第一章電路的基本概念及電路元件.ppt

緒言 第一章電路的基本概念及電路元件 本章在物理學(xué)的基礎(chǔ)上 主要介紹電路模型的概念 電路中的基本物理量及其參考方向 電路的工作狀態(tài) 還將介紹無源電路元件 有源電路元件及其特性 這些內(nèi)容都是今后分析和計算電路的基礎(chǔ) 主要內(nèi)容 第一章電路的基本概念及電路元件 返回 1 1電路的作用與組成部分 1 2電路模型 1 3電路的基本物理量 1 4電氣設(shè)備的額定值 1 5電路的工作狀態(tài) 1 6無源電路元件 1 7有源電路元件 1 8電路中電位的概念 1 1電路的組成及其作用 第一章電路的基本概念及電路元件 電路的概念 電路就是電流的通路 是為了某種需要由電氣設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成 電路的種類 很多 1 提供能量的電路 如照明及動力系統(tǒng)的供電電路 2 傳送和處理信息的信息處理電路 如電話電路 放大器 3 測量和轉(zhuǎn)換電量的電路 如萬用表與電橋電路 4 存儲與變換信息的電路 如計算機內(nèi)存與移位寄存器 實用電路舉例 實用電路舉例 第一章電路的基本概念及電路元件 1 實現(xiàn)電能的傳輸 分配與轉(zhuǎn)換的電路 2 實現(xiàn)信號的傳遞與處理的電路 電路的組成 無論電路有多復(fù)雜 它都由3部分組成 電源 或信號源 負(fù)載 中間環(huán)節(jié) 電路的組成部分 電源 電路中電能的來源 是把非電能轉(zhuǎn)化為電能的裝置 如 蓄電池 干電池 火力電力發(fā)電機等 負(fù)載 即用電設(shè)備 是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量 中間環(huán)節(jié) 傳遞 分配和控制電能的作用如 連接導(dǎo)線 開關(guān) 測量器件 控制器件保護(hù)器件等 第一章電路的基本概念及電路元件 電路的組成部分 第一章電路的基本概念及電路元件 直流電源 提供能源 負(fù)載 信號源 提供信息 電源或信號源的電壓或電流稱為激勵 它推動電路工作 由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng) 信號處理 放大 調(diào)諧 檢波等 電路模型 第一章電路的基本概念及電路元件 1 2電路模型 為了便于分析和用數(shù)學(xué)模型描述 一般要將實際電路模型化 用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來模擬實際電路中的器件 從而構(gòu)成與實際電路相對應(yīng)的電路模型 例 手電筒由電池 燈泡 開關(guān)和筒體組成 理想電路元件主要有電阻元件 電感元件 電容元件和電源元件等 電池是電源元件 其參數(shù)為電動勢E和內(nèi)阻Ro 燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì) 是電阻元件 其參數(shù)為電阻R 筒體用來連接電池和燈泡 其電阻忽略不計 認(rèn)為是無電阻的理想導(dǎo)體 開關(guān)用來控制電路的通斷 今后分析的都是指電路模型 簡稱電路 在電路圖中 各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號表示 常用理想元件種類 第一章電路的基本概念及電路元件 電荷q 磁通 電壓u 電流i 電阻元件 電容元件 電感元件 憶阻元件 返回 1 3電路的基本物理量 第一章電路的基本概念及電路元件 一 電流 電路中的主要物理量有電壓 電流 電荷 磁鏈 能量 電功率等 在線性電路分析中人們主要關(guān)心的物理量是電流 電壓和功率 單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量 電流強度 單位 1kA 103A1mA 10 3A1 A 10 6A A 安培 kA mA A 電荷的定向移動形成電流 用電流強度來描述 電流的方向 電流的方向及參考方向 第一章電路的基本概念及電路元件 方向 規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向 負(fù)電荷流向 q q 分析電路之前 電流的真實方向一般是未知的 在分析與計算電路時 要假定一個方向 參考方向 參考方向 任意假定的一個方向 分析電路時用箭頭或雙下標(biāo)來表示 iab參考方向 iab參考方向 iab 0 即iab為正值 iab 0 即iab為負(fù)值 實際方向 實際方向 電流的參考方向與實際方向的關(guān)系 A A B B 注意 在參考方向選定后 電流值才有正負(fù)之分 電流的測量 第一章電路的基本概念及電路元件 電流的測量 實驗和工程中采用電流表測量電流 電流表必須串接在被測電路中 電流的參考方向由電流表接線方式?jīng)Q定 接線柱指向 接線柱 電壓 第一章電路的基本概念及電路元件 二 電壓 電壓 就是電路 電場 中兩點 如a與b 之間的電位差 電位 就是單位正電荷在電場 電路是電場的一種特殊形式 中某點所具有的電位能 它表示外力將單位正電荷從某點移動到參考點 0電位 所作的功 用v或V表示 a點電位 b點電位 用u或U表示 ab兩點之間電壓uab 電壓uab表示單位正電荷從a點移動到b點所失去的電位能 因此也常稱為電壓降 電壓的方向 例題 單位 V 伏 kV mV V 實際電壓方向 電位真正降低的方向 1伏特 V 1焦耳 J 庫侖 C 例 已知 4C正電荷由a點均勻移動至b點電場力做功8J 由b點移動到c點電場力做功為12J 1 若以b點為參考點 求a b c點的電位和電壓Uab Ubc 2 若以c點為參考點 再求以上各值 第一章電路的基本概念及電路元件 解 1 以b點為電位參考點 解 2 例 已知 4C正電荷由a點均勻移動至b點電場力做功8J 由b點移動到c點電場力做功為12J 1 若以b點為參考點 求a b c點的電位和電壓Uab Ubc 2 若以c點為參考點 再求以上各值 第一章電路的基本概念及電路元件 解 2 以c點為電位參考點 電路中電位參考點可任意選擇 參考點一經(jīng)選定 電路中各點的電位值就是唯一的 當(dāng)選擇不同的電位參考點時 電路中各點電位值將改變 但任意兩點間電壓保持不變 結(jié)論 第一章電路的基本概念及電路元件 電壓的參考方向 復(fù)雜電路或交變電路中 兩點間電壓的實際方向往往不易判別 給實際電路問題的分析計算帶來困難 在分析與計算電路時 要假定一個方向 參考方向 電壓的參考方向用箭頭 或 號 在電路中標(biāo)出 u u 或 1 電路 電場 中 只有定義了參考點 電位才有意義 注意 uab 或 電壓的測量 電壓 降 的參考方向 假設(shè)的電壓降低之方向 2 電壓是一個相對量 與參考點的選取無關(guān) 3 電位實際上是電路中某點到參考點之間的電壓 電壓的測量 第一章電路的基本概念及電路元件 電壓的參考方向由電壓表接線方式?jīng)Q定 接線柱指向 接線柱 電流 電壓關(guān)聯(lián)參考方向 實驗和工程中采用電壓表測量電壓 電壓表必須和被測支路并聯(lián) 關(guān)聯(lián)參考方向 第一章電路的基本概念及電路元件 同一電路元件上既有電流參考方向 也有電壓參考方向 作為參考方向 都是人為假設(shè)出來的 兩者之間沒有實際聯(lián)系 為了分析方便 同一電路元件或電路部分 電壓和電流的參考方向采用一致的方向 稱為關(guān)聯(lián)參考方向 反之稱為非關(guān)聯(lián)參考方向 關(guān)聯(lián)參考方向 非關(guān)聯(lián)參考方向 i i U U 舉例 例 第一章電路的基本概念及電路元件 注 1 分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向 2 參考方向一經(jīng)選定 必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 包括方向和符號 在計算過程中不得任意改變 3 參考方向不同時 其表達(dá)式相差一負(fù)號 但實際方向不變 i U 電壓電流參考方向如圖中所標(biāo) 問 對A B兩部分電路電壓電流參考方向關(guān)聯(lián)否 答 A電壓 電流參考方向非關(guān)聯(lián) B電壓 電流參考方向關(guān)聯(lián) 電功率 三 電功率 power 第一章電路的基本概念及電路元件 它表示單位時間內(nèi)電路元件消耗的電場能量 電路中用P或p表示電功率 按照定義有 1 W 1焦耳 J 秒 s 分析電路時功率的計算 采用關(guān)聯(lián)參考方向時 采用非關(guān)聯(lián)參考方向 必須加上負(fù)號 功率的單位 W 瓦 Watt 瓦特 能量的單位 J 焦 Joule 焦耳 P 0元件吸收正功率 實際吸收 P 0元件吸收負(fù)功率 實際發(fā)出 負(fù)載與電源 電源與負(fù)載 第一章電路的基本概念及電路元件 若某元件的P 0 則消耗 吸收 電能 表現(xiàn)為負(fù)載 若某元件的P 0 則向電路提供 釋放 電能 表現(xiàn)為電源 舉例 由5個元件組成的電路如圖 各元件上電壓 電流參考方向采用關(guān)聯(lián)參考方向 標(biāo)在圖上如下 確定各元件的功率 指出哪些是電源 哪些是負(fù)載 解 解 第一章電路的基本概念及電路元件 元件1 是負(fù)載 元件2 是負(fù)載 元件3 是電源 元件4 是負(fù)載 元件5 是電源 注意 電路中所有元件的功率之和為0 這一規(guī)則稱為功率平衡原理 常用作對分析結(jié)果的檢驗準(zhǔn)則 功率平衡實際上是能量守恒的體現(xiàn) 任意時刻 電源發(fā)出的電能恰為負(fù)載所消耗 電氣設(shè)備的額定值 1 4電氣設(shè)備的額定值 電氣設(shè)備的額定值 電氣設(shè)備的安全使用值額定電流IN 電氣設(shè)備在長期連續(xù)運行或規(guī)定工作制下允許通過的最大電流 額定電壓UN 根據(jù)電氣設(shè)備所用絕緣材料的耐壓程度和容許溫升等情況規(guī)定的正常工作電壓 額定功率PN 電氣設(shè)備在額定電壓 額定電流下工作時的功率 額定值表明了電氣設(shè)備的正常工作條件 狀態(tài)和容量 使用電氣設(shè)備時 要注意不要超出其額定值 避免出現(xiàn)不正常的情況和發(fā)生事故 注意 使用中 電氣設(shè)備的實際電壓 電流 功率不一定等于其額定值 第一章電路的基本概念及電路元件 電路的工作狀態(tài) 思考 有一盞白熾燈 標(biāo)有220V 40W的字樣 問 能否接到380V和127V的電源上使用 若將它接到127V的電源上使用 其實際功率是多少 思考解析 第一章電路的基本概念及電路元件 解 白熾燈上標(biāo)有220V 40W的字樣 表示其額定電壓為220 額定功率為40W 所以不能將其接到380V的電源上使用 否則會因為電壓過高而燒毀 白熾燈的電阻為 將它接到127V的電源上時 白熾燈的電阻不變 所以此時的功率為 由此可見將它接到127V的電源上雖能安全工作 但白熾燈的亮度不夠 例 一只220V 60W的白熾燈 接在220V的電源上 試求通過電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時的電阻 如果每晚工作3h 小時 問一個月消耗多少電能 解 通過電燈的電流為 在220V電壓下工作時的電阻 一個月用電 W Pt 60W 3 30 h 0 06kW 90h 5 4kW H 5 4度 電路的工作狀態(tài) 返回 1 5電路的工作狀態(tài) 第一章電路的基本概念及電路元件 工作時 根據(jù)所接負(fù)載不同 電路的工作狀態(tài)分為三種 開路 短路 負(fù)載狀態(tài) 開路工作狀態(tài) 電路外接端未接任何負(fù)載 端電流i 0 開路 UOC 短路狀態(tài) 此時 端口電壓由電路內(nèi)部電源與結(jié)構(gòu)決定 稱為開路電壓 記作uOC或UOC 短路工作狀態(tài) 第一章電路的基本概念及電路元件 電路外接端直接用導(dǎo)線連接 端口電壓 u 0 短路 此時 端電流由電路內(nèi)部電源與結(jié)構(gòu)決定 稱為短路電流 記作 iSC或ISC ISC 負(fù)載狀態(tài) 使用時要注意短路電流過大而損壞電路 負(fù)載工作狀態(tài) 第一章電路的基本概念及電路元件 電路外接一定負(fù)載 電路中有電流流過 此時的狀態(tài)稱為負(fù)載狀態(tài) 負(fù)載 對于確定的電路 電流的大小取決于負(fù)載的大小 當(dāng)電路中的i IN P PN時 叫做 滿載 經(jīng)濟(jì)合理安全可靠 當(dāng)電路中的i IN P PN時 叫做 過載 設(shè)備易損壞 當(dāng)電路中的i IN P PN時 叫做 欠載 不經(jīng)濟(jì) 一般來說電路不能工作在過載狀態(tài) 但短時少量的過載還是可以的 長時過載可能會引起事故的發(fā)生 是絕不允許的 為保證電路安全工作 一般需在電路中接入必要的過載保護(hù)裝置 負(fù)載狀態(tài)續(xù) 負(fù)載工作狀態(tài)續(xù) 第一章電路的基本概念及電路元件 電流的大小由負(fù)載決定 在電源有內(nèi)阻時 I U 負(fù)載端電壓 U RI或U E IRo UI EI I Ro即 P PE P 負(fù)載取用功率 電源產(chǎn)生功率 內(nèi)阻消耗功率 電源輸出的功率由負(fù)載決定 負(fù)載大小的概念 負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加 電壓一定 當(dāng)R0 R時 則U E 表明當(dāng)負(fù)載變化時 電源的端電壓變化不大 即帶負(fù)載能力強 無源電路元件1 電阻 1 6無源電路元件 第一章電路的基本概念及電路元件 一 電阻元件R 對電流呈現(xiàn)阻力的元件 電阻元件的特性由u i平面上的一條曲線表示 當(dāng)這條曲線是一條過原點的直線時 稱為線性電阻 本課程中如無特別聲明電阻元件均指線性電阻 線性電阻元件 非線性電阻 電路符號 線性電阻的特性u i關(guān)系 滿足歐姆定律 Ohm sLaw R稱為電阻 單位 歐 Ohm 歐姆 單位 G稱為電導(dǎo) 單位 S 西門子 Siemens 西門子 注 如果電阻R不隨時間變化 電阻元件稱為時不變電阻 本課只討論時不變元件 注 第一章電路的基本概念及電路元件 2 如電阻上的電壓與電流參考方向非關(guān)聯(lián)公式中應(yīng)冠以負(fù)號即 u Rii Gu 3 說明線性電阻是無記憶 雙向性的元件 歐姆定律 1 只適用于線性電阻 R為常數(shù) 功率 非關(guān)聯(lián)參考方向 p ui Ri i i2R u u R u2 R 關(guān)聯(lián)參考方向 p ui i2R u2 R 上述結(jié)果說明電阻元件在任何時刻總是消耗功率的 能量 可用功表示 從t到t0電阻消耗的能量 例子 電容元件 例 應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子 并求電阻R 解 對圖 a 有 U IR 對圖 b 有 U IR 返回 電流的參考方向與實際方向相反 電壓與電流參考方向相反 第一章電路的基本概念及電路元件 二 電容元件C capacitor 第一章電路的基本概念及電路元件 電容元件的原型是平板電容器 基本特性是存儲在極板上的電荷量q與兩極板之間的電壓u滿足代數(shù)關(guān)系 用q u平面上的一條曲線fC q u 0描述 非線性電容 線性電容元件 當(dāng)這條曲線是一條過原點的直線時 稱為線性電容 本課程中如無特別聲明電容元件均指線性電容 電路符號 C稱為電容器的電容 單位 F 法 Farad 法拉 常用 F pF等表示 單位 電容的伏安關(guān)系 線性電容的電壓 電流關(guān)系 動態(tài)元件 記憶元件 第一章電路的基本概念及電路元件 1 i的大小取決于u的變化率 與u的大小無關(guān) 電容是動態(tài)元件 2 當(dāng)u為常數(shù) 直流 時i 0 電容相當(dāng)于開路 電容有隔斷直流作用 實際電路中通過電容的電流i為有限值 則電容電壓u必定是時間的連續(xù)函數(shù) 1 當(dāng)u i為非關(guān)聯(lián)方向時 上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號 2 上式中u t0 稱為電容電壓的初始值 它反映電容初始時刻的儲能狀況 也稱為初始狀態(tài) 電容的功率和儲能 電容的功率和儲能 第一章電路的基本概念及電路元件 當(dāng)電容充電 u 0 du dt 0 則i 0 q p 0 電容吸收功率 當(dāng)電容放電 u 0 du dt 0 則i 0 q p 0 電容發(fā)出功率 電容的儲能 電容能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為電場能量儲存起來 在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路 因此電容元件是無源元件 是儲能元件 它本身不消耗能量 功率 從t0到t電容儲能的變化量 與電流無關(guān) 1 電容的儲能只與當(dāng)時的電壓值有關(guān) 電容電壓不能躍變 反映了儲能不能躍變 2 電容儲存的能量一定大于或等于零 電感元件 例子 例求電流i 功率P t 和儲能W t 第一章電路的基本概念及電路元件 電源波形 解 uS t 的函數(shù)表示式為 解得電流 續(xù) 解析 第一章電路的基本概念及電路元件 吸收功率 釋放功率 已知電流求電壓 若已知電流求電容電壓 有 第一章電路的基本概念及電路元件 電感元件 返回 三 電感元件 第一章電路的基本概念及電路元件 描述線圈通有電流時產(chǎn)生磁場 儲存磁場能量的性質(zhì) 電感元件 儲存磁能的元件 其特性可用 i平面上的一條曲線來描述 非線性電感 線性電感元件 當(dāng)這條曲線是一條過原點的直線時 稱為線性電感 本課程中如無特別聲明電感元件均指線性電感 對線性電感 通過電感元件的電流i與其磁鏈 成正比 即 電路符號 H 亨 Henry 亨利 常用 H mH表示 單位 伏安關(guān)系 線性電感的電壓 電流關(guān)系即伏安關(guān)系 VAR 第一章電路的基本概念及電路元件 根據(jù)電磁感應(yīng)定律與楞次定律有 1 電感電壓u的大小取決于i的變化率 與i的大小無關(guān) 電感是動態(tài)元件 2 當(dāng)i為常數(shù) 直流 時 u 0 電感相當(dāng)于短路 實際電路中電感的電壓u為有限值 則電感電流i不能躍變 必定是時間的連續(xù)函數(shù) 記憶元件 4 當(dāng)u i為非關(guān)聯(lián)方向時 上述微分和積分表達(dá)式前要冠以負(fù)號 2 上式中i t0 稱為電感電流的初始值 它反映電感初始時刻的儲能狀況 也稱為初始狀態(tài) 功率和儲能 電感的功率和儲能 第一章電路的基本概念及電路元件 當(dāng)電流增大 i 0 di dt 0 則u 0 p 0 電感吸收功率 當(dāng)電流減小 i 0 di dt 0 則u 0 p 0 電感發(fā)出功率 功率 電感能在一段時間內(nèi)吸收外部供給的能量轉(zhuǎn)化為磁場能量儲存起來 在另一段時間內(nèi)又把能量釋放回電路 因此電感元件是無源元件 是儲能元件 它本身不消耗能量 從t0到t電感儲能的變化量 電感的儲能 與電壓無關(guān) 1 電感的儲能只與當(dāng)時的電流值有關(guān) 電感電流不能躍變 反映了儲能不能躍變 2 電感儲存的能量一定大于或等于零 電容電感比較 電容元件與電感元件的比較 第一章電路的基本概念及電路元件 電容C 電感L 變量 電流i磁鏈 關(guān)系式 電壓u電荷q 1 元件方程的形式是相似的 2 若把u i q C L i u互換 可由電容元件的方程得到電感元件的方程 3 C和L稱為對偶元件 q等稱為對偶元素 顯然 R G也是一對對偶元素 I U R U I G U RI I GU 結(jié)論 有源元件之電壓源 1 7有源電路元件 第一章電路的基本概念及電路元件 電路符號 一 理想電壓源 定義 其兩端電壓總能保持定值或一定的時間函數(shù)值與流過它的電流i無關(guān)的元件叫理想電壓源 理想電壓源的電壓 電流關(guān)系 電源兩端電壓由電源本身決定 與外電路無關(guān) 與流經(jīng)它的電流方向 大小無關(guān) 通過電壓源的電流由電源及外電路共同決定 一般電壓源 直流電壓源或恒壓源 理想電壓源兩端的電壓值不隨電流變化 因此 理想電壓源的兩端不能被短路 否則 將流過無窮大電流 常用的電池在正常工作范圍內(nèi)近似為理想電壓源 恒壓源 使用中不能將其兩個電極短路 否則將損壞 例子 實際電壓源 例1 第一章電路的基本概念及電路元件 外電路 電壓源不能短路 例2 計算圖示電路各元件的功率 解 發(fā)出 吸收 吸收 滿足 P 發(fā) P 吸 返回 實際電壓源 第一章電路的基本概念及電路元件 實際電壓源也不允許短路 因其內(nèi)阻小 若短路 電流很大 可能燒毀電源 考慮內(nèi)阻 伏安特性 一個好的電壓源要求 理想的電壓源和電流源是不存在的 實際電源不能輸出無窮大的功率 實際電壓源 簡稱電壓源 隨著輸出電流的增大 端電壓將下降 可以用理想電壓源和一個內(nèi)阻RS串聯(lián)來等效 理想電流源 二 理想電流源 第一章電路的基本概念及電路元件 若流過二端元件的電流不隨它兩端電壓變化 保持固定的數(shù)值 或變化規(guī)律 稱此元件為理想 獨立 電流源 理想電流源的伏安特性為一條平行于電壓軸的直線 不隨電壓變化 電流源電路符號 流過理想電流源的電流值不隨電壓變化 因此 理想電流源的兩端不能被開路 否則 將產(chǎn)生無窮大電壓 1 電流源的輸出電流由電源本身決定 與外電路無關(guān) 與它兩端電壓方向 大小無關(guān) 電流源兩端的電壓由電源及外電路共同決定 例子 實際電流源 例子1 第一章電路的基本概念及電路元件 外電路 電流源不能開路 實際電流源的產(chǎn)生可由穩(wěn)流電子設(shè)備產(chǎn)生 如晶體管的集電極電流與負(fù)載無關(guān) 光電池在一定光線照射下光電池被激發(fā)產(chǎn)生一定值的電流等 例2 計算圖示電路各元件的功率 解 釋放 吸收 滿足 P 發(fā) P 吸 返回 實際電流源 第一章電路的基本概念及電路元件 實際電流源也不允許開路 因其內(nèi)阻大 若開路 電壓很高 可能燒毀電源 考慮內(nèi)阻 伏安特性 一個好的電流源要求 理想的電流源同樣是不存在的 實際電流源 簡稱電流源 可以用理想電流源與內(nèi)阻并聯(lián)來表示 當(dāng)電流源兩端電壓愈大 其輸出的電流就愈小 當(dāng)實際電流源的內(nèi)阻比負(fù)載電阻大得多時 往往可以近似地將其看作是理想電流源 兩種獨立電源的轉(zhuǎn)換 兩種獨立電源模型的轉(zhuǎn)換 第一章電路的基本概念及電路元件 電壓源模型和電流源模型都是對實際電源的近似 兩種電源模型之間可以互相轉(zhuǎn)換 電流源模型 電壓源模型 電位的概念即計算 1 8電路中電位的概念及計算 第一章電路的基本概念及電路元件 在電路的分析與計算時 常常要用到電位的概念 電壓是兩點電