电路的基本概念与基本定律课件

1、第一章 电路的基本概念与基本定律第一节 电路与电路模型第二节 电路的主要物理量第三节 电路的三种状态第四节 电压源和电流源及其等效变换第五节 基尔霍夫定律第1页，共31页。第一节 电路与电路模型一、电路 电路是人们在生产、生活中为了实现某种需求，把各种电气器件按一定的方式连接起来，所构成的电流流通路径。 电路由三部分组成：电源、负载和中间环节。 电路的主要作用： 1.实现能量的转换、传输和分配-如电力系统，庞大的电网从发电、输电、变电到配电，送到不同用户所在地； 2.实现信号的传递和处理，输入的信号叫激励（或信号源），输出的信号叫响应-如电视机能通过有线或无线的方式接收电视信号，然后进行转换处

2、理并输出图像和声音。第2页，共31页。电源：电源是把其他形式能量转换成电能的装置，如蓄电 池、各种发电机等。负载：所有的用电设备都可以被称为负载，它把电能转换成 其他形式的能量，如电灯、电风扇、电动机等。中间环节：是指连接电源和负载的部分，例如输电线、开关 等。第3页，共31页。 二、电路模型 1实际电路 实际电路有的较简单，也有的相当复杂，影响电路的内外界因素也很多，当我们对实际电路进行分析时，常采用模型化的方法，即首先建立实际电路的理想化电路模型，然后对此电路模型进行定量分析，从而得到与实际电路对应的结论。 2电路模型 在电路的分析计算时，通常要用一个假定的二端元件来代替实际元件，这个二端

3、元件的电磁性质应该反映实际元件的电磁性质，这个假定的二端元件称为理想电路元件。第4页，共31页。 由理想电路元件组成的电路称为理想电路模型，简称电路模型。 把实际电路中的各种元件设备按其主要物理性质分别用一些理想电路元件来表示，构成的电路图就是电路模型。如图所示： 理想电路元件简称电路元件，如有电阻、电感、电容元件、理想电压源、理想电流源等。其中电阻元件、电感元件和电容元件均不产生能量，称为无源元件；理想电压源和理想电流源是电路中提供能量的元件，称为有源元件。 第5页，共31页。 第二节 电路的主要物理量一、电流 1.电流的定义：在电场的作用下，电荷有规则的定向移动就形成电流。 2电流的大小：

4、引入电流强度概念来描述电流的大小，单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度。 3电流的方向：电流不仅有大小而且有方向，我们规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。第6页，共31页。电流实际方向与参考方向 简单电路中，电流的实际方向容易判断，但在复杂电路中，往往很难判断某支路中电流的实际方向。为此，在分析与计算电路前，需要假定某一方向作为电流的正方向，称为参考方向，所选的电流参考方向是任意设定的，与电流的实际方向无关， 选定了电流的参考方向，便可以进行电路的分析计算，当电流实际方向与参考方向一致时，计算出来的电流值为正；如果两者相反，则电流值为负。第7页，共31页。 二、电压 1电压的定义：

5、电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功定义为a、 b两点间的电压，用uab（Uab）表示。 2电压的方向：电压的方向则由起点指向终点，也可用正负号表示或以箭头标明。 3电压的单位：库仑/焦耳=伏特第8页，共31页。关联参考方向非关联参考方向 4电压、电流的关联参考方向：对某个具体元件，电压参考极性和电流的参考方向取为一致时，称为关联参考方向。在分析电路和电功率的计算中很有意义。第9页，共31页。B点电位： 三、电位 电位的定义：在电路中选定一个参考点（注意每次计算只能选一个相对的参考点），取参考点的电位为零电位，则电路中某一点与参考点之间的电压就被称为这一点的电位。 电位的单位与电压相同。

6、如图，选O为参考点，A点电位：第10页，共31页。 电位与电压关系的结论之一：如果已知两点的电位,则此两点间的电压等于它们的电位之差。 电位与电压关系的结论之二：电路中某一点的电位随参考点（零电位点）选择的不同而不同。但两点间的电压不变。 电位概念在电子电路中的应用：简化电子线路！第11页，共31页。 四、电动势 电动势是衡量外力即非电场力做功能力的物理量，电动势越大，电源的能力越强。第12页，共31页。 电动势的定义：外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极（b点）搬运到正极（a点）所做的功，称为a与b两点间的电动势。 电动势的方向： 在电源内部，电动势的实际方向是正电荷所受外力的方向，从低电

7、位指向高电位。 电动势的单位：与电压相同。电源内部，电压的实际方向是正电荷所受电场力的方向，从高指向低电位，故与电动势方向相反！第13页，共31页。由于 ,因此 电路消耗（或吸收）的功率P等于单位时间内电路消耗（或吸收）的能量。 即 功率的单位为瓦特（Watt）， 简称瓦（W）。 五、电能和电功率 从t0到t的时间内，从a到b点电路元件吸收的电能可根据电压的定义（a、 b两点的电压在量值上等于电场力将单位正电荷由a点移动到b点时所做的功）求得， 即第14页，共31页。第三节 电路的三种状态 电路有三种状态，分别是空载（断路）状态、短路状态和有载（通路）工作状态。 一、空载状态 空载状态，就是电

8、源与负载没有构成闭合回路。第15页，共31页。 二、短路状态 所谓短路，就是电源未经负载而直接连通成闭合回路的情况。第16页，共31页。 三、有载工作状态 电源与负载接成闭合回路，电路便处于有载（通路）工作状态。第17页，共31页。 有载工作状态下，电源的端电压U随输出电流I的变化关系U =f（I）称为电源的外特性。 外特性方程： 电压随电流直线下降， 斜率与内阻有关。外特性曲线：第18页，共31页。第四节 电压源和电流源及其等效变换 实际电源的两种电路模型：电压源和电流源。 一、电压源 将实际电源用电动势和电阻串联来建模，即为电压源。 在R0=0的理想情况下，电压源被称为恒压源或理想电压源。

9、 实际电源都会有内阻，如果电源的内阻远小于负载等效电阻，即 ，可以将这个电源近似为恒压源。第19页，共31页。电压源理想电压源第20页，共31页。伏安特性曲线电压源理想电压源第21页，共31页。 将电压源的外特性变形为二、电流源 可以发现：电源的输出电流等于一个恒定电流与一个可变电流的差。恒定电流部分等于电源的短路电流，可变电流部分可想象成输出电压在内阻上引起的电流。 由此，实际电源可以用一个恒定电流和电阻R0的并联来建模。 为电流源。电流源 理想电流源 第22页，共31页。 当 时电流源被称为恒流源或理想电流源 的理想情况是不存在的，如果实际电源的内阻 ，即可近似为恒流源。电流源理想电流源伏

10、安特性曲线电流源的开路电压第23页，共31页。电压源模型电流源模型电流源模型与电压源模型的参数对比三、电压源与电流源的等效变换 一个实际的电源，既可以用理想电压源与内阻串联表示， 也可以用理想电流源与内阻并联来表示。对于外电路而言， 如果电源的外特性相同， 无论采用哪种模型来计算外电路上的电流、电压，结果都会相同。 对外电路而言， 两种模型是可以等效变换的。第24页，共31页。 利用电流源和电压源的等效变换，可以化简和求解电路。 (1) 把电压源变换为电流源时，电流源中IS的大小等于原电压源的短路电流 ，方向与原电压源的电动势箭头方向相同电路形式由串联改并联，内阻大小不变。 (2) 把电流源变

11、换为电压源时，电压源中E的大小等于原电流源的开路电压 ，方向与原电流源方向相同，电路形式由并联改串联，内阻大小不变。 (3) 电压源与电流源的等效变换只能对外电路等效，对内电路不等效。等效变换对电源内电阻上的电流、电压及功率计算都不等效。 (4) 理想电压源与理想电流源之间不能进行等效变换。 第25页，共31页。 预备知识： 1、支路：电路中任一段不分叉的电路分支，称为支路。 2、节点：三条或三条以上支路的连接点称为节点。 3、回路：电路中任一闭合路径称为回路。 4、网孔：内部不包含支路的回路称为网孔。基尔霍夫定律电流定律电压定律支路：BAF、BCD、BE节点：B、E回路：ABEFA、BCDE

12、B和ABCDEFA网孔：ABEFA、BCDEB第五节 基尔霍夫定律第26页，共31页。 一、基尔霍夫电流定律（KCL） 基尔霍夫电流定律简称KCL，反映了电路中的节点所连接的各支路电流之间的相互关系。 KCL的基本内容：在任意时刻，流入电路中任一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和， 即： I入=I出 该定律说明电路中的节点上不会发生电荷堆积现象，反映了电流具有连续性。 如将流入节点的电流前取正号，流出节点的电流前取负号，基尔霍夫电流定律也可写成:I=0 应用上式时也可以约定流出为正、流入为负，等式依然成立。其物理意义是：流入节点B的电流的代数和恒等于零。对上图节点B列KCL方程：对上图节

13、点E列KCL方程： ！2个节电的电路只能列出一个独立的KCL方程！第27页，共31页。 左图中封闭面 的KCL方程： 基尔霍夫电流定律的结论：对一个具有m个节点的电路，只能列出（m-1）个独立的KCL方程。 基尔霍夫电流定律的推广：对于包围几个节点的封闭面，（广义节点），根据电流的连续原理，电路中流入一个封闭面的电流等于流出的电流，即流入一个封闭面的电流代数和等于零。第28页，共31页。 二、基尔霍夫电压定律（KVL） 基尔霍夫电压定律简称KVL，反映了电路中的回路上各段电压之间的相互关系，。 KVL的基本内容是: 在任一时刻，沿任一回路绕行一周，回路中所有电源电动势（电压升）的代数和等于所有

14、电阻电压降的代数和，即 应用KVL定律时，先假定绕行方向为顺时针或逆时针，当电动势的方向与绕行方向一致时，因沿回路方向电位升高，故该电动势取正号，反之取负号; 当电阻上的电流方向与回路绕行方向一致时，因沿回路方向电位降低，故该电阻上的电压降取正号， 反之取负号。第29页，共31页。 仍对图 1-23电路列方程。 沿ABEFA回路，有沿BCDEB回路，有沿ABCDEFA回路，有 显然前两个方程相加可以得到第三个方程，因此，这3个回路中只有两个独立可用的电压方程。 应用基尔霍夫电压定律的结论：对一个n条支路、m个节点的电路，可以列出（n- m +1）个独立的KCL方程，一般情况下以网孔作为回路列写即可