物理電路的基礎(chǔ)知識

物理電路的基礎(chǔ)知識第1頁/共82頁實際線繞電阻的特征電阻特征:有電流通過時，除了對電流呈現(xiàn)阻礙作用;電感特征:有電流通過時,在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生磁場；電容特征:有電流通過時,在各匝線圈間存在電場。第2頁/共82頁理想元件為了便于對電路進行分析和計算，我們常把實際元件加以近似化、理想化，在一定條件下忽略其次要性質(zhì)，用足以表征其主要特征的“模型”來表示，即用理想元件來表示。例“電阻元件”是電阻器、電烙鐵、電爐等實際電路元器件的理想元件，即模型。因為在低頻電路中，這些實際元器件所表現(xiàn)的主要特征是把電能轉(zhuǎn)化為熱能。用“電阻元件”這樣一個理想元件來反映消耗電能的特征。“電感元件”是線圈的理想元件；“電容元件”是電容器的理想元件。第3頁/共82頁電路模型由理想元件構(gòu)成的電路，稱為實際電路的“電路模型”。圖1-2是圖1-1所示實際電路的電路模型。第4頁/共82頁二、電路中的基本物理量直流（DC）：大小和方向均不隨時間變化的電流。直流交流交流（AC）：大小和方向均隨時間變化，且一個周期內(nèi)的平均值為零的電流。電流的分類第5頁/共82頁電流的定義和實際方向?qū)τ谥绷?，若在時間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫界面的電荷量為Q，則電流為對于交流，若在時間dt內(nèi)通過導(dǎo)體橫界面的電荷量為dq，則電流瞬時值為

電流的實際方向規(guī)定為正電荷運動的方向。電流的單位：安培（A），千安（kA）和毫安（mA）。第6頁/共82頁電流的參考方向的引入

參考方向的引入：對復(fù)雜電路由于無法確定電流的實際方向，或電流的實際方向在不斷的變化，所以我們引入了“參考方向”的概念。?第7頁/共82頁電流參考方向的含義2.實線參考方向（虛線實際方向）。1.參考方向是一個假想的電流方向。3.i

＞0，則電流的實際方向與電流的參考方向一致；i＜0，則電流的實際方向和電流的參考方向相反。第8頁/共82頁電壓的定義和實際方向?qū)τ谥绷?，電路中A、B兩點間電壓的大小等于電場力將單位正電荷Q從A點移動到B點所做的功W。即對于交流，電路中A、B兩點間電壓的大小等于電場力將單位正電荷dq從A點移動到B點所做的功dw。即若電場力做正功，則電壓u的實際方向從A到B。電壓的單位：伏特（V），千伏（kV）和毫伏（mV）。第9頁/共82頁電位

在電路中任選一點為電位參考點，則某點到參考點的電壓就叫做這一點（相對于參考點）的電位。當選擇O點為參考電位點時，

（1-1）電壓是針對電路中某兩點而言的，與路徑無關(guān)。所以有（1-2）電壓又叫電位差電壓的實際方向是由高電位點指向低電位點第10頁/共82頁電壓參考方向的標注及含義參考方向是由A點指向B點參考高電位端當u＞0時，該電壓的實際極性與所標的參考極性相同，當u＜0時，該電壓的實際極性與所標的參考極性相反。建議采用：參考極性標注法第11頁/共82頁

在圖1-6所示的電路中，方框泛指電路中的一般元件，試分別指出圖中各電壓的實際極性（1）a圖，a點為高電位，因u=24V＞0,所標實際極性與參考極性相同。各電壓的實際極性例1-1解（2）b圖，b點為高電位，因u=﹣12V＜0,所標實際極性與參考極性相反。（3）c圖，不能確定，雖然u=15V＞0,但圖中沒有標出參考極性。第12頁/共82頁關(guān)聯(lián)參考方向

電流參考方向是從電壓的參考高電位指向參考低電位關(guān)聯(lián)非關(guān)聯(lián)第13頁/共82頁電功率

電功率是指單位時間內(nèi)，電路元件上能量的變化量。即在電路中，電功率簡稱功率。它反映了電流通過電路時所傳輸或轉(zhuǎn)換電能的速率。功率的單位：瓦特（W），千瓦（kW）和毫瓦（mW）第14頁/共82頁功率有大小和正負值

元件吸收的功率p＞0，則該元件吸收（或消耗）功率

p＜0，則該元件發(fā)出（或供給）功率第15頁/共82頁

試求如圖1-8所示電路中元件吸收的功率。（1）a圖，所選u、i為關(guān)聯(lián)參考方向，元件吸收的功率P=UI=4×（－3）W=﹣12W此時元件吸收功率﹣12W，即發(fā)出的功率為12W。

(2)b圖，所選u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向，元件吸收的功率P=﹣UI=﹣（﹣5）×3W=15W此時元件吸收的功率為15W。例1-2解第16頁/共82頁(3)c圖，u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向，

P=﹣UI=﹣4×2W=﹣8W即元件發(fā)出的功率為8W。(4)d圖，u、i為關(guān)聯(lián)參考方向，

P=UI=（﹣6）×（﹣5）W=30W即元件吸收的功率為30W。第17頁/共82頁一、電阻和電阻元件物體對電流的阻礙作用，稱為該物體的電阻。用符號R

表示。電阻的單位是歐姆（Ω）。電阻元件是對電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件的總稱。如電爐、白熾燈、電阻器等?！?-2電路的基本元件第18頁/共82頁電導(dǎo)

電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，是表征材料的導(dǎo)電能力的一個參數(shù)，用符號G

表示。電導(dǎo)的單位是西門子（S），簡稱西。（1-5）第19頁/共82頁電阻元件上電壓與電流關(guān)系

1827年德國科學(xué)家歐姆總結(jié)出：施加于電阻元件上的電壓與通過它的電流成正比。u=Ri(1-6)u=﹣Ri(1-7)第20頁/共82頁電阻元件的伏安特性線性電阻非線性電阻第21頁/共82頁電阻元件上的功率

若u、i為關(guān)聯(lián)參考方向，則電阻R上消耗的功率為p=ui=(Ri)i=R

（1-8）若u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向，則p=﹣ui=﹣(﹣Ri)i=R

可見，p≥0，說明電阻總是消耗（吸收）功率，而與其上的電流、電壓極性無關(guān)。第22頁/共82頁

如圖1-9所示電路中，已知電阻R吸收功率為3W，i=﹣1A。求電壓u及電阻R的值。

p=ui=u(﹣1)A=3Wu=﹣3Vu的實際方向與參考方向相反

由于u、i為關(guān)聯(lián)參考方向，由式（1-11）圖1-9例1-3解第23頁/共82頁二、電壓源電壓源是實際電源（如干電池、蓄電池等）的一種抽象，是理想電壓源的簡稱。符號伏安特性圖1-12第24頁/共82頁電壓源的兩個特點①無論電源是否有電流輸出，U=，與

無關(guān)；開路接外電路②

由及外電路共同決定。第25頁/共82頁例電路如圖，已知Us=10V,求電壓源輸出的電流。外電路R有兩種情況（1）R=5Ω（2）R=10Ω解（1）R=5Ω由電壓源特性知，（2）R=10Ω第26頁/共82頁三、電流源電流源也是實際電源（如光電池）的一種抽象，是理想電流源的簡稱。符號伏安特性第27頁/共82頁電流源的兩個特點①電流恒定，即，與輸出電壓U無關(guān)；②U由及外電路共同決定。第28頁/共82頁一、幾個有關(guān)的電路名詞

（1）支路：電路中具有兩個端鈕且通過同一電流的每個分支（至少含一個元件）。（2）節(jié)點：三條或三條以上支路的聯(lián)接點。（3）回路：電路中由若干條支路組成的閉合路徑。（4）網(wǎng)孔：內(nèi)部不含有支路的回路?！?-3基爾霍夫定律第29頁/共82頁二、基爾霍夫電流定律（簡稱KCL）

KCL指出：任一時刻，流入電路中任意一個節(jié)點的各支路電流代數(shù)和恒等于零，即KCL源于電荷守恒。列方程時，以參考方向為依據(jù)，若電流參考方向為“流入”節(jié)點的電流前取“＋”號，則“流出”節(jié)點的電流前取“－”號?！苅

=0（1-9）第30頁/共82頁

在如圖1-16所示電路的節(jié)點a處，已知=3A，=－2A，=－4A，=5A，求。將電流本身的實際數(shù)值代入上式，得3A－（－2）A－（－4）A＋5A－=0據(jù)KCL列方程=14A例1-4解第31頁/共82頁廣義節(jié)點廣義節(jié)點：任一假設(shè)的閉合面＋－=0由KCL得第32頁/共82頁兩套“＋、－”符號

①在公式∑i=0中，以各電流的參考方向決定的“＋、－”號；②電流本身的“＋、－”值。這就是KCL定義式中電流代數(shù)和的真正含義。第33頁/共82頁三、基爾霍夫電壓定律（簡稱KVL）

KVL指出：任一時刻，沿電路中的任何一個回路，所有支路的電壓代數(shù)和恒等于零，即KVL源于能量守恒原理。列方程時，先任意選擇回路的繞行方向，當回路中的電壓參考方向與回路繞行方向一致時，該電壓前取“＋”號，否則取“－”號。（1-10）∑u=0第34頁/共82頁

在圖1-18所示電路中，已知=3V，=－4V，

=2V。試應(yīng)用KVL求電壓和。方法一步驟一：任意選擇回路的繞行方向，并標注于圖中步驟二：據(jù)KVL列方程。當回路中的電壓參考方向與回路繞行方向一致時，該電壓前取“＋”號，否則取“－”號?；芈发瘢夯芈发颍豪?-5解第35頁/共82頁步驟三：將各已知電壓值代入KVL方程，得回路Ⅰ：回路Ⅱ：

兩套“＋、－”符號：①在公式∑u=0中，各電壓的參考方向與回路的繞行方向是否一致決定的“＋、－”號；②電壓本身的“＋、－”值。這就是KVL定義式中電壓代數(shù)和的真正含義。第36頁/共82頁方法二利用KVL的另一種形式，用“箭頭首尾銜接法”，直接求回路中惟一的未知電壓，其方法如圖1-19所示。回路Ⅰ：回路Ⅱ：將已知電壓與未知電壓的參考方向箭頭首尾銜接第37頁/共82頁

電路如圖1-20所示，試求的表達式。例1-6解第38頁/共82頁

電路如圖1-21a所示，試求開關(guān)S斷開和閉合兩種情況下a點的電位。圖1-21a圖是電子電路中的一種習(xí)慣畫法，圖1-21a可改畫為圖1-21b。例1-7解第39頁/共82頁（1）開關(guān)S斷開時據(jù)KVL（2+15+3）kΩ×=（5+15）V由“箭頭首尾銜接法”得第40頁/共82頁或2）開關(guān)S閉合時第41頁/共82頁四、

支路電流法

支路電流法是以支路電流為未知數(shù)，根據(jù)KCL和KVL列方程的一種方法。

具有b條支路、n個節(jié)點的電路，應(yīng)用KCL只能列（n－1）個節(jié)點方程，應(yīng)用KVL只能列l(wèi)=b－(n－1)個回路方程。第42頁/共82頁支路電流法的一般步驟

1）在電路圖上標出所求支路電流參考方向，再選定回路繞行方向。2）根據(jù)KCL和KVL列方程組。3）聯(lián)立方程組，求解未知量。第43頁/共82頁

如圖1-22所示電路，已知=10Ω，=5Ω，=5Ω，=13V，=6V，試求各支路電流及各元件上的功率。

（1）先任意選定各支路電流的參考方向和回路的繞行方向，并標于圖上。（2）根據(jù)KCL列方程節(jié)點a（3）根據(jù)KVL列方程回路Ⅰ:回路Ⅱ:例1-8解第44頁/共82頁（4）將已知數(shù)據(jù)代入方程，整理得（5）聯(lián)立求解得第45頁/共82頁（6）各元件上的功率計算即電壓源發(fā)出功率10.4W；即電壓源發(fā)出功率1.2W；即電阻上消耗的功率為6.4W；即電阻上消耗的功率為0.2W；即電阻上消耗的功率為5W。第46頁/共82頁電路功率平衡驗證：1）電路中兩個電壓源發(fā)出的功率為10.4W＋1.2W=11.6W

電路中電阻消耗的功率為6.4W＋0.2W＋5W=11.6W即Σ=Σ可見，功率平衡。2）

=（－10.4－1.2＋6.4＋0.2＋5）W=0即ΣP=0（1-12）可見，功率平衡。（1-11）第47頁/共82頁網(wǎng)絡(luò)是指復(fù)雜的電路。網(wǎng)絡(luò)A通過兩個端鈕與外電路聯(lián)接，A叫二端網(wǎng)絡(luò)，如圖1-23a所示。圖1-23一、二端網(wǎng)絡(luò)等效的概念§1-4二端網(wǎng)絡(luò)的等效

二端網(wǎng)絡(luò)第48頁/共82頁等效的概念當二端網(wǎng)絡(luò)A與二端網(wǎng)絡(luò)A1

的端鈕的伏安特性相同時，即則稱A與A1

是兩個對外電路等效的網(wǎng)絡(luò)，如圖1-23b所示。圖1-23第49頁/共82頁二、電阻的串并聯(lián)及分壓、分流公式據(jù)KVL得

串聯(lián)電路的等效電阻當有n個電阻串聯(lián)時，其等效電阻為（1-13）電阻的串聯(lián)第50頁/共82頁分壓公式

同理注意電壓參考方向所以（1-14）第51頁/共82頁?第52頁/共82頁電阻的并聯(lián)

據(jù)KCL得或R稱為并聯(lián)電路的等效電阻第53頁/共82頁當有n個電阻并聯(lián)時，其等效電阻的為：（1-15）用電導(dǎo)表示，即第54頁/共82頁分流公式

同理注意電流參考方向所以（1-16）第55頁/共82頁?第56頁/共82頁

如圖1-26所示，有一滿偏電流，內(nèi)阻=1600Ω的表頭，若要改變成能測量1mA的電流表，問需并聯(lián)的分流電阻為多大。要改裝成1mA的電流表，應(yīng)使1mA的電流通過電流表時，表頭指針剛好滿偏。例1-9解第57頁/共82頁

多量程電流表如圖1-27所示。1mA擋：當分流器S在位置“3”時，量程為1mA，分流電阻為，由例1-9可知，分流電阻例1-10，今欲擴大量程為1mA，10mA，1A三擋，試求電阻、和的值。解第58頁/共82頁1A擋：當分流器S在位置“1”時，量程為1A，即，此時，與（）并聯(lián)分流，有第59頁/共82頁10mA擋：當分流器S在位置“2”時，量程為10mA，即mA，此時，與（）并聯(lián)分流，有第60頁/共82頁

電路如圖1-28所示，試求開關(guān)S斷開和閉合兩種情況下b點的電位。

（1）開關(guān)S閉合前（2）開關(guān)S閉合后由于所以例1-11解第61頁/共82頁三、實際電壓源和實際電流源的等效變換和內(nèi)阻實際電源都有內(nèi)阻。理想電源實際上是不存在的。實際電壓源，可以用理想電壓源和內(nèi)阻串聯(lián)來建立模型。實際電壓源模型第62頁/共82頁實際電壓源的伏安特性電路圖伏安特性第63頁/共82頁實際電流源模型實際電源都有內(nèi)阻。理想電源實際上是不存在的。實際電流源，可以用理想電流源和內(nèi)阻并聯(lián)來建立模型。第64頁/共82頁電路圖伏安特性實際電流源的伏安特性第65頁/共82頁等效變換原則等效原則：對外電路等效，即第66頁/共82頁等效變換公式根據(jù)等效原則得第67頁/共82頁試完成如圖1-30所示電路的等效變換。已知A，=2Ω，則=2×2V=4V=2Ω已知=6V，=3Ω，則

=3Ω例1-12解第68頁/共82頁1.電壓源從負極到正極的方向與電流源的方向在變換前后應(yīng)一致。2.實際電源的等效變換僅對外電路等效，即對計算外電路的電流、電壓等效，而對計算電源內(nèi)部的電流、電壓不等效。3.理想電流源與理想電壓源不能等效，因為它們的伏安特性完全不同。實際電源等效變換的注意事項第69頁/共82頁電路化簡方法小結(jié)對含源混聯(lián)二端網(wǎng)絡(luò)的化簡，可根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)，靈活運用上述方法。其原則是：先各個局部化簡，后整體化簡；先從二端網(wǎng)絡(luò)端鈕的里側(cè)，逐步向端鈕側(cè)化簡。第70頁/共82頁

試用電源變換的方法求如