时间内通 过导体横截面的电荷为dq，则电流强度i定义为 电流的单位是安培（A），另外还有毫安(mA)、微 安(A)等较小的辅助单位，它们之间的换算关系是 1A=1000mA 1mA=1000A 1919 如果电流的大小方向均不随时间变化，则为一常 数，这种电流为直流电流。 直流电流通常用大写字母 I 表示，即： 大小和方向随时间而变化电流称为变动电流。呈 周期性变化且一个周期内平均值为零的电流为交 变电流，简称交流，常用字母AC表示。 2020 1.2.2 电压 设在某一时刻t，有正电荷dq在电场力的作用下 沿任意路径从a点移动至b点，电场力做功为dw， 则定义 为a、b 两点间在时刻 t 的电压。 2121 由此可见，改变计算电压起点与终点的顺序，电 压数值不变，但要相差一个负号。 若正电荷 dq 从b点沿任意路径移回至 a点，则电 场力做功dw=- dw，于是根据前述定义，b、a 两 点间在时刻 t 的电压 u为 2222 电压的方向规定为正电荷受电场力作用的方向。因 此，当电流沿电压方向流过时，电场力做正功。 电压的单位是伏特（V），另外还有千伏(kV)、毫 伏(mV)等较小的辅助单位，它们之间的换算关系是 1kV=1000V 1V=1000mV 2323 若电压的大小方向均不随时间变化，则 为一 常数，这种电压称为直流电压。直流电压通常用 大写字母 U 表示，即： 大小和方向随时间而变化的电压称为变动电压。 2424 1.2.3 电位 电路中各点对于某一选定的参考点的电压 称为各点的电位。电位通常用字母 表示。 ab c 例如在右图中，若选c点为参 考点，则a、b两点的电位分别 为 2525 根据前述电位差和电压的关系。 由此可见，电路中两点之间的电位差等于该两 点之间的电压。 电位与参考点的选取有关， 当参考点改变时， 电路中各点的电位也相应改变，但是两点之间 的电压不变。另外，参考点本身的电位等于0。 2626 1.2.4 电流与电压的参考方向 在进行电路分析、计算时，必须先对假定待求 电流和电压的方向。这个假定的电流和电压的 方向就称为参考方向。 i u i u 电压参考方向还可以用“参 考极性”的标注方法。在假 设为高电位端标以“ + ”号 ，低电位端标以“”号。 参考方向一般用箭 头直观地标注在电 路中相应位置。 2727 i u 原则上，电压与电流的参考方向可以任意假定。 但通常假定两者的参考方向一致。这种情况称为 “关联参考方向” 电压与电流的参考方向 一致。这种情况称为“关 联参考方向” 。 2828 在假定的参考方向下若得到的电流或电压解为正 值，则说明其的实际方向与参考方向一致；反之 则说明其实际方向与参考方向相反。 电流的实际方向 I =2A 电流参考方向 电流的实际方向 I =2A 电流参考方向 2929 一个元件或者一段电路中电压和电流的参考方向均 可以任意选定，二者可以一致，也可以不一致。如果一 致称为关联参考方向；如果不一致称为非关联方向。 I U I U I U+ I U + (c) 关联参考方向 (a) 关联参考方向(b) 非关联参考方向 (d) 非关联参考方向 关联参考方向与非关联参考方向 关联参考方向关联参考方向 3030 1.2.5电功与电功率 设在dt 时间内有正电荷dq沿电场力的作用方向通 过两端电压为u的元件，则根据电压的定义可知电 场力做的功为 电流通过电路元件时，电场力要做功，同时发生 电能与其他形式能量的转换。 dw=udq=uidt 3131 电功率是表示电路做功快慢的物理量。它定义为电 功对时间的变化率： 在关联参考方向下，若： p0，说明电流与电压的实际方向相同，有电能转 变成其他形式的能，习惯上称电路吸收功率。 p0，说明电流与电压的实际方向相反，有其他形 式的能转变成电能，习惯上称电路发出功率。 3232 在直流的情况下，电功率可写成 即功率在数值上等于单位时间内电路（或 元件）所能提供或消耗的电能。 3333 例 图中有A、B两个元件，其中有发出电功率的电池， 也有吸收电功率的小灯泡。试判断出分别是什么元件 。 解：图中电流为顺时针方向。 PA=UAIA=62=12(W) 吸收电功率12W，表明元 件A是小灯泡。 （2）元件B电压与电流方向相 反，为非关联参考方向 PB=UBIB=32=6(W) 发出电功率6W,表明元件B 是 电池。 （1）元件A电压与电流方向相同，为关联参考方向 B 2A + 3V A + 6V 例题 3434 1.31.3电阻元件电阻元件 1.3.1电阻器 电阻器是利用金属材料对电流具有阻碍作用的 特性而制成的电热元件。当电流通过电阻器时 有电能转变为热能。 在实际使用中，电阻器还可能表现出其他一些 微弱的电磁现象，如利用线绕电阻会出现微弱 的电感现象等。 3535 电阻元件是在忽略了实际电阻器的一些微弱的电 磁现象的基础上，突出其对电流呈现阻力、消耗 电能这一特征而抽象出来的理想二端元件。 电阻元件电路符号如右图所示： 1.3.2 电阻元件 若电阻元件两端的电压 u，通过元件的电流为i， 则比值 u / i称为元件的电阻，用字母 R表示。 3636 在不至引起混淆的情况下，电阻元件也简称为电 阻。因此，“电阻”一词以既可以指电阻元件，又 可以指该元件的参数。 R是电阻元件本身的性质决定的一个参数。R越大 ，说明在 u 相同的情况下通过元件的电流i越小， 亦即对电流的阻碍越大。 如果R为常数，即i与u成正比，则称电阻元件为 线性的，否则就是非线形的。 3737 电阻的单位是欧姆（）。此外还有千欧（k ）和兆欧（M）等辅助单位。它们之间的换算 关系是 1M=1000k 1k=1000 在电路分析中，把元件两端的电压 u与通过元件 的电流 i 的关系，称为元件的伏安特性。 在关联参考方向下，线性电阻的伏安特性可以表 示为 u = R i i +u 3838 线性电阻的伏安特性图象在 u i 平面上是一条通 过原点的直线。而非线性电阻的由于其R值不为常 数，所以伏安特性图象呈现为曲线。 u i 0 u i 0 线性电阻非线性电阻 3939 1.3.3 电阻元件的电功率 由于R0，u 与 i 的实际方向相同，故 p 0。即 电阻元件在电路中总是处于吸收电功率的状态， 所吸收的电能被转换热能。所以电阻元件是一个 耗能元件。 在关联参考方向况下，电阻元件吸收的功率为 p = u i= i 2 R = u2 / R 4040 金属膜电阻金属膜电阻 RJ13RJ13 微调电位器微调电位器 4141 1.41.4电容元件电容元件 1.4.1电容器 电容器是由一对相互靠近中间充以绝缘介质的导 体（通常称极板）构成。电容器的作用是储存电 场能量。 在实际使用中，电容器两极 板之间的介质要消耗电能， 而且介质中存在着漏电流。 绝缘介质 金属导体 4242 电容元件是在忽略了实际电容器消耗电能以及 存在漏电流等非主要的电磁现象的基础上，突 出其储存电场能量这一特征而抽象出来的二端 理想元件。 电容元件的电路符号如图所示： 1.4.2电容元件 设电容两极板间的电压为 u，极板上的正电荷量为 q，则比值 q / u称为元件的电容，用字母 C 表示。 4343 C 是由电容元件本身的性质决定的一个参数。C 值越大，说明在 u 相同的情况下元件储存的电荷 q 越多，亦即储存的电场能量也越多。 在不至引起混淆的情况下，电容元件也简称为 电容。因此，“电容”一词以既可以指电容元件， 又可以指该元件的参数。 如果C为常数，即q与u成正比，则称电容元件为 线性的，否则就是非线性的。 4444 C的单位是法拉（F）。另外电容还有微法（F）和 皮法（pF）等辅助单位。它们之间的换算关系为 1F=106F 1F=106 pF 4545 1.4.3 电容元件的伏安特性 u i C (关联参考方向) 任一时刻通过电容元件的电流与该时刻元件两端的 电压的变化率成正比。若电压的变化率等于零 （如直流电流），则通过元件的电流为零，元件相 当于短路。因此电容元件在电路中具有“通交流隔 直流”的作用。 4646 在时刻t电容的功率为 1.4.4 电容元件的储能 电容在时刻 t 的储能取决于该时刻的电压。 4747 1.4.5 电容的串联 有C1、C2和C3三个电容器进行串联，设电容 器的总电容为C，则有 4848 1.4.5 电容器的并联 有C1、C2和C3三个电容器进行并联，设电容器 的总电容为C，则有 4949 电解电容电解电容 普通电容普通电容 电容电容 5050 1.51.5电感元件电感元件 1.5.1电感器 电感器是由导线绕制而成的线圈构成。电感器 的作用是聚集磁场、储存磁场能量。 在实际使用中，构成电感器的线圈具有一定的 电阻，同时在线圈各匝之间还存在着微弱的电 容。 5151 电感元件是在忽略了实际电感器的线圈电阻以 及线圈各匝之间的微弱的电容等一些非主要的 电磁现象的基础上，突出其储存磁场能量这一 特征而抽象出来的二端理想元件。 电感元件的电路符号如图所示： 1.5.2电感元件 设通过电感元件的电流 i，电流在元件线圈内产生 的磁链为，则比值/ i称为元件的电感。电感 常用字母L表示。 5252 L是由电感元件本身的性质决定的一个参数。L 越大，说明在 i 相同的情况下穿过元件的磁链 越多，亦即元件储存的磁场能量也越多。 如果L为常数，即与i成正比，则称电感元件 为线性的，否则就是非线形的。 在不至引起混淆的情况下，电感元件简称为电 感。因此，“电感”一词既可以指电感元件，又 可以指该元件的参数。 5353 L的单位是亨利（H）。此外电感还有毫亨（mH）和 微亨（H）等辅助单位，它们之间的换算关系为 1H=1000mH 1mH=1000H 5454 1.5.3 电感元件的伏安特性 任一时刻电感元件两端的电压与该时刻通过元件电 流的变化率成正比。若电流的变化率等于零（如直 流电流），则元件两端的电压为零，元件相当于短 路。因此电感元件具有“通直流隔交流”的作用。 u i L (关联参考方向) 5555 1.5.4 电感元件的储能 电感在时刻 t 的储能取决于该时刻的电流。 5656 5757 1. 1.6 6 独立电源独立电源 1.6.1 理想电压源 端电压为一恒定值或者按照某一确定的规律 随时间变化而与输出电流无关的电源称为理想 电压源。它是从实际电源