電路和電路模型ppt課件

電路基礎,石家莊理工職業(yè)學院,計算機與信息技術(shù)系,葛莉,主要內(nèi)容,項目一認識電路的基本物理量和基爾霍夫定律,1.1電路和電路模型,電路的概念,由實際元器件構(gòu)成的電流的通路稱為電路。,1、電路的組成及其功能,電路是電流的通路,電路通常由電源、負載和中間環(huán)節(jié)三部分組成。,電路的組成,1、電路的組成及其功能,電源,連接導線和其余設備為中間環(huán)節(jié),負載,電路可以實現(xiàn)電能的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。,電力系統(tǒng)中,電子技術(shù)中,電路可以實現(xiàn)電信號的傳遞、變換、存儲和處理。,1、電路的組成及其功能,電路的功能,2、電路模型,實體電路,電路模型,電源,負載,中間環(huán)節(jié),用抽象的理想電路元件及其組合，近似地代替實際的器件，從而構(gòu)成了與實際電路相對應的電路模型。,理想電路元件,電阻元件只具耗能的電特性,電容元件只具有儲存電能的電特性,理想電壓源輸出電壓恒定，輸出電流由它和負載共同決定,理想電流源輸出電流恒定，兩端電壓由它和負載共同決定。,電感元件只具有儲存磁能的電特性,理想電路元件是實際電路器件的理想化和近似化，其電特性單一、精確，可定量分析和計算。,3、理想元件,5種基本理想電路元件有三個特征：（a）只有兩個端子；（b）可以用電壓或電流按數(shù)學方式描述；（c）不能被分解為其他元件。,注意,電路元件按照其與電路其他部分相連接的端鈕數(shù)，可以分為二端元件和多端元件。二端元件通過兩個端鈕與電路其他部分連接；多端元件通過三個或三個以上端鈕與電路其他部分連接。,3、理想元件,檢驗學習結(jié)果,電路由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？,何謂理想電路元件？其中“理想”二字在實際電路的含義？,理想元件有何特征？,學好本課程，應注意抓好四個主要環(huán)節(jié)：提前預習、認真聽課、及時復習、獨立作業(yè)。還要處理好三個基本關(guān)系：聽課與筆記、作業(yè)與復習、自學與互學。,1.2電路基本物理量及參考方向,電路中的主要物理量有電壓、電流、電荷、磁鏈、能量、電功率等。在線性電路分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流、電壓和功率。,1.電流的參考方向,電流,電流強度,帶電粒子有規(guī)則的定向運動,單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量,方向,規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向,單位,1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6A,A（安培）、kA、mA、A,元件(導線)中電流流動的實際方向只有兩種可能:,對于復雜電路或電路中的電流隨時間變化時，電流的實際方向往往很難事先判斷。,問題,參考方向,任意假定一個正電荷運動的方向即為電流的參考方向。,i0,i0吸收正功率(實際吸收)負載,P0發(fā)出正功率(實際發(fā)出),P0發(fā)出負功率(實際吸收),u,i取非關(guān)聯(lián)參考方向,例,求圖示電路中各方框所代表的元件吸收或產(chǎn)生的功率。,已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A,解:,對一完整的電路，滿足：發(fā)出的功率吸收的功率,注意,已知：U1=1V,U2=-3V，U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3V，I1=2A,I2=1A,，I3=-1A,想想、練練,已知某電路中Uab=-5V,試說明a,b兩點哪點電位高？,一個元件的功率為P=100W，試討論關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)參考方向下，該元件吸收還是發(fā)出功率？,想想、練練,I3,如圖所示的電路中有三個元件。電流、電壓的參考方向如圖中箭頭所示，實驗測得：I1=3A,I2=-3A,I3=-3A,U1=-120V,U2=70V,U3=-50V試指出各元件電流、端電壓的實際方向，計算元件的功率，并指出哪個元件吸收功率，哪個元件發(fā)出功率。,1.4電路元件,是電路中最基本的組成單元。,1.電路元件,5種基本的理想電路元件：,電阻元件：表示消耗電能的元件,電感元件：表示產(chǎn)生磁場，儲存磁場能量的元件,電容元件：表示產(chǎn)生電場，儲存電場能量的元件,電壓源和電流源：表示將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。,注意,如果表征元件端子特性的數(shù)學關(guān)系式是線性關(guān)系，該元件稱為線性元件，否則稱為非線性元件。,1.4.1電阻元件,2.線性時不變電阻元件,電路符號,電阻元件,對電流呈現(xiàn)阻力的元件。其特性可用ui平面上的一條曲線來描述：,任何時刻端電壓與電流成正比的電阻元件。,1.定義,伏安特性,0,ui關(guān)系,R稱為電阻，單位：(Ohm),滿足歐姆定律,單位,G稱為電導，單位：S(Siemens),u、i取關(guān)聯(lián)參考方向,伏安特性為一條過原點的直線,如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)，公式中應冠以負號；,說明線性電阻是無記憶、雙向性的元件。,歐姆定律,只適用于線性電阻(R為常數(shù)）；,則歐姆定律寫為,uRiiGu,公式和參考方向必須配套使用！無特殊說明一般均使用關(guān)聯(lián)參考方向,注意,3.功率和能量,電阻元件在任何時刻總是消耗功率的。,p-ui(-Ri)ii2R-u2/R,puii2Ru2/R,功率,表明,從t0到t電阻消耗的能量：,4.電阻的開路與短路,能量,短路,開路,0,0,實際電阻器,5.線性電阻元件的串、并聯(lián),1.串聯(lián),特點：,1.流過所有電阻的電流i相同,2.u=u1+u2+un,3.Req=R1+R2+Rn,分壓公式：,2.并聯(lián),特點：,1.所有電阻的電壓u相同,2.i=i1+i2+in,3.,分流公式：,1.4.2電容元件(Capacitor),電容器,在外電源作用下，兩極板上分別帶上等量異號電荷，撤去電源，板上電荷仍可長久地集聚下去，是一種儲存電能的部件。,1.定義,電容元件,儲存電能的元件。其特性可用uq平面上的一條曲線來描述,庫伏特性,任何時刻，電容元件極板上的電荷q與電壓u成正比，qu特性是過原點的直線。,電路符號,2.線性電容元件,C稱為電容器的電容,單位：F(法)(Farad，法拉),常用F、pF、nF等表示。1F=103F=106pF=109nF,單位,線性電容的電壓、電流關(guān)系,電容元件VCR的微分形式,表明:,(1)i的大小取決于u的變化率,與u的大小無關(guān)，電容是動態(tài)元件；,(2)當u為常數(shù)(直流)時，i=0。電容相當于開路，電容有隔斷直流作用；,實際電路中通過電容的電流i為有限值，則電容電壓u必定是時間的連續(xù)函數(shù)。,u、i取關(guān)聯(lián)參考方向,電容元件有記憶電流的作用，故稱電容為記憶元件,（1）當u，i為非關(guān)聯(lián)方向時，上述微分和積分表達式前要冠以負號;,電容元件VCR的積分形式,表明:,注,（2）上式中u(t0)稱為電容電壓的初始值，它反映電容初始時刻的儲能狀況，也稱為初始狀態(tài)。,3.電容的功率和儲能,功率,u、i取關(guān)聯(lián)參考方向,電容的儲能,（1）電容的儲能只與當時的電壓值有關(guān)，電容電壓不能躍變，反映了儲能不能躍變；,表明,（2）電容儲存的能量一定大于或等于零。,課本13頁1-15,從t1時刻到t2時刻電容儲能的變化量：,電容能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量，轉(zhuǎn)化為電場能量儲存起來，在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電容元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。,1.4.2電感元件(Inductor),電感器,把金屬導線繞在一骨架上構(gòu)成一實際電感器，當電流通過線圈時，將產(chǎn)生磁通，是一種儲存磁場能量的部件。,(t)N(t),1.定義,電感元件,儲存磁能的元件。其特性可用i平面上的一條曲線來描述。,韋安特性,(t)(t),任何時刻，通過電感元件的電流i與其磁鏈成正比。i特性是過原點的直線。,電路符號,2.線性電感元件,L稱為電感器的自感系數(shù),L的單位：H(亨)(Henry，亨利)，常用H，mH表示。,單位,線性電感的電壓、電流關(guān)系,u、i取關(guān)聯(lián)參考方向,表明,(1)電感電壓u的大小取決于i的變化率,與i的大小無關(guān)，電感是動態(tài)元件；,(2)當i為常數(shù)(直流)時，u=0。電感相當于短路；,實際電路中電感的電壓u為有限值，則電感電流i不能躍變，必定是時間的連續(xù)函數(shù)。,根據(jù)電磁感應定律與楞次定律,電感元件VCR的微分關(guān)系,電感元件有記憶電壓的作用，故稱電感為記憶元件。,（1）當u，i為非關(guān)聯(lián)方向時，上述微分和積分表達式前要冠以負號;,表明,注,電感元件VCR的積分形式,（2）上式中i(t0)稱為電感電流的初始值，它反映電感初始時刻的儲能狀況，也稱為初始狀態(tài)。,3.電感的功率和儲能,功率,u、i取關(guān)聯(lián)參考方向,電感的儲能,（1）電感的儲能只與當時的電流值有關(guān)，電感電流不能躍變，反映了儲能不能躍變；,表明,（2）電感儲存的能量一定大于或等于零。,從t0到t電感儲能的變化量：,電感能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量儲存起來，在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路，因此電感元件是無源元件、是儲能元件，它本身不消耗能量。,電容元件與電感元件的比較,電容C,電感L,變量,電流i磁鏈,關(guān)系式,電壓u電荷q,(1)元件方程的形式是相似的；,(2)若把ui，q，CL互換,可由電容元件的方程得到電感元件的方程；,(3)C和L稱為對偶元件,、q等稱為對偶元素。,結(jié)論,1.5電壓源和電流源,電路符號,1.理想電壓源,定義,其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與流過它的電流i無關(guān)的元件叫理想電壓源。,電源兩端電壓由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與流經(jīng)它的電流方向、大小無關(guān)。,通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定。,理想電壓源的電壓、電流關(guān)系,直流電壓源的伏安關(guān)系,例,外電路,電壓源不能短路！,0,電壓源的功率,電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)；,電流（正電荷）由低電位向高電位移動，外力克服電場力作功，電源發(fā)出功率。,發(fā)出功率，起電源作用,物理意義：,電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)；,物理意義：,電場力做功，電源吸收功率,吸收功率，充當負載,例,計算圖示電路各元件的功率,解：,發(fā)出,吸收,吸收,滿足：P（發(fā)）P（吸）,其輸出電流總能保持定值或一定的時間函數(shù)，其值與它的兩端電壓u無關(guān)的元件叫理想電流源。,電路符號,2.理想電流源,定義,理想電流源的電壓、電流關(guān)系,電流源的輸出電流由電源本身決定，與外電路無關(guān)；與它兩端電壓方向、大小無關(guān)。,電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定。,直流電流源的伏安關(guān)系,0,例,外電路,電流源不能開路！,可由穩(wěn)流電子設備產(chǎn)生，如晶體管的集電極電流與負載無關(guān)；光電池在一定光線照射下光電子被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等。,實際電流源的產(chǎn)生：,電流源的功率,電壓、電流的參考方向非關(guān)聯(lián)；,發(fā)出功率，起電源作用,電壓、電流的參考方向關(guān)聯(lián)；,吸收功率，充當負載,例,計算圖示電路各元件的功率,解,發(fā)出,發(fā)出,滿足：P（發(fā)）P（吸）,實際電源,干電池,鈕扣電池,1.干電池和鈕扣電池（化學電源）,干電池電動勢1.5V，僅取決于（糊狀）化學材料，其大小決定儲存的能量，化學反應不可逆。,鈕扣電池電動勢1.35V，用固體化學材料，化學反應不可逆。,氫氧燃料電池示意圖,2.燃料電池（化學電源）,電池電動勢1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。實驗階段加燃料可繼續(xù)工作。,3.太陽能電池（光能電源）,一塊太陽能電池電動勢0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽食Ｓ锰柲茈姵匕濉?一個50cm2太陽能電池的電動勢0.6V,電流0.1A,太陽能電池示意圖,太陽能電池板,蓄電池示意圖,4.蓄電池（化學電源）,電池電動勢2V。使用時，電池放電，當電解液濃度小于一定值時，電動勢低于2V，常要充電，化學反應可逆。,直流穩(wěn)壓源,變頻器,頻率計,函數(shù)發(fā)生器,發(fā)電機組,草原上的風力發(fā)電,1.5.2受控電源(非獨立源),電路符號,受控電壓源,1.定義,受控電流源,電壓或電流的大小和方向不是給定的時間函數(shù)，而是受電路中某個地方的電壓(或電流)控制的電源，稱受控源。,電流控制的電流源(CCCS),:電流放大倍數(shù),根據(jù)控制量和被控制量是電壓u或電流i，受控源可分四種類型：當被控制量是電壓時，用受控電壓源表示；當被控制量是電流時，用受