第一章 电路的基本概念与基本定律.ppt

1、电 路 电 子 学,中国海洋大学计算机系 殷波,第一章 电路的基本概念基本定律,第一章 电路的基本概念基本定律,1. 理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解、掌握电路的基本定律并能正确应用； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态， 理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。,本章要求:,(1) 实现电能的传输、分配与转换,1. 电路的作用,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。,1.1 电路的作用与组成部分,(2)实现信号的传递与处理,2. 电路的组成部分,电源: 提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制

2、电能的作用,1.1 电路的作用与组成部分,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,电源或信号源的电压或电流称为激励,(推动电路工作)；由激励所产生的电压和电流称为响应。,1.1 电路的作用与组成部分,电路元件的理想化,在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件。,为什么电路元件要理想化?,便于对实际电路进行分析和用数学描述，将实际元件理想化（或称模型化）。,1.2 电路模型,手电筒的电路模型,1.2 电路模型,今后分析的都是指电路模型，简称电路。,一.电流,带电粒子向一个方向移动形成电流。,电流由其大小与方向来描述。,1.电流的大小：用电流

3、强度来表示,定义为单位时间内通过导体横截面的电荷量。即:,(1-1),1.3 电路的基本概念,单位安培（A）,1kA=103A；1A=103mA=106uA=109nA,电流大小与方向均不变的称为直流(DC); 大小与方向均随时间而改变的称为交流(AC); 有方向不变而大小随时间而变;或者大小不变,而方向随时间而变的电流,常称为脉冲电流。,1.3 电路的基本概念,2.电流的方向：正电荷运动的方向规定为电流的方向,+,1.3 电路的基本概念,二.电压,1.电压就是单位正电荷在电场力的作用下，从电路中的一点移至另一点时电路所吸收或放出的能量。用u表示。即:,(1-3),dw为电路吸收的能量； dq

4、为通过的电荷。,1.3 电路的基本概念,2.电压的方向：正电荷在电场力的作用下，顺着电场的方向移动，电场力做正功，uAB0，则A点为高电位点（），B点为低电位点（-）。,三.电位,1.3 电路的基本概念,电路中某点至参考点的电压，记为“VX” 。 通常设参考点的电位为零（接地）。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高； 某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,例1.3.1 如下图所示，分别计算各点电位。,1.3 电路的基本概念,结论：,(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2) 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变， 即与零电位参考点的选

5、取无关。,（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为 零）之间的电压 （2）参考点选得不同，电路中各点的电位值随着 改变，但是任意两点间的电位差是不变的。,注意：,1.3 电路的基本概念,借助电位的概念可以简化电路作图,接地零参考点,1.3 电路的基本概念,例题1.3.2 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点的电位VA,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。,电流在闭合 路径中流通,1.3 电路的基本概念,解,I（VAVC）（R1R2） 6（9）（100

6、50） 103 0.1mA,UABVAVBR2I VBVAR2I 6（50 103) (0.1 10-3) 1V,例题1.3.3 计算左图电路中B点的电位。,1.3 电路的基本概念,四. 电动势,非库伦电场将单位正电荷由低电位处b移到高电位处a所做的功为ba之间的电动势，方向由b指向a，如电池内部。,1.3 电路的基本概念,单位时间内某电路所吸收或放出的能量称为该电路的功率。若dt时间内,电路能量的变化为dw ,则定义电功率,五. 功率,1.3 电路的基本概念,对于直流电或正弦交流电，电阻所吸收的功率可以写为,电能：电流通过负载所做的功，与电功率的关系为,例1.3.4 试计算图1-18电路中负

7、载在一小时内消耗的电能,负载电阻为,该负载一小时消耗的电能为,1.3 电路的基本概念,电压和电流的方向,实际方向 参考方向,参考方向 在分析计算时人为规定的方向。,1.4 电压和电流的参考方向,1. 电路基本物理量的实际方向,1.4 电压和电流的参考方向,(2) 参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，人为规定的方向。,2. 电路基本物理量的参考方向,1.4 电压和电流的参考方向,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3) 实际方向与参考方向的关系,注意： 只有在参考方向选定后，电流 ( 或电压

8、) 值才有正负之分。,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,例1.4.1,若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。,若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。,1.4 电压和电流的参考方向,问题 在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向，如何解决？,1.4 电压和电流的参考方向,在解题前任选某一个方向为参考方向（或称正方 向）； (2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关系 的代数表达式； (3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。,

9、解决方法,1.4 电压和电流的参考方向,3.关联参考方向,电流i与电压u参考方向一致时称为关联，否则就是非关联。,一个元件当它的电流参考方向假定以后，其电压的参考极性就不再任意假定了，而一定是把电压降的方向取为电流的参考方向；或当它的电压的参考极性被假定以后，其电流的参考方向就不再任意假定了，而一定是把电流的参考方向假定为与电压降的方向一致。,1.4 电压和电流的参考方向,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。,1.5 欧 姆 定 律,U、I 参考方向相同时,U、I 参考方向相反时,注意:,当电压和电流的参考方向一致时 U=RI 当电压和电流的参考方向相反时 U=RI,电路端电压与电流的关系称

10、为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,1.5 欧 姆 定 律,电阻单位 ：,K,M。,1.5 欧 姆 定 律,某导电材料AB两端之间的电阻阻值为,电阻元件伏安特性的斜率就是电导。,电导定义为：,电导单位：S (称“西门子”）,解,例1.5.1 应用欧姆定律对下图的电路列出式子，并求电阻R,1.5 欧 姆 定 律,一.电源有载工作,开关闭合,有载,开关断开,开路,cd短接,短路,1.6 电源有载工作、开路与短路,1. 电压和电流,由欧姆定律可列上图的电流,负载电阻两端电压,电源的外特性曲线,

11、当,R0R时,由上两式得,1.6 电源有载工作、开路与短路,2.功率与功率平衡,功率 设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为:,功率平衡：由UER0I 得 UIEIR0I2,PPE P,电源输出 的功率,电源内阻上 损耗功率,电源产生 的功率,W为瓦特 KW为千瓦,1.6 电源有载工作、开路与短路,例1.6.1如图，U220V，I5A，内阻R01R020.6， (1)求电源的电动势E1和负载的反电动势E2； (2)试说明功率的平衡,1.6 电源有载工作、开路与短路,1.6 电源有载工作、开路与短路,负载取用 功率,电源产生 的功率,负载内阻 损耗

12、功率,电源内阻 损耗功率,1.6 电源有载工作、开路与短路,3. 电源与负载的判别,分析电路时，如何判别哪个元件是电源？哪个是负载？,1.6 电源有载工作、开路与短路,U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。,U、I 参考方向相同，P =UI 0， 负载； P = UI 0，电源。,1）根据 U、I 的实际方向判别,2）根据 U、I 的参考方向判别,电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出。 （发出功率）；,负载： U、I 实际方向相同，即电流从“+”端流入。 （吸收功率）。,1.6 电源有载工作、开路与短路,额定值是制造厂商为了使产品能在给定的条件下

13、正常运行而规定的正常允许值,电气设备的三种运行状态,额定工作状态、过载(超载)、欠载(轻载),1. 额定值反映电气设备的使用安全性；,2. 额定值表示电气设备的使用能力。,4额定值与实际值,1.6 电源有载工作、开路与短路,解,一个月的用电量 WPt60(W)30 (h) 5.4kWh,例1.6.2 已知：有一220V 60W的电灯，接在220V的电源上，求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时电阻，如每晚用3小时，问一个月消耗电能多少？,1.6 电源有载工作、开路与短路,解,在使用时电压不得超过 URI5000.150V,例1.6.3 已知：有一额定值为5W 500 的线绕电阻，问其额定

14、电流？在使用时电压不得超过多大？,1.6 电源有载工作、开路与短路,二. 电源开路,特征：I0 UU0E P0,三. 电源短路,特征：U0 IISER0 PEPR0R0I2 P=0,1.6 电源有载工作、开路与短路,用来描述电路中各部分电压或各部分电流的关系,包括基尔霍夫电流和基尔霍夫电压两个定律。,注,基尔霍夫电流定律应用于结点 基尔霍夫电压定律应用于回路,1.7 基尔霍夫定律,支路：,回路：,结点：,1.7 基尔霍夫定律,ab、ad、ac、bd、bc、dc,a、 b、c、d,abda、 abcda、 abca、abdca、adca、bcdb、bcadb,（共6条）,(共4个）,（共7 个）

15、,一.基尔霍夫电流定律,如图 I1I2I3 或 I1I2I30 即 I0,在任一瞬时，流入某一结点的电流之和应该等于流出该结点的电流之和。即在任一瞬时，一个结点上电流的代数和恒等于零。,1.7 基尔霍夫定律,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,I =?,I = 0,推广,例:,广义结点,A: IA=IAB-ICA B: IB=IBC-IAB C: IC=ICA-IBC IA + IB + IC = 0 即:= 0,1.7 基尔霍夫定律,解,由基尔霍夫电流定律可列出 I1I2I3I40 2（3）（2）I40,可得 I43A,例1.7.1 已知：如图所示，I12A，I23A，I

16、32A，试求I4。,1.7 基尔霍夫定律,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。即在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,二.基尔霍夫电压定律（KVL定律),即： U = 0,对回路1：,对回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3 (1),I2 R2+I3 R3=E2 (2),或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,对回路3：,E1E2R1I1 R2I2 0 (3),1.7 基尔霍夫定律,对回路3： E1E2R1I1R2I20 或 E1E2R1I1R2I2 即 E （R

17、I）,在电阻电路中，在任一回路循行方向上，回路 中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和,在这里电动势的参考方向与所选回路循行方向相反者，取正号，一致者则取负号。 电压与回路循行方向一致者，取正号，反之则取负号。,注,1.7 基尔霍夫定律,基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路,UUAUBUAB=0 或 UABUAUB,EURI0 或 UERI,注,列方程时，要先在电路图上标出电流、电压或 电动势的参考方向。,1.7 基尔霍夫定律,例1.7.2 已知：下图为一闭合电路，各支路的元件是任意 的，但知UAB5V，UBC4V，UDA3V，试求：（1）UCD：（2）UCA。,1.7 基尔霍夫定律,解,由基尔霍夫电压定律可得,（1）UABUBCUCDUDA=0 即 UCD2V,（2）UABUBCUCA0 即 UCA1V,1.7 基尔霍夫定律,解,I1I2E1（R1R2） 6（42） 1A I30 VA R3I3E2R2I2 042 1 2V,或 VAR