电路第一章-电路的基本概念与基本定律.ppt

电路与电子学,邱关源编著，电路（第4版），高等教育出版社，2000年,J.E.Kemmerly, S.M.Durbin, Engineering Circuit Analysis (Sixth Edition), 2002 潘双来等编著，电路学习指导与习题精解，清华大学出版社，2004年,周玉坤编译，电路（第7版），电子工业出版社，2005年,参考书目,黄锦安主编，电路与模拟电子技术，机械工业出版社， 2008年,本课程是数字电子技术、数字逻辑、计算机组成等课程的必要先修课，是构建硬件知识体系的重要环节,现代社会的各个方面无不与电子技术有着密切的联系，学好电子技术很重要！,电路与电子学是计算机类专业的一门技术基础课，主要学习电路基本理论和模拟电子电路的原理和应用,课程的性质与重要性,1785年 法国科学家G.A库仑确定库仑定律 1826年 德国科学家G.S.欧姆提出欧姆定律 1831年 法拉第发现电磁感应现象，并制作了第一台发 电机模型 1845年 德国科学家G.R.基尔霍夫提出关于电路网络的 基尔霍夫定律 1864年 英国A.G.C.麦克斯韦提出了电磁波理论 1877年 T.A.爱迪生发明了留声机(改进了电话)，1879年 发明了白炽灯，1883年发明了热电子发射现象 （爱迪生效应） 1904年 英国人J.A.弗莱明发明了电子二极管,电子电工技术的发展,1904年 美国德.福雷斯特发明了电子三极管 1948年 第一只晶体管诞生 1958年 美国基尔比制成第一块集成电路，6个月后诺伊 斯制成第一块硅集成电路 1971年 美国M.E.霍夫制成第一台四位微处理器4004 1975年 美国莱因哈特和洛发明集成光路 1976年 美国S. 克雷制成第一部微型计算机“克雷-I” 1983年 我国研制成功第一台速度为1亿次的“银河”巨型 计算机 1984年 我国成功发射第一颗通信卫星,水立方 建筑学、电子学、光学的结合,电路基本概念 电路基本定理 电路基本分析方法,本学期课程的重点,遵循从简到繁、从易到难的原则 体系上先静态（直流电路分析定理） 后稳态（正弦和非正弦周期电路相量） 再暂态（过渡过程分析）,纵览一至六章内容,电路的基本概念与基本定律 电路的分析方法 （支路电流法、网孔电流法、节点电压法等） 正弦交流电路 三相交流电路 电路的频率特性 （RC、LC、RLC电路） 电路的暂态分析,本学期课程的主要内容,1.1 电路与电路模型 1.2 电路的基本物理量及其参考方向 1.3 电阻元件 1.4 独立电源（电压源、电流源） 1.5 基尔霍夫定律 1.6 电位的计算 1.7 非独立电源受控源,第1章 电路的基本概念及基本定律,进行信号的处理和传递,进行能量的转换和传输,进行信息的存储,1.1 电路与电路模型,1.1.1 电路的作用,1.1 电路与电路模型,1.1.2电路的概念,电路是由用电设备或元器件（称为负载）与供电设备 （称为电源）通过导线等（中间环节）连接而构成的提供给电荷流动的通路，电路是构成电流通路的一切设备总和。,当电场被束缚在电荷流动的路径周围很小的范围时，即形成电路，可用“路”的理论来分析处理。,电阻器,电容器,电池,运算放大器,晶体管,1.1 电路与电路模型,电路元器件,开关,实际电路是为完成某种预期的目的而设计的，具有传输电能、处理信号、测量、控制、计算等功能。我们课程的研究对象不是实际电路，而是从实际电路中抽象出来的理想化的电路，即实际电路的模型，研究其中的电压、电流和功率分配等。 电路模型将电路的主要性能用数学方法表达出来，电路模型反映了原电路工作的主要特性，并且这些特性是已经数学化了的，便于用数学方法进行分析。,1.1 电路与电路模型,1.1.3 电路模型,电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各种实际元器件，而是数量有限的理想元件，具有很好的规范性。有利于设计、交流。,1.1 电路与电路模型,建立电路模型的意义,2）用理想元件实现每个元器件的特性，构成元器件的模型,1）对电路中的每个元器件特性建立数学模型,3）把所有元器件的电路模型按照原电路结构连接起来，形成电路的模型,怎样建立电路模型,1.1 电路与电路模型,电路的组成,电源：产生电能或提供电信号,负载：消耗电能或取用电信号,中间环节：对电能或电信号进行控制、分配、处理等,1.1 电路与电路模型,电路模型,1.1 电路与电路模型,实际电路,R,L,s,C,us,电路模型,1.1 电路与电路模型,理想电路元件与模型,电阻元件R,电感元件L,电容元件C,无源元件与模型,1.1 电路与电路模型,1.1 电路与电路模型,理想电路元件及模型,电压源,电流源,有源元件与模型,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,电路的特性是由电流、电压和功率等物理量描述的,电路分析的基本任务是计算电路中的电流、 电压和功率,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,(一) 电 流,量纲：安培（A）,电流（电流强度）是由电荷（带电粒子）有规则的定向运动形成的。,1kA=103A ；1mA=10-3A；1A=10-6A,1安培 = 1库仑/秒,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,一些常用的十进制倍数的表示方法：,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,恒定电流 量值和方向均不随时间变化的电流，称为恒定电流，简称为直流电流(dc或DCDirect current)，一般用符号I表示,时变电流 量值和方向随时间变化的电流，称为时变电流，一般用符号i表示。时变电流在某一时刻t的值i (t) ，称为瞬时值,交流电流 量值和方向作周期性变化且平均值为零的时变电流，称为交流电流，简称为交流(ac或ACAlternating current),1.2 电路的基本物理量及其参考方向,电流的参考方向,标定方式：在连接导线上用箭头表示,约定：,是一种任意选定的方向,当i0时参考方向与实际方向一致,当i0时参考方向与实际方向相反,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,（二） 电 位,电荷在电路中移动，就会有能量的交换,单位：伏特（V）,某点的电位（电势）是单位正电荷在该点具有的电位 能，在数值上等于电场力将单位正电荷沿任意路径从 该点移动到参考点所作的功,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,（三） 电 压,单位：伏特（V）,电路中a、b两点之间的电位差（电压）uab：将单位正电荷从a点移到b点所需的能量或功,1kV=103V ；1mV=10-3V；1V=10-6V,失去电位能Wa-Wb,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,恒定电压 量值和方向均不随时间变化的电压，称为恒定电压，简称为直流电压，一般用符号U表示,时变电压 量值和方向随时间变化的电压，称为时变电压，一般用符号u表示。时变电压在某一时刻t的值u (t) ，称为瞬时值,交流电压 量值和方向作周期性变化且平均值为零的时变电压,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,电压的参考方向,标定方式,约定：,是一种任意选定的方向,当u0时参考方向与实际方向一致,当u0时参考方向与实际方向相反,“+”为高电位端 “”为低电位端,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,电压与电流的关联参考方向 ,若选定的电流参考方向从标有与电压“”极性的一端流入，从电压“”极性的一端流出，则称电流和电压的参考方向一致则称为关联参考方向，反之则为非关联参考方向,强调：关联参考方向一定是针对某一段电路而言,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,电压与电流的关联参考方向,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,（四） 电 动 势,电动势表征电源中外力（非电场力）作功的能力， 其值等于外力克服电场力把单位正电荷从负极移动 到正极所作的功，其方向从负极指向正极，即电位 升高的方向。 E（e）表示。,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,（五） 功 率,功率：单位时间内吸收或释放的能量。 在关联参考方向下瞬时功率：,若u(t)与i(t)在非关联参考方向下：,必须加上负号！,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,功 率,当p0时，吸收功率,量纲：瓦特（W）,当p0时，发出功率,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,功 率 的 计 算,例1.2.1 求图中元件的功率，并判断该元件是吸收还是产生功率？,1.2 电路的基本物理量及其参考方向,功 率 的 计 算,例1.2.2 图中方框泛指元件，已知四个元件电压均为5V，IA1A，IB2A，PC吸20W，PD吸10W，试求元件A和B的功率及C和D的电流？,1.3 电阻元件,常用的各种二端电阻器件,电阻器,晶体二极管,1.3 电阻元件,金属膜电阻器 METAL FILM FIXED RESISTOR（MF TYPE）,金属氧化物电阻器 METAL OXIDE FILM RESISTOR(MOF TYPE),碳膜电阻器 CARBON FILM FIXED RESISTOR,熔断涂覆电阻器 FUSIBLE FILM RESISTOR,线绕涂覆电阻器 WIRE WOUND RESISTOR(KNP TYPE),绕涂覆电阻器 WIRE WOUND RESISTOR(KNH TYPE),1.3 电阻元件,(二端) 电 阻 元 件,若一个二端元件的电压与电流之间的关系可以 用i-u平面上的一条曲线表征时称之为电阻,过原点的直线对应的电阻称为线性电阻,隧道二极管为非线性电阻,1.3 电阻元件,线 性 电 阻,（关联）,1.3 电阻元件,欧 姆 定 律,1.3 电阻元件,欧 姆 定 律的另一种形式, 电导（S）,1.3 电阻元件,电阻功率的计算,电源在电路中可能吸收功率，也可能发出功率,1.3 电阻元件,例1.3.1 已知u1=1V, u2= -3V, u4= -4V, u5=1V, u6= -3V, i1=2A, i2=1A, i3= -1A, 求uab和uad及各段电路的功率并指明 吸收还是发出功率。,1.3 电阻元件,解：uab= uac + ucb = -u1+ u2= -(1) + (-3) = -4V,2,i1,u2,+,_,c,b,1,u1,+,_,4,u4,+,_,i2,6,u6,+,_,5,u5,+,_,i3,d,f,a,e,.,.,uad= u6 = -3V; p1= - u1i1= -2W0 (发出),p2= u2i1= -6W0 (发出);,p4= u4i2=4W0 (吸收); p5= u5i3= 1W0 (吸收),p6= u6i3= 3W0 (吸收),1.3 电阻元件,电路中所有元件的功率之和为0 ！这一规则称为功率 平衡原理，常用作对分析结果的检验准则,功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源 发出的电能恰为负载所消耗,1.4 电压源和电流源,独 立 电 源,指电源输出的电压（电流）仅由独立电源本身性质决定, 与电路中其余部分的电压（电流）无关,电压源,电流源,1.4 电压源和电流源,独 立 电 源,1.4 电压源和电流源,1.4.1 电 压 源,若一个二端元件输出电压恒定则称为理想电压源,电路符号,1、 理 想 电 压 源,1.4 电压源和电流源,直流稳压电源,1.4 电压源和电流源,基本性质,理 想 电 压 源,输出电压恒定，和外电路无关,其流过的电流由外电路决定,1.4 电压源和电流源,伏安曲线,理 想 电 压 源,1.4 电压源和电流源,若一个二端元件所输出的电压随流过它的电流 变化而变化就称为实际电压源。,电路模型,1.4.2 实 际 电 压 源,1.4 电压源和电流源,伏安曲线,实 际 电 压 源,1.4 电压源和电流源,三种工作状态,实 际 电 压 源,加载:,Rs越小越好,实际应用中，电压源不允许短路,1.4 电压源和电流源,1.4.2 电 流 源,若一个二端元件输出电流恒定则称为理想电流源,电路符号,1、 理 想 电 流 源,1.4 电压源和电流源,基本性质,理 想 电 流 源,输出电流恒定，和外电路无关,其两端电压由外电路决定,1.4 电压源和电流源,伏安曲线,理 想 电 流 源,1.4 电压源和电流源,若一个二端元件所输出