1.2物理量及其參考方向,1.3電阻元件與歐姆定律,1.4電源元件,1.5基爾霍夫定律,1.1電路模型,習(xí)題:,第1章電路基礎(chǔ)知識(shí),1,一個(gè)實(shí)際電路，為了實(shí)現(xiàn)某種功能，用導(dǎo)線(xiàn)將一些實(shí)際電氣器件連接起來(lái)，構(gòu)成可供電流流通的通路，叫電路。,2,電源:提供電能的裝置,負(fù)載:取用電能的裝置,2.電路的作用,3,直流電源:提供能源,信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等,負(fù)載,信號(hào)源:提供信息,信號(hào)（信息）：聲音信號(hào)例：語(yǔ)言、音樂(lè)電信號(hào)例：電壓、電流,（b）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理,4,1.1.2電路模型,為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)實(shí)際電路建立模型，由理想電路元件所組成的電路叫電路模型理想電路元件(簡(jiǎn)稱(chēng)電路元件)是針對(duì)一些基本電磁現(xiàn)象，將實(shí)際電路元件理想化了的電路元件，一個(gè)理想電路元件只表示一種電磁現(xiàn)象或物理現(xiàn)象，用統(tǒng)一的符號(hào)標(biāo)記,表1.1.1常用電路元件的電路符號(hào)表,5,例：日光燈模型,（a）實(shí)際模型,（b）電路模型,6,在SI(國(guó)際單位制)中，電流的單位為安培，簡(jiǎn)稱(chēng)安，符號(hào)為A。常用的有千安(kA)，毫安(mA)，微安(A)等。他們的之間的進(jìn)制是10的三次方式中，t的單位是秒(s)，電荷量q的單位為庫(kù)(c)，1C=1As。,7,2.電流的方向,在分析與計(jì)算電路時(shí)，任意規(guī)定某一方向作為電流的參考方向，或正方向。規(guī)定了參考方向以后，電流則有正負(fù)之分。正的電流表示電流的實(shí)際方向與參考方向相同；負(fù)的電流表示電流的實(shí)際方向與參考方向相反。,習(xí)慣上規(guī)定電流的實(shí)際方向?yàn)檎姾傻倪\(yùn)動(dòng)方向,8,a，b兩點(diǎn)間的電壓在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功,),式中，為由a點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)的電荷量，單位為庫(kù)侖，為移動(dòng)過(guò)程中電荷所減少的能量，單位為焦耳(用字母J來(lái)表示)。在國(guó)際單位制中，電壓的單位是伏特(簡(jiǎn)稱(chēng)伏，用字母V來(lái)表示)。常用的有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏()，,9,電壓的實(shí)際方向是使正電荷電位能減少的方向，當(dāng)然也是電場(chǎng)力對(duì)正電荷做功的方向。即由高電位端指向低電位端，也即電位降低的方向。,電路分析中也要規(guī)定電壓的參考方向，即正方向。在參考方向選定之后，電壓則有正負(fù)之分。,10,關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向,如果流過(guò)某元件電流的參考方向是從電壓參考方向的正極性端指向負(fù)極性端，即電流電壓的參考方向一致，則把這種參考方向稱(chēng)為關(guān)聯(lián)參考方向；當(dāng)流過(guò)某元件電流的參考方向是從電壓參考方向的負(fù)極性端指向正極性端，即電流和電壓的參考方向不一致時(shí)，稱(chēng)為非關(guān)聯(lián)參考方向，,11,2.電位及其參考方向,參考點(diǎn)就是我們假設(shè)的“零電位點(diǎn)”，“地電位點(diǎn)”，一般在電路里面用或符號(hào)表示。電路某點(diǎn)的電位就是這點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。電位用V表示，a點(diǎn)的電位用表示。有,有了電位概念以后，電路中任意兩點(diǎn)間的電壓等于這兩點(diǎn)的電位差,電位的單位和電壓一樣，是伏特,12,電位的參考方向和電壓的參考方向表示方法一樣，主要用+-極性法和箭標(biāo)法兩種。因?yàn)槲覀円呀?jīng)假設(shè)參考點(diǎn)的電位為零，所以，如果某點(diǎn)的電位為正，說(shuō)明此點(diǎn)的電位比地電位高，如果某點(diǎn)的電位為負(fù)，說(shuō)明此點(diǎn)的電位比地電位低。,13,【例1.2.1】圖所示電路中，已知U1=-10V，Uab=4V，試求：(1)Uac；并說(shuō)明U1、Uab、Uac的實(shí)際方向。(2)分別以a點(diǎn)和c點(diǎn)作為參考點(diǎn)時(shí)，b點(diǎn)的電位和bc兩點(diǎn)之間的電壓Ubc。,（2）以a點(diǎn)作為參考點(diǎn)，則Va=0以c點(diǎn)作為參考點(diǎn)，則Vc=0因?yàn)閁ab=Va-Vb，所以因?yàn)閁ac=Va-Vc，所以Vb=Va-Uab=0-4=-4(V)Va=Vc+Uac=0+10=10(V)Vc=Va-Uac=0-10=-10(V)Vb=Va-Uab=10-4=6(V)Ubc=Vb-Vc=-4-(-10)=6(V)Ubc=Vb-Vc=6-0=6(V),由以上計(jì)算可以看出，當(dāng)以a點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，Vb=-4V；當(dāng)以c點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)，Vb=6V；但b點(diǎn)和c點(diǎn)之間的電壓Ubc始終是6V。這說(shuō)明電路中各點(diǎn)的電位值與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)，而任意兩點(diǎn)間的電壓與參考點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)。,【解】(1)Uac=-U1=-(-10)=10(V)，Uab、Uac電壓是正的，說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向一致。U1電壓是負(fù)的，說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向相反。,14,2.電動(dòng)勢(shì)及其參考方向,電源內(nèi)部必須有一種力，能持續(xù)不斷地把正電荷從電源的負(fù)極b(低電位處)移送到正極a(高電位處)，以保證電源兩極間具有一恒定的電位差。電源內(nèi)部的這種非電場(chǎng)力，叫做電源力,在電源內(nèi)部，電源力將單位正電荷從電源負(fù)極（a）移動(dòng)到電源正極（b）所做的功，稱(chēng)為電源的電動(dòng)勢(shì)，用符號(hào)E（Eab）表示，電動(dòng)勢(shì)的單位和電壓一樣，也是伏特(V),電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向和電壓實(shí)際方向規(guī)定相反。,15,16,1.2.3電功率和電能,電源將其它形式的能轉(zhuǎn)換成電能通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)發(fā)出來(lái)，負(fù)載接收到這些能量，又把電能轉(zhuǎn)換成其它形式的能，傳遞轉(zhuǎn)換電能的速率叫電功率，簡(jiǎn)稱(chēng)功率，用P(直流時(shí))或p(交流時(shí))表示,17,如果功率的單位是千瓦(kW)，時(shí)間的單位是小時(shí)(h)，電能的單位就是千瓦小時(shí)(kWh)，1千瓦小時(shí)就是常說(shuō)的1度電。,電流電壓的參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向時(shí),電流電壓的參考方向?yàn)榉顷P(guān)聯(lián)參考方向時(shí),無(wú)論用哪個(gè)公式計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果為P0,則表明該元件(或一段電路)確實(shí)是從外電路吸收能量，即消耗電能，那么這元件應(yīng)該是負(fù)載；若P0，則表明該元件(或一段電路)實(shí)際上是向外電路提供能量，即發(fā)出功率的，這一元件(或一段電路)應(yīng)該是電源,18,所有元件接收的功率的總和為零，即在電路里面任何時(shí)候電源發(fā)出的功率都等于負(fù)載得到的功率，這個(gè)結(jié)論叫做“電路的功率平衡。,在t1到t2時(shí)間段內(nèi)，電壓電流是關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，該段電路或一個(gè)元件接收或發(fā)出的電能量為：交流時(shí)功率、能量用小寫(xiě)字母p、w表示：,，,直流時(shí)功率、能量用大寫(xiě)字母P、W表示：,，,2.電能,19,，,、,、,【解】（1）I為正，說(shuō)明實(shí)際方向和參考方向一致；I為負(fù)，說(shuō)明實(shí)際方向和參考方向相反。,20,故，功率平衡。,21,1.2.4電器設(shè)備的額定值,電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的溫度叫穩(wěn)定溫度，穩(wěn)定溫度正好等于最高允許溫度時(shí)的電流稱(chēng)為該電氣設(shè)備的額定電流，也就是電氣設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的最大允許電流，用符號(hào)IN表示。,電路中電流達(dá)到電源或供電線(xiàn)的額定電流時(shí)，工作狀態(tài)叫做“滿(mǎn)載”；超過(guò)額定電流時(shí)，叫做“過(guò)載”；小于額定電流時(shí)，叫做“欠載”。能夠使電氣設(shè)備在給定的工作條件下正常運(yùn)行而規(guī)定的正常容許值叫電氣設(shè)備的額定值。額定電壓用符號(hào)UN表示，額定電功率用符號(hào)PN表示。負(fù)載的功率和電流的實(shí)際值決定于加在它上面的電壓,22,導(dǎo)體或半導(dǎo)體對(duì)電流的這種阻礙作用，稱(chēng)為電阻作用。其電路模型可以用理想電路元件電阻元件來(lái)模擬，電阻元件簡(jiǎn)稱(chēng)為電阻,用符號(hào)R表示,R,電阻的單位是歐姆(),23,式中,電阻率與材料的性質(zhì)和溫度有關(guān)，與尺寸無(wú)關(guān)。不同材料的電阻率是不同的，同一材料在不同溫度下的電阻率也是不同的。但是，在一定溫度下，對(duì)于同一種材料，其電阻率是常數(shù)。,在一定溫度下，對(duì)于同一種材料，其電阻率是常數(shù)。例如銅在溫度為20時(shí)的電阻率為,24,式中,25,式中,26,U、I參考方向相同時(shí)，,U、I參考方向相反時(shí)，,表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：式前的正負(fù)號(hào)由U、I參考方向的關(guān)系確定；,U、I值本身的正負(fù)則說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向之間的關(guān)系。,通常取U、I參考方向相同。,U=IR,U=IR,2.歐姆定律,27,元件的電流與電壓的關(guān)系曲線(xiàn)叫做元件的伏安特性曲線(xiàn)，線(xiàn)性電阻元件的伏安特性為通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線(xiàn)，如果電阻兩端的電壓U或流過(guò)電阻的電流I改變時(shí)，電阻的阻值也隨之改變，這樣的電阻稱(chēng)為非線(xiàn)性電阻，如二極管,線(xiàn)性電阻半導(dǎo)體二極管的伏安特性,28,3.電阻的功率,當(dāng)U、I是關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，由功率公式和歐姆定律可知,不管U、I參考方向是否相同，電阻元件的功率始終是正值，所以電阻元件是耗能元件，始終是負(fù)載。,29,直流時(shí)：,30,【例1.3.2】有220V，100W的一個(gè)燈泡，其燈絲電阻是多少？每天用10h，一個(gè)月(按30天計(jì)算)消耗的電能是多少度？,【解】燈泡燈絲電阻為,一個(gè)月消耗的電能為：,31,用一個(gè)電壓為US的理想電壓源和電源的內(nèi)阻R0串聯(lián)組合來(lái)表示一個(gè)真實(shí)的電源,32,1.電壓源的有載工作狀態(tài),由歐姆定律有,內(nèi)阻上的壓降,33,即是,負(fù)載獲得的功率,內(nèi)阻上消耗的功率,34,2電壓源短路、開(kāi)路狀態(tài),電壓源短路狀態(tài)電壓源開(kāi)路狀態(tài),短路電流,電源的開(kāi)路電壓,功率,35,3.理想電壓源,如果電壓源的內(nèi)阻,此時(shí)負(fù)載端的電壓恒為U=US，與負(fù)載電阻RL的大小無(wú)關(guān)，這種電壓源稱(chēng)為理想電壓源或恒壓源,內(nèi)阻為零的理想電壓源實(shí)際中當(dāng)然是不存在的，當(dāng)負(fù)載電阻比電源內(nèi)阻大得多的時(shí)候可以看成理想電壓源,36,【例1.4.1】有一直流電源，其額定電流，額定電壓，開(kāi)路時(shí)測(cè)得電源端電壓，負(fù)載電阻RL可以調(diào)節(jié)，其電路如圖所示。試求：(1)額定工作狀態(tài)下的負(fù)載電阻；(2)電源短路狀態(tài)下的電流。(3)半載時(shí)電源輸出電壓和負(fù)載電阻。,【解】(1)額定工作狀態(tài)下的負(fù)載電阻：,37,電源短路狀態(tài)下的電流,(3)半載時(shí)就是輸出電流是額定電流的一半，電源輸出電壓,38,1.4.2電流源,可以看成由一恒定電流為IS的理想電流源與一個(gè)內(nèi)電阻并聯(lián)組合而成的電源，這就是實(shí)際電源的另一種電路模型，簡(jiǎn)稱(chēng)為電流源。電源的短路電流,39,1.電流源的有載工作狀態(tài),40,電源產(chǎn)生的功率等于電源向負(fù)載提供的輸出功率(負(fù)載取用的功率)加上電源內(nèi)阻上損耗的功率。,電流源內(nèi)阻損耗的功率,41,2電流源短路、開(kāi)路狀態(tài),電流源短路狀態(tài)電流源開(kāi)路狀態(tài),a、b兩點(diǎn)的導(dǎo)線(xiàn)直接相連，電流源被短路，此時(shí)，IS電流不再流過(guò)負(fù)載，而直接經(jīng)短路線(xiàn)流回電流源。負(fù)載、電源的電壓、功率都為零。,42,3理想電流源,若內(nèi)電阻R0無(wú)窮大（R0支路開(kāi)路），此時(shí)流過(guò)負(fù)載RL的電流恒為IS，與RL的大小無(wú)關(guān)，則稱(chēng)此電源為理想電流源。,內(nèi)阻無(wú)窮大的理想電流源實(shí)際上也是不存在的，當(dāng)電源內(nèi)阻比負(fù)載電阻大得多的時(shí)候可以看成理想電流源。,43,1.4.3電源與負(fù)載的判斷,在電路里面，電源不一定起電源的作用，有時(shí)候也可能起負(fù)載的作用。,負(fù)載的電流都是從高電位流到低電位，所以，負(fù)載的U和I的實(shí)際方向相同，電流從高電位端(“+”端)流進(jìn)去，低電位端(“-”端)流出來(lái)，取用功率，即“吞”進(jìn)能量。電源的電流都是從低電位流到高電位，所以，電源的U和I的實(shí)際方向相反，電流從低電位端(“-”端)流進(jìn)去，從高電位端(“+”端)流出來(lái)，產(chǎn)生功率，即“吐”出電能。,44,45,【解】(1)參考方向如圖，對(duì)圖a有,對(duì)圖b有,(a)圖斷開(kāi)與理想電壓源并聯(lián)的兩個(gè)理想電流源，在圖(b)中短接與理想電流源串聯(lián)的理想電壓源和1電阻，對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響。因?yàn)镽L上的電壓電流不變。,(2)對(duì)圖(a)（方法一）參考方向方法判斷電源還是負(fù)載,46,47,電流從2A理想電流源正端流出，2A理想電流源處于電源狀態(tài)，I2是正的，I2從10V理想電壓源的正端流出，10V理想電壓源處于電源狀態(tài)，電流從1A理想電流源正端流入，1A理想電流源處于負(fù)載狀態(tài)。,理想電壓源功率：,因?yàn)殡娐返墓β时仨毱胶饧?2A理想電流源功率：,48,1.4.4受控電源,受控源與獨(dú)立源的不同是受控電壓源的電壓或受控電流源的電流其大小和方向都受電路中其它支路的電流或某元件兩端的電壓控制，也就是受控源有個(gè)控制量。受控源又稱(chēng)為非獨(dú)立電源。,根據(jù)控制量是電壓還是電流，受控電源是電壓源還是電流源，受控源分為四種形式,電壓控制電壓源,49,電流控制電壓源,電壓控制電流源,電流控制電流源,50,當(dāng)這些系數(shù)為常數(shù)時(shí)，被控制量和控制量成正比，這種受控源就是線(xiàn)性受控源。若這些系數(shù)不為常數(shù)，則相應(yīng)的受控源是非線(xiàn)性元件。本書(shū)只討論含線(xiàn)性受控源的電路,51,1.5基爾霍夫定律,支路：電路中流過(guò)同一電流的一個(gè)分支稱(chēng)為一條支路,支路電流：支路中流過(guò)的電流叫支路電流。圖中有五條支路，五個(gè)支路電流I1、I2、I3、I4、I5。,節(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。圖有a，b，c三個(gè)節(jié)點(diǎn)，由此可見(jiàn)，每條支路必定連至兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。,52,回路：由一條或多條支路組成的閉合路徑，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過(guò)一次，這條閉合路徑稱(chēng)為一個(gè)回路。圖中有aecda，abfcea，bgcfb，abfcda，abgcea，abgcda六個(gè)回路。,網(wǎng)孔回路:網(wǎng)孔是回路的一種，將電路畫(huà)在平面上，在回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱(chēng)為網(wǎng)孔回路。在圖中有aecda，abfcea，bgcfb三個(gè)網(wǎng)孔回路。,53,畫(huà)在一個(gè)平面上沒(méi)有任何兩條支路交叉的電路，叫做平面電路。圖(a)所示電路看起來(lái)有交叉重新畫(huà)為圖(b)的形式，因此圖(a)電路是平面電路。圖c把電路畫(huà)在一個(gè)平面上怎么畫(huà)都是有交叉支路所以是非平面電路。,(a)平面電路(b)電路重畫(huà)（c）非平面電路,54,1.5.1基爾霍夫電流定律,1.定律,55,【解】此電路有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別列出KCL方程：,56,基爾霍夫電流定律除適用于電路中任一節(jié)點(diǎn)外，還可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任意假設(shè)的某一閉合面，這個(gè)閉合面通常叫廣義節(jié)點(diǎn)。恰當(dāng)?shù)剡x擇廣義節(jié)點(diǎn)可以使計(jì)算簡(jiǎn)單。如圖，虛線(xiàn)構(gòu)成的閉合面包圍了部分電路，它有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用KCL電流定律可列出：,可見(jiàn)，在任一瞬間，