電路的基本概念和定律

關(guān)于電路的基本概念和定律05.04.2024第1章電路的基本概念和定律1

第一章

電路的基本概念和定律第2頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第1章電路的基本概念和定律1.1電路與電路模型1.2電路的基本物理量1.3歐姆定律與電阻元件1.4基爾霍夫定律本章小結(jié)第3頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【教學(xué)導(dǎo)航】教學(xué)目的掌握電路的組成；掌握電路的基本物理量；理解歐姆定律；理解電流和電壓的參考方向；理解電源有載工作、開(kāi)路與短路；掌握負(fù)載獲得最大功率的條件掌握基爾霍夫定律及應(yīng)用。第4頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【教學(xué)重點(diǎn)】電路的基本概念電路模型電路中的基本物理量歐姆定律基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律【教學(xué)難點(diǎn)】電壓和電流的參考方向；電源和負(fù)載的判斷；基爾霍夫定律的應(yīng)用【參考學(xué)時(shí)】

6學(xué)時(shí)第5頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1電路與電路模型電路：電流所流通的路徑就是電路。電流由電荷的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成。電路是由若干電氣元件和設(shè)備按一定方式連接而成的總體。電路的作用：一是實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配。如供電電路等；二是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、傳送和處理。如電子電路等；三是測(cè)量電壓、電流等電量。如萬(wàn)用表電路等；四是進(jìn)行各種各樣數(shù)學(xué)運(yùn)算和存儲(chǔ)信息，如計(jì)算機(jī)電路等。1.1.1電路第6頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路的組成：由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)所組成。電源：是向電路提供能量和信號(hào)的元件。如電池、發(fā)電機(jī)等；負(fù)載：是使用電能和輸出信號(hào)的器件。如電燈、電爐、顯像管等；中間環(huán)節(jié)：是把電源和負(fù)載連接在一起。如導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、電視機(jī)內(nèi)部電路等。電路舉例：手電筒實(shí)際電路第7頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1.2電路圖電路原理圖：是為分析電路而將電路中的元器件用電路模型與符號(hào)來(lái)代替實(shí)物而畫的電路圖。如下圖是手電筒的電路原理圖。第8頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天理想電路元件：理想電路元件：是實(shí)際電氣器件主要電磁特性的科學(xué)抽象。

電阻R：是模擬實(shí)際電氣器件中消耗電能的特性并將其抽象出的理想電路元件；電感L：是模擬實(shí)際電氣器件中建立磁場(chǎng)的特性并將其抽象出的理想電路元件；電容C：是模擬實(shí)際電氣器件中建立電場(chǎng)的特性并將其抽象出的理想電路元件；理想電壓源US：是模擬實(shí)際電源輸出電壓的特性并將其抽象出的理想元件；理想電流源IS：是模擬實(shí)際電源輸出電流的特性并將其抽象出的理想元件。第9頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天理想電路元件符號(hào)：常用的電路元件主要有：電阻元件、電感元件、電容元件、理想電壓源、理想電流源等。第10頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第11頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天第12頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2電路的基本物理量1.電流的形成：在金屬導(dǎo)體中存在著大量的帶負(fù)電荷的自由電子。常態(tài)下，這些自由電子在金屬內(nèi)部作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。若在導(dǎo)體兩端施加電場(chǎng)，則在電場(chǎng)力的作用下，其內(nèi)部的自由電子將逆電場(chǎng)力方向運(yùn)動(dòng)而形成電流（電子流），如右圖所示，這種電流稱為傳導(dǎo)電流。因此，電流是電荷或帶電質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)形成的。1.2.1電流

傳導(dǎo)電流的形成

第13頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天電流的大小用電流強(qiáng)度來(lái)表征，簡(jiǎn)稱為電流，電流用字母I或i表示。電流強(qiáng)度在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量。若電流的大小和方向隨時(shí)間變化，則變化的電流i定義為：直流：交流：2.電流的大小第14頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天在國(guó)際單位制中，電流的單位用安培表示，簡(jiǎn)稱安（A）。也可以用毫安（mA）或微安（μA）作單位。

1安（A）＝103

毫安（mA）＝106

微安（μA）安培（A）與電荷量庫(kù)侖（C）和時(shí)間秒（s）的關(guān)系為：3.電流的單位即在1秒鐘內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量為1庫(kù)侖，則電流強(qiáng)度即為1安培。第15頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電流的參考方向：人為任意假設(shè)，以便進(jìn)行電路分析。二者關(guān)系：i>0,相同，i<0,相反。

4.電流的參考方向電流的實(shí)際方向：規(guī)定為正電荷的移動(dòng)方向。第16頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天5．電流的分類直流電流，簡(jiǎn)稱直流（DC或dc）交流電流，簡(jiǎn)稱交流（AC或ac）

恒定直流電流脈動(dòng)直流電流正弦交流電流無(wú)規(guī)律變化交流電流第17頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2.2電壓1.電壓的定義與單位：在電路中，電荷能定向移動(dòng)是因?yàn)殡娐反嬖陔妶?chǎng)。在電場(chǎng)力的作用下,把單位正電荷從電路的a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功，稱為從a→b的電壓。即：直流：交流：電壓的單位：V，mV，μV，kV等。第18頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.電壓的實(shí)際方向與參考方向：電壓的實(shí)際方向：規(guī)定為電場(chǎng)力對(duì)正電荷做正功的方向。電壓的參考方向：人為假設(shè)。但常取與電流的關(guān)聯(lián)參考方向。二者關(guān)系：當(dāng)參考方向與電壓實(shí)際方向一致時(shí)，電壓為正；當(dāng)參考方向與電壓的實(shí)際方向相反時(shí)，電壓為負(fù)。電壓參考方向的表示方法：第19頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.電位：電位就是把單位正電荷從電路中任一點(diǎn)移到參考點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所做的功。即如果把參考點(diǎn)記為0點(diǎn)，電路中任一點(diǎn)a的電位用Va表示，則電位的單位：與電壓的單位相同，即伏特（V）。電位的參考點(diǎn)：參考點(diǎn)的選擇是任意的。參考點(diǎn)的電位為零。工程上常選大地或機(jī)殼為參考點(diǎn)。電位與電壓的關(guān)系：電路中任意兩點(diǎn)間的電位差就等于這兩點(diǎn)間的電壓。即：

第20頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2.3電功率1.電功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間電路消耗的能量。即：交流時(shí)：?jiǎn)挝唬和咛兀╓)單位換算：直流時(shí)：第21頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.電能

(1)定義：一段時(shí)間內(nèi)電路消耗的功率。可表為：

W=Pt

若功率隨時(shí)間變化，則：(2)單位：焦耳J1焦?fàn)枺↗）=1瓦特（W）×1秒（s）第22頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.3歐姆定律1.歐姆定律：當(dāng)導(dǎo)體溫度不變時(shí)，導(dǎo)體中的電流i與導(dǎo)體兩端的電壓u成正比，電流的方向是由高電位端流向低電位端。在下圖中，當(dāng)u、i的參考方向一致時(shí)，歐姆定律可表示為1.3.1歐姆定律第23頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.電阻R：大小：導(dǎo)體兩端電壓u與導(dǎo)體中的電流i的比值，稱為導(dǎo)體的電阻。含義：電阻的大小，反映導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用。單位：歐姆（?），常用單位還有千歐（k?），兆歐（M?）。電導(dǎo)G：大?。弘娮璧牡箶?shù)。含義：反映導(dǎo)體對(duì)電流的導(dǎo)通作用。單位：西門子（符號(hào)為S）。1.3.2歐姆定律第24頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天分兩類：（1）一致方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向；（2）不一致方向稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。1.3.2電流和電壓的參考方向

若假設(shè)電流i的參考方向是由a流向b，電壓u的參考方向是a為“＋”極性端，b為“-”極性端，則把這段電路上電流、電壓的參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向。否則，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。在電路分析中，明確一段電路上的電流、電壓參考方向是否關(guān)聯(lián)是非常重要的。

第25頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天u、i

方向與p

的關(guān)系：（1）u、i

取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)：p＝ui

（2）u、i

取非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)：p＝-ui

p>0為發(fā)出功率，p<0為吸收功率；第26頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.電阻元件的伏安關(guān)系在電路分析中，通常采用元件上的電壓u與電流i的函數(shù)關(guān)系來(lái)描述該元件的特性，這一關(guān)系稱為伏安特性或伏安關(guān)系，用VAR表示。1.3.3電阻元件2.金屬導(dǎo)體的電阻

歐姆的實(shí)驗(yàn)還指出：對(duì)于均勻截面的金屬導(dǎo)體，其電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比，與截面積成反比，另外還與材料的導(dǎo)電能力（電阻率或電導(dǎo)率）有關(guān)。即：第27頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4電源有載工作、開(kāi)路與短路

在實(shí)際中分析與應(yīng)用的電路是含有電源的閉合電路。下面以這個(gè)最簡(jiǎn)單的有源閉合電路為例，說(shuō)明電源有載工作電路的常規(guī)分析方法。其中電源電壓為US，電源內(nèi)阻為R0，負(fù)載電阻為RL。(1)電流的大小由負(fù)載決定。負(fù)載端電壓

U=IR或

U=US-IR0

(2)電源外特性電源端電壓U和輸出電流I之間的關(guān)系曲線，稱為電源的外特性曲線。

1.4.1電源有載工作第28頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1．電源開(kāi)路當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，就稱為電路處于開(kāi)路狀態(tài)。開(kāi)路時(shí)，電源沒(méi)有帶負(fù)載，所以又稱電源空載狀態(tài)。電源開(kāi)路，相當(dāng)于電源的負(fù)載為無(wú)窮大，因此電路中電流為零。無(wú)電流，則電源內(nèi)阻沒(méi)有壓降損耗，電源的端電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)，電源也不輸出電能。電源開(kāi)路時(shí)的電路特征為：①I

＝0；②

U＝UOC＝US。1.4.2電源開(kāi)路與短路第29頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．電源短路當(dāng)電源的兩端由于某種原因被電阻值接近為零的導(dǎo)體連接在一起，則電源處于短路狀態(tài)。電源短路狀態(tài)，電流回路中僅有很小的電源內(nèi)阻R0，因此回路中的電流很大，這個(gè)電流稱為短路電流，用ISC表示。電源短路時(shí)的電路特征為：①U

＝0；②

I＝ISC＝US/R0。第30頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.4.3負(fù)載獲得最大功率的條件在電路中，有時(shí)要求在負(fù)載上獲得最大功率，電路模型如圖所示。

負(fù)載電阻RL上的功率：

當(dāng)RL＝R0時(shí)，分母中的項(xiàng)為0，此時(shí)負(fù)載將獲得最大功率值。這被稱之為最大功率傳輸定理。通常稱RL＝R0為最大功率匹配條件。此時(shí)負(fù)載可獲得最大功率，其值為：

第31頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5基爾霍夫定律有關(guān)電路的幾個(gè)名詞:（1）支路：是指流過(guò)同一電流沒(méi)有分支的一段電路。一條支路由一個(gè)或若干二端元件串聯(lián)而構(gòu)成，電路的支路數(shù)用b表示。（2）節(jié)點(diǎn)：是指電路中3條或3條以上支路的連接點(diǎn)。2條支路的連接點(diǎn)不是節(jié)點(diǎn)，因?yàn)?條支路連接后仍為同一支路。電路的節(jié)點(diǎn)數(shù)用n表示，在電路中，如果是用理想導(dǎo)線連接的點(diǎn)可看作是同一節(jié)點(diǎn)。（3）回路：是指電路中任一閉合的路徑。電路的回路數(shù)用l表示。（4）網(wǎng)孔：是指在平面電路中，內(nèi)部不含任何支路的回路。網(wǎng)孔數(shù)用m表示。第32頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天在圖所示電路中:支路：b=4條節(jié)點(diǎn)：n=2個(gè)回路：L=6個(gè)網(wǎng)孔：m=3個(gè)。一個(gè)完整的平面電路的支路數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)孔數(shù)滿足下列式子：b-（n-1）=b-n+1=m。第33頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.1基爾霍夫電流定律（KCL）基爾霍夫電流定律：（Kirchhoff’sCurrentLaw，簡(jiǎn)寫為KCL）又稱基爾霍夫第一定律，表述為：對(duì)于任意集中參數(shù)電路，在任一時(shí)刻，任一節(jié)點(diǎn)的所有支路電流的代數(shù)和等于零。因?yàn)樵摱墒轻槍?duì)電路的節(jié)點(diǎn)而言，所以也稱節(jié)點(diǎn)定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Σi=0

正負(fù)號(hào)的約定：流出該節(jié)點(diǎn)的電流為正，流入該節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)。

KCL應(yīng)用擴(kuò)展：基爾霍夫電流定律不但適用于電路的節(jié)點(diǎn)，而且還可以推廣到電路中任一閉合面。第34頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.5.2基爾霍夫電壓定律（KVL）基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff’sVoltageLaw，簡(jiǎn)寫為KVL）又稱基爾霍夫第二定律，表述為：對(duì)于任意集中參數(shù)的電路，在任一時(shí)刻，任一回路所有電壓的代數(shù)和為零。因?yàn)樵摱墒轻槍?duì)電路的回路而言的，所以也稱回路定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為Σu=0

回路的繞行方向：通常可取順時(shí)針繞行方向。

正負(fù)號(hào)的規(guī)定：當(dāng)回路電壓的參考方向與回路的繞行方向相同時(shí)，電壓前取正號(hào)；當(dāng)回路電壓的參考方向與回路的繞行方向相反時(shí)，電壓前取負(fù)號(hào)。

KVL應(yīng)用擴(kuò)展：KVL可應(yīng)用于求電路中任意兩點(diǎn)間的電壓。第35頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路舉例：各節(jié)點(diǎn)的KCL方程：各網(wǎng)孔的KVL方程：第36頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天【仿真訓(xùn)練】仿真訓(xùn)練1：歐姆定律仿真

（a）

（b）圖1-24

歐姆定律仿真電路電路：測(cè)試圖示電路中的電流大小，驗(yàn)證歐姆定律的正確性。第37頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天仿真訓(xùn)練2：基爾霍夫定律仿真電路1：KCL仿真電路，驗(yàn)證ΣI

＝0。第38頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路2：KVL仿真電路，驗(yàn)證ΣU

＝0。第39頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天仿真訓(xùn)練3：電路中的電壓與電位仿真

（a）電路組成（b）仿真結(jié)果

電路1：直流電路的電位、電壓仿真測(cè)量第40頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天（a）利用測(cè)量探針進(jìn)行電路仿真（b）利用直流工作點(diǎn)分析進(jìn)行電路仿真

電路2：直流電路的電位、電壓仿真測(cè)量（測(cè)量探針與直流工作點(diǎn)分析）第41頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天仿真訓(xùn)練5：電路的功率仿真電路：功率測(cè)量仿真（a）功率測(cè)量電路（b）功率測(cè)量電路的仿真第42頁(yè),共46頁(yè)，2024年2月25日，星期天本章小結(jié)電路是電