电路的基本概念与基本定律-2.ppt

第4章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路的作用与组成部分,1.2 电路模型,1.3 电压和电流的参考方向,1.6 电路的基本元件,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.7 基尔霍夫定律,1.4 电路中电位的概念及计算,本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解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。,第4章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路的作用与组成部分,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,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。,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 配和控制电能的作用,直流电源: 提供能源,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,2.电路的组成部分,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。,1. 2 电路模型,手电筒的电路模型,为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,例：手电筒,电池,导线,灯泡,开关,手电筒由电池、灯 泡、开关和筒体组成。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,案例1:手电筒电路,请点击上图,手电筒电路,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；,灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；,筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,电源是将其它形式的能量转换为电能的装置。,负载是取用电能的装置，通常也称为用电器。,中间环节是传输、控制电能的装置。,蓄电池,发电机,灯泡,电动机,电视机,开关,断路器,熔断器,1.3 电路中的基本物理量及参考方向,物理中对基本物理量规定的方向,1. 电路基本物理量的实际方向,2.电流,（1）电流的大小 电荷的有规则的定向运动就形成了电流。人们习惯规定以正电荷运动的方向作为电流的实际方向。(电流动画),电流的大小用电流强度（简称电流）来表示。电流强度在数值上等于单位时间内通过导线某一截面的电荷量，用符号Q表示。则：,电流流动,大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流，简称直流电流，采用大写字母I表示，则,电流的单位是安培（简称安），用符号A表示；电荷量的单位为库仑（简称库），用符号C表示；时间的单位为秒，用符号s表示。当电流很小时，常用单位为毫安（mA）或微安；当电流很大时，常用单位为千安（kA）。它们之间的换算关系为： 1A=1000mA=103mA 1A=1000000 A=106 A 1kA=1000A=103A,图1.3简单电路,在电路分析中，任意选定一个方向作为电流的方向，这个方向就称为电流的参考方向，又称为电流的正方向. 当电流的参考方向与实际方向相同时，电流为正值。若电流的参考方向与实际方向相反，则电流为负值。,（2）电流的实际方向与参考方向,3.电压,（1）电压的大小,电路中a、b两点间电压，在数值上等于将单位正电荷从电路中a点移到电路中b点时电场力所作的功，用uab表示，则：,大小和方向都不随时间变化的电压称为恒定电压，简称直流电压，采用大写字母U表示，如a、b两点间的直流电压为：,电压的单位为伏特（V），常用的单位为千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（ V）。它们之间的换算关系为： 1V=1000mV=103mV 1V=1000000 V=106 V 1kV=1000V=103V,（2）电压的实际方向与参考方向,当电压的参考方向与实际方向相同时，电压为正值，当电压的参考方向与实际方向相反时，电压为负值。,电压参考方向的标注,U,U,Uab,a,b,+,-,4电功率与电能,电场力所作的功为Wab=QUab，单位时间内电场力所作的功称为电功率，简称为功率。以符号P表示 。,当已知设备的功率为时，则在秒内消耗的电能为,UIt=Pt,电能表,电能表的工作,（1）当电流和电压为正值，其实际方向与参考方向一致；而电流和电压为负值，其实际方向和参考方向相反。按照上述原则，各电流和电压的实际方向（用虚线表示）如图110（b）所示。 （2）计算各元件的功率 元件1：电压和电流参考方向一致 元件2：电压和电流参考方向一致 元件3：电压和电流的参考方向不一致 元件4：电压和电流的参考方向不一致,例12 在图110所示电路中，方框表示电源或电阻，各元件的电压和电流的参考方向如图110（a）所示。通过测量得知： I1 = A， I2 = A， I3 = A， U1 = V， U2 = V， U3 = V， U4 = V。 （1）试标出各电流和电压的实际方向。 （2）试求每个元件的功率，并判断其是电源还是负载。,(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，对电量任意假定的方向。,2. 电路基本物理量的参考方向,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： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,例：,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 电路中电位的概念及计算,电位：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。,1. 电位的概念,电位的计算步骤: (1) 任选电路中某一点为参考点，设其电位为零； (2) 标出各电流参考方向并计算； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,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。,2. 举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解： 设 a为参考点， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,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取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,例1: 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,例2：,电路如下图所示，(1) 零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。(2) 当电位器RP的滑动触点向下滑动时，A、B两点的电位增高了还是降低了？,解：（1）电路如左图，零电位参考点为+12V电源的“”端与12V电源的“+”端的联接处。,当电位器RP的滑动触点向下滑动时，回路中的电流 I 减小，所以A电位增高、B点电位降低。,（2） VA = IR1 +12 VB = IR2 12,1.5 电源有载工作、开路与短路,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U = IR,特征:,1 电源有载工作, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IR0,当 R0R 时，则U E ，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U = IR,特征:,1 电源有载工作, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IRo,UI = EI IRo,P = PE P,负载 取用 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率, 电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念: 负载增加指负载取用的 电流和功率增加(电压一定)。,电源与负载的判别,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“-”端流出。 （吸收功率）。,电气设备的额定值,额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)： I IN ，P PN (不经济),过载(超载)： I IN ，P PN (设备易损坏),额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),特征:,开关 断开,2 电源开路,1. 开路处的电流等于零； I = 0 2. 开路处的电压 U 视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征:,电源外部端子被短接,3 电源短路,1. 短路处的电压等于零； U = 0 2. 短路处的电流 I 视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,1.6.1 电阻、电容、电感元件及其特性,案例1,单相异步电动机负载,吊扇电气原理图,LA、LB分别是单相异步电动机（M）的工作绕组、起动绕组；电容C是起动电容，它与起动绕组LB串联；S是开关；电感L是的调速电抗器。,1.6 电路的基本元件,161 电阻元件及欧姆定律,1电阻元件的图形、文字符号,电阻器通常就叫电阻，在电路图中用字母“R”或“r”表示,电阻的图形符号,电阻器的SI（国际单位制）单位是欧姆，简称欧，通常用符号“”表示。常用的单位还有“k”“M”，它们的换算关系如下： 1M=1000k=1000000,实物图,电阻的实物图,2电阻元件的伏安特性,线性电阻的伏安特性,非线性电阻(二极管)的伏安特性,0,u,i,2电阻元件的伏安特性,0,u,i,线性电阻的伏安特性,非线性电阻(二极管)的伏安特性,2电阻元件的伏安特性,0,u,i,线性电阻的伏安特性,非线性电阻(二极管)的伏安特性,3.欧姆定律,在电阻电路中，当电压与电流为关联参考方向，电流的大小与电阻两端的电压成正比，与电阻值成反比。即欧姆定律可用下式表示：,欧姆定律表达了电路中电压、电流和电阻的关系： （1）如果电阻保持不变，当电压增加时，电流与电压成正比例地增加；当电压减小时，电流与电压成正比例地减小。 （2）如果电压保持不变，当电阻增加时，电流与电阻成反比例地减小；当电阻减小时，电流与电阻成反比例地增加。,3.欧姆定律,欧姆定律可以有三种不同的表示形式 :,U=RI,电阻元件的功率为,上式表明，电阻元件吸收的功率恒为正值，而与电压、电流的参考方向无关。因此，电阻元件又称为耗能元件。,例 如图11所示，应用欧姆定律求电阻R。,解：,162 电容元件,1.电容元件的图形、文字符号,第1章 电路的基本概念与基本定律,电容器又名储电器，在电路图中用字母“C”表示,电容器的SI单位是法拉，简称法，通常用符号“F”表示。常用的单位还有“F”“pF”，它们的换算关系如下： 1F=106F =1012 pF,实物图,第1章 电路的基本概念与基本定律,电解电容,钽电容,电容,涤纶电容,微调电容,电容的实物图,第1章 电路的基本概念与基本定律,金属电容,独石电容,2电容元件的特性,第1章 电路的基本概念与基本定律,当电压、电流为关联参考方向时，线性电容元件的特性方程为：,C的单位为法拉，简称法(F),只有当电容元件两端的电压发生变化时，才有电流通过。电压变化越快，电流越大。当电压不变（直流电压）时，电流为零。所以电容元件有隔直通交的作用。,第1章 电路的基本概念与基本定律,隔直通交,在u、i关联参考方向下，线性电容元件吸收的功率为：,在t时刻，电容元件储存的电场能量为,电容在充放电过程中并不消耗能量,是一种储能元件。,163 电感元件,1.电感元件的图形、文字符号,线圈中通过一定数量的变化电流，线圈产生感应电动势大小的能力就称为线圈的电感量，简称电感。电感常用字母“L”表示。,电感的SI单位是亨利，简称亨，通常用符号“H”表示。常用单位还有“H”“mH”，它们的换算关系如下： 1H=106H =103 mH,线圈,带磁芯连续可调线圈,磁芯线圈,磁芯有单隙的线圈,带固定抽头的线圈,2电感元件的特性,任何导体当有电流通过时，在导体周围就会产生磁场；如果电流发生变化，磁场也随着变化，而磁场的变化又引起感应电动势的产生。这种感应电动势是由于导体本身的电流变化引起的，称为自感。当线圈中的电流发生变化时，自感电动势总是阻止电流的变化。,当电压、电流为关联参考方向时，线性电感元件的特性方程为,L的单位为亨利，简称亨(H),若电压、电流为非关联参考方向，则电感元件的特性方程为：,在u、i关联参考方向下，线性电感元件吸收的功率为,在t时刻，电感元件储存的磁场能量为,电感元件并不消耗能量，因此，电感元件也是一种储能元件。,1.6.4 电路中的独立电源,案例:蓄电池,汽车照明灯电气原理图,电压源和电流源总称为独立电源，简称独立源。,请点击蓄电池,一、电压源,1理想电压源,理想电压源简称为电压源，是一个二端元件，它有两个基本特点： （1）无论它的外电路如何变化，它两端的输出电压为恒定值US，或为一定时间的函数us（t）。 （2）通过电压源的电流还取决于与之相连接的外部电路。,电压源的图形符号,电压源的伏安特性,Us,Us,2实际电压源,实际的直流电压源可用数值等于US的理想电压源和一个内阻Ri相串联的模型来表示,2实际电压源,实际的直流电压源可用数值等于US的理想电压源和一个内阻Ri相串联的模型来表示,其特性为,+,-,Ri,Us,其特性为,2实际电压源,实际的直流电压源可用数值等于US的理想电压源和一个内阻Ri相串联的模型来表示,实际直流电压源的端电压为： U=US-UR=US-IRi,其特性为,U,RiI,实际电压源,+,-,Ri,Us,二、 电流源 1理想电流源 理想电流源简称为电流源，是一个二端元件，它有两个基本特点： （1）无论它的外电路如何变化，它的输出电流为恒定值IS，或为一定时间 的函数iS（t）。 （2）电流源两端的电压还取决于与之相连接的外部电路。,电流源的表示符号及特性,is,其特性为,1理想电流源 理想电流源简称为电流源，是一个二端元件，它有两个基本特点： （1）无论它的外电路如何变化，它的输出电流为恒定值IS，或为一定时间的函数iS（t）。 （2）电流源两端的电压还取决于与之相连接的外部电路。,电流源的表示符号及特性,is,其特性为,Is,2实际电流源,实际的直流电流源可用数值等于IS的理想电流源和一个内阻Ri相并联的模型来表示,实际电流源及伏安特性,Is,I,+,-,U,Ri,其特性为,Is,I,+,-,U,Ri,2实际电流源,实际的直流电流源可用数值等于IS的理想电流源和一个内阻Ri相并联的模型来表示,实际电流源及伏安特性,其特性为,Is,I,实际电压源和实际电流源若要等效互换，其伏安特性方程必相同，则其电路参数必须满足条件： Ri=Ri；US=ISRi,当实际电压源等效变换成实际电流源时，电流源的电流等于电压源的电压与其内阻的比值，电流源的内阻等于电压源的内阻；当实际电流源等效变换成实际电压源时，电压源的电压等于电流源的电流与其内阻的乘积，电压源的内阻等于电流源的内阻。,应用电源等效互换分析电路时注意： （1）电源等效互换是对电源输出电流I、端电压U的等效。 （2）理想的电压源与理想的电流源之间不便互换。 （3）电源等效互换的方法可以推广运用，如果理想电压源与外接电阻串联，可把外接电阻看其作内阻，则可互换为电流源形式；如果理想电流源与外接电阻并联，可把外接电阻看作其内阻，则可互换为电压源形式。,实际电压源,换成电流源,第1章 电路的基本概念与基本定律,换成电流源,+,-,Ri,Us,I,Ri,实际电压源,实际电流源,Is,换成电流源,换成电压源,Is,I,Ri,实际电压源,实际电流源,+,-,Ri,Us,换成电流源,换成电压源,Us,1. 6 基尔霍夫定律,支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,节点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,例1：,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）,1.6