1、第1章 电路的基础知识,1.1 电路和电路模型,1.2 电路中的主要物理量,1.3 电路的基本元件,1.4 基尔霍夫定律,1.6 简单电阻电路的分析方法,1.5 基尔霍夫定律,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b体育、开路与短路状态电路知识， 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1章 电路的基础知识,1.1 电路和电路模型,(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。,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

　　2、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。,3.电路模型,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。,1.2 电路中的主要物理量,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) 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。,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,例

　　3、：,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 。,电路的基本元素是元件，电路元件是实际器件的理想化物理模型，应有严格的定义。,电路中研究的全部为集总元件。,电路元件的端子数目可分为二端、三端、四端元件等。,最基本的几个元件：,1.3 电路的基本元件,实际电阻元件,感性认识电阻元件,线性电阻电路研究的模型,1. 符号,2. 欧姆定律 (Ohms Law),(1) 电压与电流的参考方向设定为一致的方向,R,u,+,u R i,R 称为电阻，,电阻的单位： (欧) (Ohm，欧姆),一. 电阻元件,伏安特性曲线:,R tg , 线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,令 G 1/R,G称为电导,则 欧姆定律表示为 i G u .,电导的单位： S (西) (Siemens，西门子),电阻元件的伏安特性为 一条过原点的直线. 开路与短路,对于一电阻R,当R=0，视其为短路。 i为有限值时，u=0。,当R=，视其为开路。 u为有限值时，i=0。,* 理想导线、功率和能量,由电功率的定义及欧姆定律可知，电阻吸收的功率和能量,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,实际电容元件,感性认识电容元件,线性电容电路研究的模型,任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电流 u 成正比。,2、电路符号,1、电容,或,+ uC -,+ uC -,二. 电容元件,与电容有关两个变量: C, q 对于线性电容，有： q =Cu,3. 元件特性,C 称为电容器的电容,电容 C 的单位：F (法) (Farad，法拉) F= C/V = As/V = s/ ,常用F，nF，pF等表示。,4、库伏特性：线性电容的qu 特性是过原点的直线、电压、电流关系： u, i 取关联参考方向,或,动态特性,记忆特性,6、电容元件的功率和能量,在电压、电流关联参考方向下，电容元件吸收的功率为,则电容在任何时刻 t 所储存的电场能量WC 将等于其所吸收的能量。,由此可以看出，电容是无源元件，它本身不消耗能量。,从t0到 t 电容储能的变化量：,7 、

　　5、小结：,动态,记忆,（5）C 既表示元件，也表示参数,图 (a)所示电容元件，已知电流的波形如图(b)所示，设C=5F ，电容电压的初始值u(0) = 0，试求电容两端的电压u。,解 由图(b)可知电流分段表示为,又因为， 根据记忆特性公式可得电容两端的电压为,电容电压的波形如图(c)所示。,例1,其他电容全面认识电容元件,1、电磁特性实质：电容是储存电场能量或储存电荷能力的度量。电容元件是用来模拟一类能够储存电场能量的理想元件模型。,2、分类1：线性时变、线性时不变；非线性时变、非线：二端子、三端子、多端子。,4、电容效应与万有引力相似，任意两个物体之间均有电容特性，常见如晶体管中三极管管脚之间的电容。,5、实际电容电容器：集额定功率、尺寸要求、耐压值、耐流值等多种指标的设备。,电容器结构,两个极板介质,实际电容器制作的材料和结构不尽相同，通常有云母电容器、陶瓷电容器、钽质电容器、聚碳酸酯电容器等等。,线性电感电路研究的模型,变量: 电流 i , 磁链,1 、线性定常电感元件符号与参数,L 称为自感系数,L 的单位：亨（利） 符号：H (Henry）,2 、韦安

　　6、（ i ）特性,0, tg,三. 电感元件,3 、 电压、电流关系：,由电磁感应定律与楞次定律,i , 右螺旋 e , 右螺旋 u , e 一致 u , i 关联,VCR常用,VCR次常用,动态,记忆,很少用,4 、 电感的储能,(1) u的大小与 i 的变化率成正比，与 i 的大小无关；,(3) 电感元件是一种记忆元件；,(2)电感在直流电路中相当于短路；,(4) 当 u，i 为关联方向时，u=L di / dt； u，i 为非关联方向时，u= L di / dt 。,5 、小结：,（5）L 既表示元件，也表示参数,动态,记忆,其他电感全面认识电感元件,1、电磁特性实质：导体中有电流流过时，导体周围将产生磁场。变化的磁场可以使置于磁场中的导体产生电压，这个电压的大小与产生磁场的电流随时间的变化率成正比。这里所讨论的电感元件就是用来模拟实际电磁器件的理想元件。,2、分类1：线性时变、线性时不变；非线性时变、非线：二端子、三端子、多端子。,4、电感效应与万有引力相似，任意两个物体之间均有电感特性，常见如同轴电缆有重要参数就是其电感，长距离传输线、际电感电感器：集额定功率、尺寸要求、耐压值、耐流值等多种指标的设备。更多的是理想电感元件与电阻的组合，因而不可能是无损元件。,实际电感线圈,结构：由具有绝缘外包线绕制成有心或空心的线圈构成,感性认识电源,1、任何实际电路正常工作必须要有提供能量的电源 。,2、实际电源多种多样，图给出了几种实际电源的图片。如手电筒和收音机上用的干电池和计算器中用的纽扣电池图(a)，实验室中用的稳压电源图(b)。还有其它种类的电源，如机动车上用的蓄电池和人造卫星上用的太阳能电池，工程上使用的直流发电机，交流发电机等等。,规定：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流 i 无关。,(2) 特点：,(a) 电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 通过它的电流是任意的，由外电路决定。,直流：uS为常数,交流： uS是确定的时间函数，如 uS=Umsint,(1)电路符号,四. 电压源,(3). 伏安特性,US,(a) 若uS = US ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与 电源中的电流无关。,(b) 若uS为变化的电源电路知识，则某一时刻的伏安关系也是 这样。电压为零的电压源，伏安曲线、 i 轴重合,相当于短路元件。,(4). 理想电压源的开路与短路,(a) 开路：R，i=0，u=uS。,(b) 短路：R=0，i ，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短路。,* 实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。,u=USri,实际电压源,(5). 功率：,或,p吸=uSi p发= uSi ( i, uS关联 ),电场力做功 ， 吸收功率。, 电流（正电荷 ）由低电位向高电位移动 外力克服电场力作功发出功率, p发 uS i (i , us非关联）,物理意义：,独立电流源也是一种理想化的电源模型。若一个二端元件不论其电压为何值（或外部电路如何），其电流始终保持常量Is或给定的时间函数is(t)的电源称为独立电流源（简称电流源）。,电子电路中有该类电路， 今后会遇到。,五. 电流源,电路分析理想电流源模型,规定:电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压 u 无关。,(2). 特点：,(a) 电源电流由电源本身决定，与外电路无关；,(b) 电源两端电压是任意的，由外电路决定。,直流：iS为常数,交流： iS是确定的时间函数，如 iS=Imsint,(1

　　9、).电路符号,(3). 伏安特性,IS,(a) 若iS= IS ，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与 端电压无关。,(b) 若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是 这样 电流为零的电流源，伏安曲线与 u 轴重合,相当于开路元件,(4). 理想电流源的短路与开路,(b) 开路：R，i= iS ，u 。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。,(a) 短路：R=0， i= iS ，u=0 ，电流源被短路。,(5). 实际电流源的产生： 可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。,一个高电压、高内阻的电压源，在外部负载电阻较小，且负载变化范围不大时，可将其等效为电流源。,r =1000 ，US =1000 V， R =12 时,当 R =1 时，u=0.999 V,当 R =2 时，u=1.999 V,将其等效为1A的电流源：,当 R =1 时，u=1 V,当 R =2 时，u=2 V,与上述结果误差均很小。,(6). 功率,p发= u is p吸= uis,p吸= uis p发= uis,u , iS 关联,u , iS 非关联,解 由欧姆定律,电流源端电压为,电流源的功率为,由上可知，独立电流源的端电压是任意的，与外部电路有关。作为理想元件其端电压可为无穷大（电流源开路），这意味着没有能量的限制。这在实际中也不可能存在。,UR = RIs = 100.5 = 5（V）,UIS = UR +Us= 5 +10 = 15（V）,PIS = -UISIs =-150.5 = -7.5 W(发出功率),电源与负载的判别,Ub体育、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。 （

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