第1章 电路的基本概念与基本定律.ppt

电路与模拟电子技术,-计算机类2016级,关于本课程：为什么学该门课，难度多大有什么要求应该怎样学科代表:照片名册自我介绍：Name:蓝章礼Telmail:Lanzhangli,五、主要参考书,电路分析习题精解李瀚荪,电路分析基础（第3版，第4版）李瀚荪,电路与模拟电子技术(第二版)殷瑞祥,模拟电子技术基础华成英,第1章电路的基本概念及电路元件,1.5电路的工作状态与元件额定值,1.2电路模型,1.1电路组成与功能,1.4基本电路元件模型,1.3电路的基本物理量,1.6基尔霍夫定律,电压、电流的参考方向,本章重点,基本电路元件R、L、C的伏安特性,基尔霍夫定律,电压源、电流源的特性,1.1电路组成与功能,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,手电筒的实体电路,计算机网卡电路,1、电路的组成,电源:提供电能的装置,中间环节：传递、分配和控制电能的作用,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,负载:取用电能的装置,2、电路的功能,（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,1.2电路模型,手电筒的实体电路,在电路分析中，为了方便于对实际电气装置的分析研究，通常在一定条件下需要对实际电路采用模型化处理，即用抽象的理想电路元件及其组合近似地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。,手电筒的电路模型,负载,中间环节,电源,电路分析是在已知电路结构和参数的条件下，讨论激励与响应的关系。,今后分析的都是指电路模型，简称电路(集总参数电路)。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,理想电路元件分有有源和无源两大类,无源二端元件,有源二端元件,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,如果表征元件端子特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。,在实际应用中，电路基本物理量的单位常使用国际单位制（SI）的主单位。但有时感到这些单位太大或太小，不大方便，因此常在这些单位前面加上词头，用来表示这些单位乘以10n后所得到的辅助单位。,1.3.1电流,1.3电路的基本物理量,电流的大小用电流强度表示：单位时间内通过导体横截面的电荷量,1、电流的形成：电荷的定向运动形成电流。,安培（A）,电流的实际方向：规定为正电荷移动的方向。,表达式为：,电流的单位：,mA、A、nA,2、电流的参考方向,参考方向：任意选定的一个方向作为电流的参考方向。,i0表示电流的参考方向与实际方向相同,例1,i0表示电流的参考方向与实际方向相反,参考方向,I1=1A,I2=1A,电流参考方向的两种表示：,3、为什么要引入参考方向？,？,（a）复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。,用双下标表示,用箭头表示,注意：1、无参考方向，电流的正负无意义。2、参考方向一旦选定，中途不得更改。,（b）电流是交变的,当,电流实际方向与参考方向相同,当,电流实际方向与参考方向相反,1.3.2电压、电位和电动势,1、电压的定义,单位：伏特（V）,单位换算：1V103kV103mV,电场中某两点A,B间的电压（降）UAB等于将单位正电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB，即,2、电压（降）的参考方向,U0,U0,U110V,U210V,例2,3、电压参考方向的三种表示方式,（2）用箭头表示：箭头指向为电压的参考方向,（3）用双下标表示：如UAB,由A指向B的方向为电压的参考方向。,（1）用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压的参考方向,4、关联参考方向,关联参考方向：电流i从“”极性端流入，从“”极性端流出,非关联参考方向：电流i从“”极性端流入，从“”极性端流出,关联参考方向,非关联参考方向,电压电流参考方向如图中所标，问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？,A电压、电流参考方向非关联；,例3,B电压、电流参考方向关联。,注意,解,5、电位,在电路中任选一个点O作参考点（零电位点），则电路中一点A到O点的电压UAO称为A点的电位，记为VA，单位：伏特（V）。,电路的参考点可以任意选取,设c点为电位参考点，则Vc=0,电压也称为电位差：电路中a、b之间的电压就是a点电位与b点电位之差。,1.3.3功率和能量,功率：单位时间内电场力所做的功。,功率的单位名称：瓦（特）符号（W）,能量的单位名称：焦（耳)符号（J）,u、i关联参考方向,u、i非关联参考方向,与元件的类型、性质无关,表示元件吸收的功率,u、i关联参考方向,u、i非关联参考方向,单个电阻,RLC串联,电阻与电压源串联,元件吸收（或消耗）能量（负载）,元件释放（或提供）能量（电源）,p0,p0,功率守恒,t0到t吸收收的电能,1度1千瓦小时,对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率,功率的计算,P0，说明元件实际发出功率5W。,例U5V，I1A,（1）u、i取关联参考方向,（2）u、i取非关联参考方向,例U5V，I1A,P0，说明元件实际吸收功率5W。,如图电路，已知i=1A，u1=3V，u2=7V，u3=10V，求ab、bc、ca三部分电路吸收的功率P1，P2，P3。,吸收,吸收,释放,能量守恒,例4,解,右图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。,由图可知UI为关联参考方向，因此:,右图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。,由图可知UI为非关联参考方向，因此:,元件吸收正功率，说明元件是负载。,例5,解,例6,解,1.4基本电路元件模型,1.4.1电阻元件,R单位：欧姆（）,G单位：西门子（S）,R：,可用电导G表示,表示电阻元件,表示电阻大小,1、符号,线性电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线,线性电阻,非线性电阻,2、欧姆定律,线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,（1）电压与电流取关联参考方向,（2）电压与电流取非关联参考方向,3、功率和能量,耗能元件,功率：,能量：,从t0到t电阻消耗的能量：,4、开路与短路,当R=(G=0)，视其为开路。i=0，u由外电路决定,当R=0(G=)，视其为短路。u=0，i由外电路决定,色环电阻,热敏电阻,热敏电阻是对温度敏感的电阻器。特点是其阻值随温度的变化而变化，主要用途是进行温度检测。,光敏电阻,光敏电阻器是对光线敏感的电阻器，其阻值与入射光线的强弱成反比。主要用途是进行光的检测。,压敏电阻,压敏电阻是对电压敏感的电阻器，当外加电压达到临界值时，阻值急剧减小。主要用途是过压保护和抑制浪涌电流。,电位器,12101120,150103150k,1.4.2电容元件,1、电容：是一种储存电场能量的元件。,对线性电容，有：,电容C的单位：法拉（F）。常用F，nF，pF等表示。,C称为电容器的电容,电容器的符号,（电解电容）,电容,22105pF,10105pF,10102pF,铝电解电容器,负极性标记,长引脚为正极性,钽电容器,2、线性电容的电压与电流的关系,非关联参考方向：,（关联参考方向）,i的大小取决于u的变化率，与u的大小无关；,当u为常量时，i=0。,电容在直流电路中相当于开路，流过的电流为0。电容元件具有隔直流通交流的特点。,位移电流,电流是以位移电流的形式通过的。,如果有交变电压加在电容器两极板上，由于电场的交变，在接有电容器的电路中导体各横截面的电量也随时间变化，电路中将会形成电流，这种电流称为位移电流。,在某一时刻t，电容电压的数值并不取决于该时刻的电流值，而是取决于从到t所有时刻的电流值。电容电压有“记忆”电流的作用，电容是“记忆”元件，又称惯性元件。,电容贮能与电压平方成正比，而与电流无关，电容电压不能跃变实质上是能量不能跃变的反映。,3、功率,4、电容的贮能,p0吸收功率,关联参考方向,p0放出功率,5、电容元件的串、并联,（1）串联,（2）并联,1.4.3电感元件,当磁通与电流i参考方向之间符合右手螺旋关系时，磁力链与电流的关系为：,电感：是一种储存磁场能量元件。,L是单位电流所产生的磁通数（韦伯/安培）,单位：,H（亨利）,通常用mH、H,特性曲线,所有t,环型电感,棒型电感,色环电感,1、线性电感的电压与电流的关系,非关联参考方向：,（关联参考方向）,u的大小取决于i的变化率，与i的大小无关；,当i为常量时，u=0。,电感在直流电路中相当于短路，两端电压为0。,电感上电流取决于从到t所有时刻的电压值。电感电流有“记忆”电压的作用，电感是“记忆”元件。,电感贮能与电流平方成正比，而与电压无关，电感电流不能跃变实质上是能量不能跃变的反映。,2、功率,3、电感的贮能,p0吸收功率,关联参考方向,p0放出功率,4、电感元件的串、并联,（1）串联,（2）并联,一、理想电压源,1.4.4有源电路元件,特点：,1.端电压为恒定值（直流电压源）或固定的时间函数（交流电压源），与所接外电路无关。,电路符号：,2.通过电压源的电流则随外电路的不同而变化。,理想电压源忽略了实际电压源的内阻，是一种理想元件。,例7,实际电压源,理想电压源,理想电压源的开路与短路：,理想电压源不允许短路！,理想电压源上的功率计算：,关联参考方向下,非关联参考方向下,例8,计算图示电路各元件的功率,解,释放10W功率,吸收5W功率,吸收5W功率,满足功率守恒,二、理想电流源,特点：,1.通过电流源的电流为恒定值（直流电流源）或固定的时间函数（交流电流源），与所接外电路无关。,电路符号：,2.端电压则随外电路的不同而变化。,理想电流源忽略了实际电流源的内阻，是一种理想元件。,例9,实际电流源,理想电流源,理想电流源的开路与短路：,理想电流源不允许开路！,理想电流源上的功率计算：,关联参考方向下,非关联参考方向下,1.5.1电路的工作状态,1.5电路的工作状态与元件额定值,2、短路,1、开路,（电流为0）,（电压为0）,3、负载状态,这时有:,满载:电路中的电流电源的额定电流,过载:电路中的电流电源的额定电流,欠载:电路中的电流电源的额定电流,1.5.2电气设备的额定值,用电器铭牌数据上的电压、电流值称额定值，所谓额定值是指用电器长期、安全工作条件下的最高限值，一般在出厂时标定。其中额定电功率反映了用电器在额定条件下能量转换的本领。,如灯泡的铭牌数据为220V100W，说明额定值UN=220V，PN=100W，使用时应将其接在220V电源上，此时灯泡消耗的功率是100W。若将其接在110V电源上，灯泡就很暗；若接在380V电源上，灯泡就会损坏。一般情况下应按铭牌数据的规定范围使用设备。,1.6基尔霍夫定律,基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）两个定律，是集总电路必须遵循的普遍规律。,若干元件按一定的连接方式构成电路后，电路中各元件的电压或电流必然受到两类约束，一类约束来自元件本身的性质，即元件的电压电流关系；另一类约束来自元件的相互连接方式，即基尔霍夫定律。,几个常用的电路名词,1、支路：,电路中通过同一电流的分支叫做支路,任意几个二端元件的串联组合，也是一条支路。,2、结点：,电路中3条或3条以上支路的连接点。,一条支路流过一个电流，称为支路电流。,任意一个二端元件都是一条支路。,3、回路：,电路中任一闭合路径称为回路。,4、网孔：,内部不含其它支路的回路称为网孔。,网孔是回路，回路不一定是网孔。平面电路的每个网眼都是一个网孔。,从一个结点出发，通过某些支路一次又回到该结点，这个通路就称为回路。,支路：ab、bc、ca、（共6条）,回路：abda、abca、adbca（共7个）,结点：a、b、c、d（共4个）,网孔：abd、abc、bcd（共3个）,例10,1.6.1基尔霍夫电流定律（KCL）,即:,在任一瞬间，流入电路中任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。,实质:电流连续性的体现。,或,对结点a：,或,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,求电路中的电流i1、i2。,例11,解,可得：,可得：,KCL的推广应用,仍有,可见，在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零。,对A、B、C三个结点应用KCL可列出：,上列三式相加，便得,求电流i,解,例12,二端网络的两个对外引出端子上电流相等，一个流入、一个流出。,只有一条支路相连时：,KCL的推广范围,例13,求流过2电阻的电流I=？,I=0,I的值需要计算,I=0？,KCL是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；,KCL是对结点处支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；,KCL方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。,明确,例14,电路中哪些是电源？哪些是负载？,解,释放50W功率,吸收45W功率,吸收5W功率,则10A电流源是电源，5V电压源和电阻是负载。,1.6.2基尔霍夫电压定律（KVL）,对于任一集总电路中的任一回路，在任一时刻，沿着该回路的所有支路电压降的代数和为零。,推论：,电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压降之和。,UAB沿左和沿右计算结果相同，符合电位的单值性。,电路中任意两点的电压，与绕行路径无关；应学会根据KVL，求任意两点间的电压。,KVL推广应用于假想的闭合回路,根据U=0,求电压u,例15,解,KVL的实质反映了电路