第1章电路的基本概念和基本定律.ppt

本章主要介绍 三个物理量 电流 电压 功率 几种基本元件 电阻 电容 电感 电源 三个定律 欧姆定律 电流定律和电压定律 上篇电路基础知识第1章电路的基本概念和基本定律 电路是电流流通的路径一 电路的作用电路的作用是进行电能的传输和转换 或是实现信号的传递和处理 电路是由某些电气设备和元器件按一定方式连接组成 二 电路的组成电路可分成电源 负载和中间环节三个部分电源是提供电能的设备 是电路工作的能源 电源的作用是将非电能转换成电能 负载是用电设备 是电路中的主要耗电器件 负载的作用是将电能转换成非电能 中间环节是指电源与负载之间的部分 1 1电路和电路模型 1 1 3电路模型 三 电路模型忽略电路元器件的次要因素 将其理想化 并用规定的电气图形符号表示所组成的电路 称为电路模型 一 定义 电荷的定向运动形成电流 电流的方向不变为直流I 方向和大小都变化为交流i 二 单位 1A 103mA 106 A 1kA 103A三 参考方向 正电荷运动的方向为电流的实际方向 假设的电流流向称为电流的参考方向 1 2电路的基本物理量1 2 1电流及其参考方向 一 定义 电场力将单位正电荷从电场中的a点移到b点所做的功 称其为a b两点间的电压 直流电压Uab 交流电压uab 两点间的电压又称为电路中两点间的电位差Uab Ua Ub电位是电路中某点到参考点之间的电压参考点是任意选择的一点 零电位点 接地 点 若选b点为参考点Ub 0 Uab Ua Ub Ua 电动势E是电源力将单位正电荷从低电位点b移动到高电位点a所做的功 1 2 2电压及其参考方向 二 单位 1V 103mV 106 V 1kV 103V三 参考方向 习惯上把电位降低的方向作为电压的实际方向 电压实际方向和电压参考方向 关联参考方向 当某一元件或电路端口所设定的电压和电流的参考方向是让参考电流从参考电压的正极到负极流过时 称电压和电流的参考方向为关联参考方向 否则是非关联参考方向 1 2 3电流和电压的关联参考方向 一 特性与功能 限流 分流 降压 分压 偏置等二 符号 单位 电阻的单位是 欧 姆 三 电阻的分类电阻器有固定电阻和可变电阻之分 可变电阻常称作电阻器 按材料分有碳膜电阻 金属膜电阻和线绕电阻等不同类型 1 3电路的几种基本元件 1 3 1电阻 四 电阻的伏安特性电阻上电压 电流之间的关系就是电阻的伏安特性 电阻的伏安特性就是欧姆定律 公式表达为如果某类电阻的伏安关系曲线是一条直线 则称该类电阻为线性电阻 反之 就是非线性电阻 一 特性与功能 隔直流 耦合交流 旁路交流 滤波 定时和组成振荡电路等二 符号 单位 电容器的基本单位是F 法 拉 常用的单位有 微法 F 纳法 nF 和皮法 pF 等三 电容的分类从结构上 固定电容和可变电容从介质材料 瓷介 纸介 云母 涤纶 独石 铝电解 钽电解等从用途 高频旁路电容 高频耦合电容 低频旁路电容 低频耦合电容 滤波电容 调谐电容等 1 3 2电容 四 电容的伏安特性电容是一种能够储存电场能量的实际电路元件 假设电容两极板上储存的电荷量为q 在两极板间建立的电压为u 那么就存在如下关系 q Cu 一 特性与功能 隔交流 常和电容一起构成LC振荡器 LC滤波器 LC调谐电路等二 符号 单位 电感的基本单位是 亨 利 英文字母 H 表示 常用的单位是mH和 H 三 电感的分类按照骨架材料来分类 可以分为空气芯电感 磁芯电感和铁芯电感等 1 3 3电感 四 电感的伏安特性 任何一个实际电源都可以用电压源模型或电流源模型来表示 一 电压源模型理想电压源 是一个理想二端元件 它在工作时 无论接在输出端的负载如何变化 其输出端电压保持不变 输出电流与它所连接的外电路有关 实际的电压源 都含有内阻R0 当输出电流I变化时 内阻R0上的电压也发生变化 输出的端电压U也将变化 1 3 4电源 二 电流源模型理想电流源 是一个理想二端元件 它在工作时 无论接在输出端的负载如何变化 其输出电流保持不变 两端电压与它所连接的外电路有关 实际的电流源 可以看作是理想电流源Is和内阻R0的并联 其输出电压和电流都会随负载的变化而变化 一 电能 单位为焦 耳 J 工程上常采用千瓦时 kWh 作为电能的单位 俗称1度电 文字标注为 W 二 功率 是指单位时间内元件所吸收或发出的电能 单位为瓦 W 文字标注为 P 功率可表达为某段电路上的电压与电流的乘积 关联参考方向 元件上电流和电压的参考方向一致 P UI非关联参考方向 电流和电压的参考方向不一致 P UIP 0吸收功率 消耗功率 为负载P 0发出功率 产生功率 为电源 1 4电能与功率 有一个收录机供电电路 用万用表测出收录机的供电电流为80mA 供电电源为3V 忽略电源的内阻 收录机和电源的功率各是多少 根据计算结果说明是发出功率还是吸收功率 解 收录机电流与压是关联参考方向P UI 3V 80mA 240mW 0 24W结果为正 说明收录机是吸收功率 电池电流与压是非关联参考方向P UI 3V 80mA 0 24W结果为负 说明电池是发出功率 例1 如果例1题中的电池已经降为2V 现将收录机换为充电器 充电电流为 150mA 问此时电池的功率为多少 是吸收功率还是发出功率 充电器的功率为多少 是吸收功率还是发出功率 解 电池为非关联P UI 2V 150mA 0 3W结果为正吸收功率 电池是充电器的负载 充电器为关联P UI 2V 150mA 0 3W结果为负发出功率 充电器是电路中的电源 例2 三 常用元件的功率线性电阻的瞬时功率始终 0 也即电阻总是吸收能量的 电容的瞬时功率可正可负 电容吸收的能量以电能的形式储存在电容两极板间的电场中 不会以热能或其它能量形式消耗掉 所以电容是储能元件 电感的瞬时功率可正可负 电感吸收的能量以磁能的形式储存在电感线圈周围的磁场中 不会以热能或其它能量形式消耗掉 所以电感也是储能元件 基尔霍夫定律分为电流定律和电压定律 三个术语 支路 电路中流过同一电流的分支 称为支路 图1 5 1中共有三条支路 结点 三条或三条以上支路的连接点 称为结点 图1 5 1中共有两个结点 回路 电路中任一闭合的路径 称为回路 图1 5 1中共有三个回路 1 5基尔霍夫定律 在任一瞬间流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和 对结点a可以写出 I1 I2 I3改写成 I1 I2 I3 0即 I 0这说明在任一瞬间 一个结点上电流的代数和等于零 KCL解题 首先应标出各支路电流的参考方向 列 I 0表达式时 流入结点的电流取正号 流出结点的电流取负号 1 5 1基尔霍夫电流定律 KCL KCL也可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面 对虚线所包围的闭合面可视为一个结点 而面外三条支路的电流关系可应用KCL得 1 5 2基尔霍夫电压定律 KVL 在任一瞬间沿任一回路绕行一周 回路中各个元件上电压的代数和等于零 可用公式表示为 U 0按照虚线所示方向绕行一周 根据电压的参考方向可列出 或 KVL定律还可以表示为 在任一回路绕行方向上 回路中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数