电路的基本概念和定律

1、电路的基本概念和定律第一页，共45页。10/17/20221第1章 电路的基本概念和定律 第一章 电路的基本概念和定律第二页，共45页。10/17/20222第1章 电路的基本概念和定律第1 章 电路的基本概念和定律1.1 电路与电路模型1.2 电路的基本物理量1.3 欧姆定律与电阻元件1.4 基尔霍夫定律本章小结第三页，共45页。10/17/20223第1章 电路的基本概念和定律【教学导航】教学目的 掌握电路的组成； 掌握电路的基本物理量； 理解欧姆定律； 理解电流和电压的参考方向； 理解电源有载工作、开路与短路； 掌握负载获得最大功率的条件 掌握基尔霍夫定律及应用。第四页，共45页。10/

2、17/20224第1章 电路的基本概念和定律【教学重点】电路的基本概念电路模型电路中的基本物理量欧姆定律基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律【教学难点】电压和电流的参考方向；电源和负载的判断；基尔霍夫定律的应用 【参考学时】6学时第五页，共45页。10/17/20225第1章 电路的基本概念和定律1.1 电路与电路模型电路：电流所流通的路径就是电路。电流由电荷的有规则运动形成。电路是由若干电气元件和设备按一定方式连接而成的总体。电路的作用：一是实现能量的转换、传输和分配。如供电电路等；二是实现信号的产生、传送和处理。如电子电路等；三是测量电压、电流等电量。如万用表电路等；四是进行各种各样数学运算

3、和存储信息，如计算机电路等。 1.1.1 电路第六页，共45页。10/17/20226第1章 电路的基本概念和定律电路的组成：由电源、负载和中间环节所组成。电源：是向电路提供能量和信号的元件。如电池、发电机等；负载：是使用电能和输出信号的器件。如电灯、电炉、显像管等；中间环节：是把电源和负载连接在一起。如导线、开关、电视机内部电路等。电路举例： 手电筒实际电路第七页，共45页。10/17/20227第1章 电路的基本概念和定律1.1.2 电路图电路原理图： 是为分析电路而将电路中的元器件用电路模型与符号来代替实物而画的电路图。 如下图是手电筒的电路原理图。第八页，共45页。10/17/2022

4、8第1章 电路的基本概念和定律理想电路元件： 理想电路元件：是实际电气器件主要电磁特性的科学抽象。 电阻R：是模拟实际电气器件中消耗电能的特性并将其抽象出的理想电路元件；电感L：是模拟实际电气器件中建立磁场的特性并将其抽象出的理想电路元件；电容C：是模拟实际电气器件中建立电场的特性并将其抽象出的理想电路元件；理想电压源US：是模拟实际电源输出电压的特性并将其抽象出的理想元件；理想电流源IS：是模拟实际电源输出电流的特性并将其抽象出的理想元件。第九页，共45页。10/17/20229第1章 电路的基本概念和定律理想电路元件符号： 常用的电路元件主要有：电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源、理

5、想电流源等。第十页，共45页。10/17/202210第1章 电路的基本概念和定律第十一页，共45页。10/17/202211第1章 电路的基本概念和定律第十二页，共45页。10/17/202212第1章 电路的基本概念和定律1.2 电路的基本物理量1. 电流的形成： 在金属导体中存在着大量的带负电荷的自由电子。常态下，这些自由电子在金属内部作无规则的热运动。若在导体两端施加电场，则在电场力的作用下，其内部的自由电子将逆电场力方向运动而形成电流（电子流），如右图所示，这种电流称为传导电流。因此，电流是电荷或带电质点作有规则的定向运动形成的 。1.2.1 电流 传导电流的形成 第十三页，共45页

6、。10/17/202213第1章 电路的基本概念和定律电流的大小用电流强度来表征，简称为电流，电流用字母I或i表示。电流强度在数值上等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。若电流的大小和方向随时间变化，则变化的电流i定义为：直流：交流：2. 电流的大小第十四页，共45页。10/17/202214第1章 电路的基本概念和定律在国际单位制中，电流的单位用安培表示，简称安（A）。也可以用毫安（mA）或微安（A）作单位。 1安（A）103 毫安（mA）106 微安（A）安培（A）与电荷量库仑（C）和时间秒（s）的关系为：3. 电流的单位即在1秒钟内通过导体横截面的电荷量为1库仑，则电流强度即为1安培。第

7、十五页，共45页。10/17/202215第1章 电路的基本概念和定律 电流的参考方向：人为任意假设，以便进行电路分析。 二者关系：i0,相同，i0为发出功率， p0为吸收功率；第二十六页，共45页。10/17/202226第1章 电路的基本概念和定律1. 电阻元件的伏安关系 在电路分析中，通常采用元件上的电压u与电流i的函数关系来描述该元件的特性，这一关系称为伏安特性或伏安关系，用VAR表示。 1.3.3电阻元件2.金属导体的电阻 欧姆的实验还指出：对于均匀截面的金属导体，其电阻与导体的长度成正比，与截面积成反比，另外还与材料的导电能力（电阻率或电导率）有关。即： 第二十七页，共45页。10

8、/17/202227第1章 电路的基本概念和定律1.4电源有载工作、开路与短路 在实际中分析与应用的电路是含有电源的闭合电路。下面以这个最简单的有源闭合电路为例，说明电源有载工作电路的常规分析方法。其中电源电压为US，电源内阻为R0，负载电阻为RL。 (1) 电流的大小由负载决定。 负载端电压 U=IR 或 U=US-IR0 (2)电源外特性电源端电压U和输出电流I之间的关系曲线，称为电源的外特性曲线。 1.4.1电源有载工作第二十八页，共45页。10/17/202228第1章 电路的基本概念和定律1电源开路 当开关S断开时，就称为电路处于开路状态。开路时，电源没有带负载，所以又称电源空载状态

9、。电源开路，相当于电源的负载为无穷大，因此电路中电流为零。无电流，则电源内阻没有压降损耗，电源的端电压等于电源电动势，电源也不输出电能。电源开路时的电路特征为： I 0； UUOCUS。1.4.2电源开路与短路第二十九页，共45页。10/17/202229第1章 电路的基本概念和定律2电源短路 当电源的两端由于某种原因被电阻值接近为零的导体连接在一起，则电源处于短路状态。 电源短路状态，电流回路中仅有很小的电源内阻R0，因此回路中的电流很大，这个电流称为短路电流，用ISC表示。电源短路时的电路特征为： U 0； IISCUS / R0。第三十页，共45页。10/17/202230第1章 电路的

10、基本概念和定律1.4.3 负载获得最大功率的条件在电路中，有时要求在负载上获得最大功率，电路模型如图所示。 负载电阻RL上的功率： 当 RLR0时，分母中的项为0，此时负载将获得最大功率值。这被称之为最大功率传输定理。通常称RLR0为最大功率匹配条件。此时负载可获得最大功率，其值为： 第三十一页，共45页。10/17/202231第1章 电路的基本概念和定律1.5 基尔霍夫定律有关电路的几个名词:（1）支路：是指流过同一电流没有分支的一段电路。一条支路由一个或若干二端元件串联而构成，电路的支路数用b表示。（2）节点：是指电路中3条或3条以上支路的连接点。2条支路的连接点不是节点，因为2条支路连

11、接后仍为同一支路。电路的节点数用n表示，在电路中，如果是用理想导线连接的点可看作是同一节点。（3）回路：是指电路中任一闭合的路径。电路的回路数用l表示。（4）网孔：是指在平面电路中，内部不含任何支路的回路。网孔数用m表示。 第三十二页，共45页。10/17/202232第1章 电路的基本概念和定律在图所示电路中:支路：b=4条节点：n=2个回路：L=6个网孔：m=3个。一个完整的平面电路的支路数、节点数、网孔数满足下列式子：b-（n-1）=b-n+1=m。第三十三页，共45页。10/17/202233第1章 电路的基本概念和定律1.5.1 基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律：（Kirc

12、hhoffs Current Law，简写为KCL）又称基尔霍夫第一定律，表述为：对于任意集中参数电路，在任一时刻，任一节点的所有支路电流的代数和等于零。因为该定律是针对电路的节点而言，所以也称节点定律，其数学表达式为： i = 0 正负号的约定：流出该节点的电流为正，流入该节点的电流为负。 KCL应用扩展：基尔霍夫电流定律不但适用于电路的节点，而且还可以推广到电路中任一闭合面。 第三十四页，共45页。10/17/202234第1章 电路的基本概念和定律1.5.2 基尔霍夫电压定律（KVL）基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage Law，简写为KVL）又称基尔霍夫第二定律，表述

13、为：对于任意集中参数的电路，在任一时刻，任一回路所有电压的代数和为零。因为该定律是针对电路的回路而言的，所以也称回路定律，其数学表达式为u = 0 回路的绕行方向：通常可取顺时针绕行方向。 正负号的规定：当回路电压的参考方向与回路的绕行方向相同时，电压前取正号；当回路电压的参考方向与回路的绕行方向相反时，电压前取负号。 KVL应用扩展：KVL可应用于求电路中任意两点间的电压。 第三十五页，共45页。10/17/202235第1章 电路的基本概念和定律电路举例：各节点的KCL方程：各网孔的KVL方程：第三十六页，共45页。10/17/202236第1章 电路的基本概念和定律【仿真训练】仿真训练1

14、 ： 欧姆定律仿真 （a） （b）图1-24 欧姆定律仿真电路电路：测试图示电路中的电流大小，验证欧姆定律的正确性。 第三十七页，共45页。10/17/202237第1章 电路的基本概念和定律仿真训练2 ： 基尔霍夫定律仿真电路1：KCL仿真电路，验证I 0。 第三十八页，共45页。10/17/202238第1章 电路的基本概念和定律电路2：KVL仿真电路，验证U 0。 第三十九页，共45页。10/17/202239第1章 电路的基本概念和定律仿真训练3：电路中的电压与电位仿真 （a）电路组成 （b）仿真结果 电路1：直流电路的电位、电压仿真测量 第四十页，共45页。10/17/202240第

15、1章 电路的基本概念和定律（a）利用测量探针进行电路仿真 （b）利用直流工作点分析进行电路仿真 电路2：直流电路的电位、电压仿真测量 （测量探针与直流工作点分析）第四十一页，共45页。10/17/202241第1章 电路的基本概念和定律仿真训练5：电路的功率仿真电路：功率测量仿真 （a）功率测量电路 （b）功率测量电路的仿真 第四十二页，共45页。10/17/202242第1章 电路的基本概念和定律本 章 小 结电路是电流流通的路径。一般电路都由电源、负载及中间环节组成。电路分析主要是分析电路的电流、电压和电功率。本书研究的电路是实际电路的电路模型，实际电路可由一个或几个理想电路元件的组合来代

16、替。分析电路时，首先假定电路中支路电流和电压的参考方向。当电流和电压为正时，说明实际方向和参考方向相同；当电流和电压为负时，说明实际方向和参考方向相反。元件电流和电压参考方向一致时为关联参考方向，否则，为非关联参考方向。在关联参考方向下，功率为正，说明电路实际吸收电能；功率为负，说明电路实际输出电能。如果是在非关联参考方向下，功率为正时说明电路实际输出电能，功率为负时说明电路实际吸收电能。 第四十三页，共45页。10/17/202243第1章 电路的基本概念和定律直流电路中，构成电路的元件主要有电阻元件、理想电压源、理想电流源和受控源。分析电路时要利用电路中存在的两类约束关系： （1）元件约束：元件本身电流和电压的关系，称为V-A关