电路的基本概念和基本定律林宏商.ppt

电工与电子技术基础,讲师：邓欢,目录,第一章 电路的基本概念和基本定律,电路是电工技术和电子技术的基础,它是为学习后面的电子电路、电机电路及控制电路打基础的。本章主要介绍电路的基本组成、电路中常用元件及常用物理量、电压和电流的参考与实际方向的关系、电压与电位的关系。在实训部分通过学生的动手操作加深学生对所学理论知道的理解,熟悉一些常用电工测量的方法和测量仪器仪表的使用方法及注意事项。,2019/9/24,目录,第一节 电路和电路的模型,第二节 电流、电压及其参考方向,第三节 电源和电动势,第四节 电阻和电阻率,第五节 欧姆定律,第六节 电功率和电能,第七节 电源的最大输出功率,第八节 电压源和电流源,实训一 认识实训,实训2直流电路电压和电位的测量,第一节 电路和电路模型,【知识目标】 1、了解电路的概念和电路的基本组成，理解各部分的作用。 2、理解和掌握理想元件和电路模型的概念。 【能力目标】 1、能够识别和画出常用理想元件的图形符号。 2、能够画出简单电路的电路图。,2019/9/24,2019/9/24,1.1.1 电路的作用及组成,电路指的是将不同的电子电气器件或设备按一定的方式连接起来组成的总体，他提供电流通过的路径。由电源、负载、中间环节三部分组成，以形成闭合回路。,工程上用的电路图可分为原理接线图和实物接线图（也称装配图）两种。由于原理接线图可以方便、清晰地表示出电路组成部分的接法，因而被广泛的使用。,2019/9/24,1.1.1.1 部分电工图形符号,2019/9/24,1.1.1.2 电路的组成及其作用,1.电源:电源是一种能产生电能的装置。在日常生产生活中，常用的电源有发电机、蓄电池、干电池等，它们分别把机械能、化学能等转换成电能。,3.负载:负载是消耗电能的设备或者器件，其作用是把电能转化为其他形式的能。例如，电灯、电动机、扬声器等都是负载。,电灯 电动机 扬声器,2.中间环节:电路中的中间环节起着传输、分配和控制电能的作用。中间环节有的简单，也有的非常复杂。简单的可以只有一根导线，复杂的可以是超大规模集成电路或电力输送线路。而在一般的电路分析中，因为导线的电阻很小，所以常常把导线的电阻视为零。,2019/9/24,电路种类繁多,由直流电源供电的称为直流电路;由交流电源供电的称为交流电路;由晶体管放大元件构成将信号进行放大的称为放大电路等等。此外,在一个完整的电路(全电路)中,电源内部的电路称为内电路;电源外部的电路称为外电路。,2019/9/24,1.1.2 电路模型,组成实际电路的元器件，其电磁性能比较复杂（电阻性，电容性，感性） 理想元件：只考虑单一性能的实际元件。 通常采用短路元件： 无源元件（电阻元件，电感元件，电容元件），有源元件（理想电压源，理想电流源。） 电器元件又有线性和非线性之分，线性元件的参数是常数，与所施加的电压和电流无关。,2019/9/24,1.1.2 电路的工作状态,（1）通路。通路就是当电源与用电器接通，电路中有电流通过，电源向用电器输送电能，进行能量转化，又称为有载工作状态。,（3）短路。短路就是电源两端被电阻接近零的导体接通。此时电路中的电流比正常通路时的电流大很多，如果没有保护措施，电源或用电器会被烧坏，容易发生火灾。因此，电路中不允许短路状态。,（2）断路。断路也称开路，就是电路中没有电流通过，不发生能量转化，又称为空载状态。当电路中的开关处于断开状态时，开路为正常状态，而当开关为闭合状态时，电路仍为开路状态，则属于电路故障，需要对电路进行检修。,2019/9/24,教学评价,1、电流所流过的路径称为 ，它具有 ， ， ， 三种状态。它是由 ， ， ，三个部分组成。,2、电源是 的装置。,3、常用的理想元件有 ， ， 和 。,电路,通路,断路,短路,电路中提供能源,中间环节,负载,电源,电阻元件,电感元件,电容元件,电源元件,第二节 电流、电压及其参考方向,【知识目标】 1、理解电压、电流的定义及其方向的规定。 2、掌握电压、电流的测量方法。 【能力目标】 1、能够根据电流的大小选择合适的导线。 2、能够求解电压、电位、电流的大小。,2019/9/24,1.2.1 电流,1、电流的定义：电荷有规则的定向运动称为电流。（只有运动的电荷才能带动电器。）物理学上把带电粒子的定向移动叫做电流。,2、电流的大小：单位时间内通过某一导体横截面的电荷量。用I表示电流，Q表示电荷量（库伦（C），t表示时间，则计算电流的公式为：,= ,如果在1S内通过导体横截面的电量为1C，则导体中的电流强度就是1C/S（安培），简称安，符号A表示。,常用的电流单位还有KA，mA，A,2019/9/24,1.2.1.1 电流大小的测量,1、对交、直流应分别使用交流电流表和直流电流表。,2、电流表必须串联到被测量的电路中。,3、直流电流表表壳接线柱上标明有“”“”记号，应和电路的极性一致，不能接错，否则指针要反转，严重的甚至损坏仪表。,4、合理的选用量程。错误时会导致仪表损坏或者精准度不够。,2019/9/24,1.2.1.2 电流的方向,1、电流的方向定义：带电微粒的定向移动形成了电流，则电流是矢量（既有大小又有方向的物理量）。通常规定正电荷运动的方向为电流的正方向，负电荷运动的方向为电流的负方向。,2019/9/24,为了方便电路的分析，往往在复杂电路中引入参考方向。其方法是：任意假设某一支路中的电流参考方向，把电流看做代数量，若计算结果为正，则表示电流的实际方向与假设的参考方向相同；若计算结果为负，则表示电流的实际方向与假设的参考方向相反。参考方向在图中用实线箭头标注，实际方向用虚线箭头标注，如下图所示。,电流的实际方向与参考方向,1.2.1.3 电流方向的应用,2019/9/24,1.2.1.4 电流的种类,1、分类：常见的电流分为直流电流和交流电流两种。,1）大小和方向不随时间变化的电流称为稳恒直流电流，用字母“DC”表示，在电路图、中用“”表示直流电流；,3）大小和方向都随时间变化的电流称为交流电流，用字母“AC”表示，在电路图中用“”表示交流电流。,2）方向不随时间变化的电流称为直流电流，用字母“DC”表示，在电路图、中用“”表示直流电流；,2019/9/24,1.2.1.5 电流密度,1、定义：当电流在导体的截面上均匀分布时，该 电流(I)与导体横截面积(S)的比值。,1）例如：1 2 ，2 2 铜导线的取6A/ 2 ,而120 2 铜导线取2.3A/ 2 。,2019/9/24,1.2.2 电位,2、海拔高度指的是什么呢？,2、在电路的分析中电位必须要有一个计算电位的起点，这个起点叫作参考点。通常把参考点的电位规定为零。因此参考点又称为零电位点。,1、定义： 电路中某点的电位即该点的电位到参考点的电位之间的电压；单位（V）。,特定：,在日常使用中一般选用大地作为参考点，,2019/9/24,1.2.3 电压（电位差）,1、电路中某两点之间的电位差称为电压：, = ,2、单位：伏特，简称伏，符号V；常用的电压单位还有千伏（kV），毫伏（mV），微伏（V） 。,3、电压是衡量电场力做功本领的大小的物理量。两点之间电压的数值等于单位正电荷在电磁场作用下从一点移动到另一点时所做的功。,1、方向： 电压和电流一样都是矢量（有大小又有方向的量）。电压的方向规定为由高电位指向低电位。,1.2.3.1 电压的方向,2、在分析电路中往往难以确认电压的实际方向，此时可任意假设电压的参考方向，再根据计算所得正负值来确认电压的实际大小。,3、对于一端电路或者一个元件上的电压参考方向和电流参考方向，可以指点，但为了方便起见，通常采用关联参考方向（电压的参考方向和电流的参考方向一致）。,1.2.3.2 电压大小的测量,1、对交、直流电压应分别使用交电压表和直流电压表。,2、电压表必须并联到被测量的电路中。,3、直流电压表表壳接线柱上标明有“”“”记号，应和被侧两点的电位一致，不能接错，否则指针要反转，严重的甚至损坏仪表。,4、合理的选用量程。错误时会导致仪表损坏或者精准度不够。,注意：,电路中任意两点之间的电压与参考点无关。,教学评价,1.规定 定向运动的方向为电流方向。金属导体中自由电子的定向运动方向与电流方向是 的。 2.通过一个电阻的电流是5A,经过3min,通过这个电阻横截面的电荷量是 C。 3.在电路中,A、B两点的电位分别为VA、VB,则A、B两点间的电压UAB= 。 4.电位是 值，它的大小随 的改变而改变,电位的单位是 。电压是 值。,正电荷,相反,900,VA-VB,参考,参考点,伏,固定,第三节 电源和电动势,【知识目标】 1、了解电源和电动势的概念。 2、理解电动势方向的规定。 【能力目标】 1、能画出电动势的图像符号。,1.3.1 电源,1、定义：是通过非静电力做功把其它形式的能转化为电势能的装置.,1、电源外部，正电荷将怎样移动？,2、电源内部，正电荷将怎样移动？,从正极到负极,从负极到正极,1.3.2 电源电动势,抽水机增加水的重力势能,电源增加电荷的电势能,不同的抽水机 抽水的本领(举起高度)不同使单位质量的水所增加的重力势能不同,不同的电源 非静电力做功的本领不同使单位正电荷所增加的 电势能不同,抽水机,容我三思,2、定义式：,3、单位： 伏特（V） 1V=1J/C,W：非静电力做的功（电源力移动正电荷所做的功），J； q ：电源力移动的电荷量，C;,电位差：,1、定义：非静电力把正电荷从负极移到正极 所做的功跟它的电荷量的比值。,1.3.2 电源电动势,5、特点:由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积无关, 跟电源外部电路无关.,4、物理意义：反映电源把其他形式的能转化为电能本领的大小。,电动势,存在电源的内部； 衡量电源力做功本领的物理量； 方向从负极指向正极； 单位V；,电压差,存在电源的内、外部； 衡量电场力做功本领的物理量； 方向从正极指向负极； 单位V；,教学评价,1、把 的能转换为 能的设备叫作电源。在电源内部把正电荷从电源的 移到电源的 。 2、在外电路中，电流由 流向 ，是 力做功；在内电路中，电流由 流向 ，是 力做功。,其他形式,电,负极,正极,负极,负极,正极,正极,电场,电源,第四节 电阻和电阻定律,【知识目标】 1、了解电阻的含义以及超导现象。 2、理解电阻定律。 【能力目标】 1、能熟练运用电阻定律计算电阻的大小。,1.4.1 电阻,1、金属导体中的自由电子在运动的过程中会不断地与金属中的离子发生碰撞，从而阻碍了其定向移动，这种阻碍作用就称为电阻，用符号R或r表示。,1k= 10 3 ； 1 M= 10 3 K,3、当导体两端加1 V电压，通过的电流是1 A时，导体的电阻就是1 。在国际单位制中，电阻的单位为欧（），常用的电阻单位还有千欧（k）、兆欧（M）等。,2、定义：电阻就是反映导体对电流起阻碍作用大小的一个物理量。,1.4.2 电阻定律,1、概念：在一定温度下，一个导体电阻的大小与导体材料、横街面积以及材料长度有关，与导体两端电压无关。,2、定义：在一定温度下，同一材料的导体电阻，与导体的长度成正比，与导体横截面积成反比，这就是电阻定律。表达式为：,= ,-导体长度 单位：m,S-导体横截面积 单位： 2,-导体材料电阻率 单位：m,R-导体电阻 单位：,1.4.2 几种常见的电阻率,由右表可知,各种金属材料的电阻率不一样。除贵重金属银之外,铜、铝的电阻率很小,即对电流的阻碍作用小,是理想的导电材料,所以广泛地用来绕制各种电气设备的线圈,制作各种导线等。电阻率比较高的材料主要用来制造各种电阻元件。例如镍铬合金及铁铬铝合金的电阻率较高,并有长期承受高温的能力,因此常用来制造各种电热器件的发热电阻丝。常见的滑线电 阻等也用镍铬合金制造。硬橡胶可做绝缘设备使用。,1、电导： 电阻的导数叫作电导：,= 1 ,2、导体的电阻大小还与温度有关，一般的金属到的电阻随温度的升高而增加，而碳和电解质的溶液的电阻，将随温度升高而减少。 表达式如下：, 2 = 1 1+ 2 1, 1 -导体对于温度 1 时的电阻；, 1 -导体对于温度 2 时的电阻；,-导体电阻温度系数；1/；,教学评价,1、导体对电流的 叫导体的电阻。当温度一定时，导体的电阻决定于 和 等因素，其计算公式为： 。 2、把一定长度导线直径减半，其电阻值将变为原来的 倍。,阻碍作用,材料、长度,横截面积,= ,4,第五节 欧姆定律,【知识目标】 1、理解欧姆定律的含义。 【能力目标】 1、能熟练运用欧姆定律分析电路。,1.5.1 部分电路欧姆定律,1、不含电源的一段电路称为部分电路，如下图所示。流过导体的电流和这段导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比，这个结论称为欧姆定律， 其数学表达式为：,部分电路,= ,U-导体两端的电压 符号：V,R-导体的电阻 符号： ,-导体中的电流 符号：A,欧姆定律揭示了电路中电流、电压、电阻三者之间的联系，是电路分析的基本定律之一。,【例1-5】已知某100W的白炽灯在电压220V时正常发光此时通过的电流是0.455A，试求该灯泡工作时的电阻？,【解】 欧姆定律 R= = 220 0.455 =484 ,【例1-6】在一根导线两端加12V电压时，测得通过他的电流为0.3A求这个导体的电阻？当两端假的电压为240V时，其电阻为多少？通过他的电流是多少？,【解】（1） 欧姆定律 R= = 12 0.3. =40,（2）当加电压20V电压时，电阻值不变，还是40, = = 240 40 =6（A）,电阻元件的特性一般用伏安特性来表示，伏安特性指的是电阻元件两端的电压U与通过其电流I的关系。当电阻器两端的电压与通过它的电流成正比，其伏安特性曲线为线性；反之，电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系的伏安特性曲线为非线性。如下图所示为伏安特性曲线。,1.5.2 伏安特性曲线,伏安特性曲线,1.5.3 全电路欧姆定律,1、定义：全电路是指内电路和外电路组成的闭合回路的整体，如下图所示：图中虚线部分代表一个电源的内部电路，称为内电路。电源内部一般都是有电阻的，这个电阻称为内电阻，简称内阻，用符号r或 0 表示。,全电路,电源以外的电路称为外电路，外电路的电阻R 称为外电阻； 电源内部的电路称为内电路，内电路的电阻r 称为内电阻。,1.5.3 全电路欧姆定律,1、内容：在全电路中电流强度与电源的电动势成正比，与整个电路的内电阻、外电阻之和成反比。其数字表达式为：,= +,E-电源的电动势，V；,R-外电路（负载）电阻， ；,r-内电路电阻， ；,I-电流中的电流， A ；,公式转换：,=+Ir= 外 + 内,输出电压,电源内阻压降,电源电动势在数值上等于闭合电路中内外电路电压降之代数和。,1.5.4 全电路的三种状态,1、端电压：外电路两端的电压又称为路端电压,简称端电压。,1）通路：当开关接在“1”号位置时，电路处于通路状态，电路中的电流= + 。 即 外 = 内 =Ir 当电源具有一定的内阻时，端电压总是小于电源电动势； 当电源电动势和内阻一定时，端电压随输出电流的增大而减小；,2）断路(开路)：当开关接在“2”号位置时，电源处于断路状态，在开路的状态下，负载无限大，或者电路中某处的连接导线断线，则电路中的电流I=0，内阻压降=0，电源的开路电压等于电源电动势。,3）短路：当开关接在“3”号位置时，电源被短路，电路中短路电流I=E/r。由于电源内阻一般都比较小，所以电流非常大。此时电源对外输出电压U=0。,1.5.4 全电路的状态关系表,【例1-7】如图所示，不计较电压表和电流表的内阻对电路的影响，求开关在不同位置时，电压表电流表的读数？,1、当开关在“1”号位置时，电路处于短路状态,2、当开关在“2”号位置时，电路处于断路状态,3、当开关在“3”号位置时，电路处于通路状态,第六节 电功率和电能,【知识目标】 1、了解电能的概念，了解电流的热效应的应用和危害。 2、理解电功率的概念。 【能力目标】 1、熟练计算电功、电功率。,1.6.1 电流的功,1、定义：定义:当电流通过负载将电能转化为其它形式的能时，我们就说电流流过负载时对负载所做了功(称为电功)；用符号W来表示。,2、关联：在一段电路中，电流对导体所做的功与导体两端的电压U（V）和通过导体的电流I（A）以及通电时间t（s）成正比。,3、数字表达式：,W=QU=IUt,U-加在负载上的电压 V；,T -时间 S；, -流过负载的电流 A；,W-电功 J；,Q -电荷 C；,W= 2 Rt= 2 ,适用于纯电阻负载,1、单位：电能的单位为焦(J)(Ws)。但在实际应用中常以千瓦小时(kWh) ( 俗称度)；作为电能的单位。仟瓦时在数值上等于功率为1千瓦的用电器工作1小时所消耗的电能。,1.6.2 电功单位,2、单位转换：,1度=1KWH=1000W*3600S =3.6* 10 6 WS =3.6* 10 6 (J),1.6.2 电功单位,1、定义： 电流在单位时间内所做的功，称为电功率，简称功率，用字母P来表示。,6、常用的电功率单位还有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。,3、数字表达式：,= ,4、单位：电功(W)的单位J，时间(t)的单位t,则电功率的单位为J/s，又称瓦特，简称瓦，用符号W来表示。,5、表达式衍生：P=IU= 2 R= 2 ,1.6.3 电流的热效应,1、定义： 当电流通过导体时，由于导体具有一定的电阻二发热，使电能转变成热能，这种现象叫做电流的热效应。,生活中的应用,1.6.4 焦耳定律,1、定义：电流流过导体时，导体产生的热量Q 与电流强度I 的平方、导体的电阻R 及通电时间t成正比。,2、数字表达式：,= I 2 ,Q -热量 J；,I -电流 A；,R -电阻 ；,T -时间 S；,3、电流的热效应利与弊 1）利：利用这一现象可制成许多电器，如电炉、电烙铁、电熨斗等。 2）弊：热效应会导致导线温度升高，若温度超过一定值时，会加速绝缘设备的老化，从而引起事故发生。,第七节 电源的最大输出功率,【知识目标】 1、理解电源和负载匹配关系。 【能力目标】 1、能运用电源输出最大功率的条件分析电路。,1.7.1 电源的最大输出功率,1、在一个接有负载的含源闭合回路中,电源在向负载提供电流的同时,又不断地向负载传输功率。由于电源内阻的存在,因而电源提供的总功率由内阻上消耗的功率与外接负载获得的功率两部分所组成。如果内阻上消耗的功率较大,那么负载得到的功率就较小,即电源的输出功率就较小 。,2、如果负载电阻R太大或太小都不能使负载得到大的功率。当负载电阻很大时,电路接近于开路状态;而当负载电阻很小时,电路接近于短路状态。显然,负载在开路及短路两种状态下都不会获得功率。故R从很小逐渐增大到极大的变化过程中,必有某一电阻值的负载,能从电源获得最大的功率。怎样才能使负载获得较大的功率呢?,闭合电路中的能量关系：,E= 内 + 外,1.7.1 电源的最大输出功率, 出 = 2 (抛物线),1、关系式：,2、图像：,I0,Im,Pm,3、规律：,断路,短路,输出功率最大,1.7.2 输出功率与电流关系 出 , 出 = 1 2,1、关系式：,2、图像：,U0,Um,Pm,3、规律：,短路,断路,输出功率最大,1.7.3 输出功率与电压关系 出 U, 出 = 2 = 2 ( ) 2 +4,1、关系式：,2、图像：,R0,Pm,3、规律：,短路,断路,输出功率最大,1.7.4 输出功率与电压关系 出 ,所有电路,所有电路,纯电阻电路,在纯电阻电路中，三个特殊状态的联系：,短路,断路,当=时，= 2 ，= 2 ， 出 = 2 4 ；,输出功率最大,当外电路发生变化时：,输出功率越大,三者之间的关系,1.7.5 生活中常识,1、当负载获得最大功率时,由于R=r,因而内阻上消耗的功率和负载消耗的功率相等, 效率只有50%,显然是不高的。在电子技术中,主要矛盾在于使负载获得最大功率, 率高低已属于次要问题,因而电路总是尽可能工作在R=r附近。与此相反,在电力系 中,主要目的是要有效地传输电能,降低电源内阻及输电线路上的损耗,提高效率,希望可能地减少电源内部的损失以节省电力,而不是去追求负