电路的基本概念和定律课件.ppt

关于电路的基本概念关于电路的基本概念和定律和定律07.10.2022第第1章章 电路的基本概念和定律电路的基本概念和定律1现在学习的是第1页，共46页 第一章第一章 电路的基本概念和定律电路的基本概念和定律现在学习的是第2页，共46页第第1 章章 电路的基本概念和定律电路的基本概念和定律 1.1 1.1 电路与电路模型电路与电路模型电路与电路模型电路与电路模型 1.2 1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量电路的基本物理量电路的基本物理量 1.3 1.3 欧姆定律与电阻元件欧姆定律与电阻元件欧姆定律与电阻元件欧姆定律与电阻元件 1.4 1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律 本章小结本章小结本章小结本章小结现在学习的是第3页，共46页【教学导航教学导航】教学目的教学目的u 掌握电路的组成；u 掌握电路的基本物理量；u 理解欧姆定律；u 理解电流和电压的参考方向；u 理解电源有载工作、开路与短路；u 掌握负载获得最大功率的条件u 掌握基尔霍夫定律及应用。现在学习的是第4页，共46页【教学重点教学重点】u电路的基本概念u电路模型u电路中的基本物理量u欧姆定律u基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律【教学难点教学难点】u电压和电流的参考方向；u电源和负载的判断；u基尔霍夫定律的应用【参考学时参考学时】6学时现在学习的是第5页，共46页1.1 电路与电路模型电路与电路模型 电路：电路：电路：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：电路的作用：电路的作用：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；一是实现能量的转换、传输和分配。如供电电路等；一是实现能量的转换、传输和分配。如供电电路等；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；二是实现信号的产生、传送和处理。如电子电路等；二是实现信号的产生、传送和处理。如电子电路等；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；三是测量电压、电流等电量。如万用表电路等；三是测量电压、电流等电量。如万用表电路等；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和存储信息，如计算机电路等。四是进行各种各样数学运算和存储信息，如计算机电路等。四是进行各种各样数学运算和存储信息，如计算机电路等。四是进行各种各样数学运算和存储信息，如计算机电路等。1.1.1 电路电路现在学习的是第6页，共46页电路的组成：电路的组成：电路的组成：电路的组成：由电源、负载和中间环节所组成。电源电源电源电源：是向电路提供能量和信号的元件。如电池、发电机等；负载：负载：负载：负载：是使用电能和输出信号的器件。如电灯、电炉、显像管等；中间环节中间环节中间环节中间环节：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。电路举例电路举例电路举例电路举例：手电筒实际电路现在学习的是第7页，共46页1.1.2 电路图电路图 电路原理图：电路原理图：电路原理图：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。现在学习的是第8页，共46页理想电路元件：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。电阻电阻电阻电阻R 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；电感电感电感电感L 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；电容电容电容电容C 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；理想电压源理想电压源理想电压源理想电压源U US S：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；理想电流源理想电流源理想电流源理想电流源I IS S：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。现在学习的是第9页，共46页理想电路元件符号：理想电路元件符号：理想电路元件符号：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、理想电流源等。现在学习的是第10页，共46页现在学习的是第11页，共46页现在学习的是第12页，共46页1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量1.1.电流的形成：电流的形成：电流的形成：电流的形成：在金属导体中存在着大量的带负电荷在金属导体中存在着大量的带负电荷在金属导体中存在着大量的带负电荷在金属导体中存在着大量的带负电荷的自由电子。常态下，这些自由电子在金的自由电子。常态下，这些自由电子在金的自由电子。常态下，这些自由电子在金的自由电子。常态下，这些自由电子在金属内部作无规则的热运动。若在导体两端属内部作无规则的热运动。若在导体两端属内部作无规则的热运动。若在导体两端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，其内部施加电场，则在电场力的作用下，其内部施加电场，则在电场力的作用下，其内部施加电场，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的自由电子将逆电场力方向运动而形成电的自由电子将逆电场力方向运动而形成电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，这种电流称流（电子流），如右图所示，这种电流称流（电子流），如右图所示，这种电流称流（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为传导电流。因此，电流是电荷或带电质为传导电流。因此，电流是电荷或带电质为传导电流。因此，电流是电荷或带电质点作有规则的定向运动形成的点作有规则的定向运动形成的点作有规则的定向运动形成的点作有规则的定向运动形成的 。1.2.1 电流电流 传导电流的形成 现在学习的是第13页，共46页 电流的大小用电流强度来表征，简称为电流，电流用字母电流的大小用电流强度来表征，简称为电流，电流用字母电流的大小用电流强度来表征，简称为电流，电流用字母电流的大小用电流强度来表征，简称为电流，电流用字母I I或或或或i i表示。表示。表示。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，则变化的电流的大小和方向随时间变化，则变化的电流的大小和方向随时间变化，则变化的电流的大小和方向随时间变化，则变化的电流i i定义为：定义为：定义为：定义为：直流：交流：2.2.电流的大小电流的大小电流的大小电流的大小现在学习的是第14页，共46页 在国际单位制中，电流的单位用安培表示，简称安（在国际单位制中，电流的单位用安培表示，简称安（在国际单位制中，电流的单位用安培表示，简称安（在国际单位制中，电流的单位用安培表示，简称安（A A）。也可以用）。也可以用）。也可以用）。也可以用毫安（毫安（毫安（毫安（mAmA）或微安（）或微安（）或微安（）或微安（AA）作单位。）作单位。）作单位。）作单位。1 1安（安（安（安（A A）10103 3 毫安（毫安（毫安（毫安（mAmA）10106 6 微安（微安（微安（微安（AA）安培（安培（安培（安培（A A）与电荷量库仑（）与电荷量库仑（）与电荷量库仑（）与电荷量库仑（C C）和时间秒（）和时间秒（）和时间秒（）和时间秒（s s）的关系为：）的关系为：）的关系为：）的关系为：3.3.电流的单位电流的单位电流的单位电流的单位 即在即在即在即在1 1秒钟内通过导体横截面的电荷量为秒钟内通过导体横截面的电荷量为秒钟内通过导体横截面的电荷量为秒钟内通过导体横截面的电荷量为1 1库仑，则电流强度即为库仑，则电流强度即为库仑，则电流强度即为库仑，则电流强度即为1 1安培。安培。安培。安培。现在学习的是第15页，共46页 电流的参考方向：人为任意假设，以便进行电路分析。电流的参考方向：人为任意假设，以便进行电路分析。电流的参考方向：人为任意假设，以便进行电路分析。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：二者关系：二者关系：二者关系：i i0,0,相同，相同，相同，相同，i i0,0为发出功率，p0为吸收功率；现在学习的是第26页，共46页 1.1.电阻元件的伏安关系电阻元件的伏安关系电阻元件的伏安关系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电阻元件电阻元件 2.2.金属导体的电阻金属导体的电阻金属导体的电阻金属导体的电阻 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：现在学习的是第27页，共46页 在实际中分析与应用的电路是含有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。其中电源电压为电路的常规分析方法。其中电源电压为U US S，电源内阻为，电源内阻为R R0 0，负载电阻为，负载电阻为R RL L。(1)(1)电流的大小由负载决定。电流的大小由负载决定。负载端电压负载端电压 U=IR U=IR 或或 U=UU=US S-IR-IR0 0 (2)(2)电源外特性电源外特性 电源端电压电源端电压U U和输出电流和输出电流I I之间的关系曲之间的关系曲线，称为电源的外特性曲线。线，称为电源的外特性曲线。1.4.1电源有载工作电源有载工作现在学习的是第28页，共46页 1 1电源开路电源开路电源开路电源开路 当开关当开关S S断开时，就称为电断开时，就称为电路处于开路状态。开路时，电路处于开路状态。开路时，电源没有带负载，所以又称电源源没有带负载，所以又称电源空载状态。电源开路，相当于空载状态。电源开路，相当于电源的负载为无穷大，因此电电源的负载为无穷大，因此电路中电流为零。无电流，则电路中电流为零。无电流，则电源内阻没有压降损耗，电源的源内阻没有压降损耗，电源的端电压等于电源电动势，电源端电压等于电源电动势，电源也不输出电能。也不输出电能。电源开路时的电路特征为：电源开路时的电路特征为：I I 0 0；U UU UOCOCU US S。1.4.2电源开路与短路电源开路与短路现在学习的是第29页，共46页 2 2电源短路电源短路电源短路电源短路 当电源的两端由于某种原因被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电阻值接近为零的导体连接在一起，则电源处于短路状态。起，则电源处于短路状态。电源短路状态，电流回路中电源短路状态，电流回路中仅有很小的电源内阻仅有很小的电源内阻R R0 0，因此回，因此回路中的电流很大，这个电流称路中的电流很大，这个电流称为短路电流，用为短路电流，用I ISCSC表示。表示。电源短路时的电路特征为：电源短路时的电路特征为：U U 0 0；I II ISCSCU US S/R R0 0。现在学习的是第30页，共46页1.4.3 负载获得最大功率的条件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在电路中，有时要求在负载上获得最大在电路中，有时要求在负载上获得最大在电路中，有时要求在负载上获得最大功率，电路模型如图所示。功率，电路模型如图所示。功率，电路模型如图所示。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：现在学习的是第31页，共46页1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 有关电路的几个名词有关电路的几个名词有关电路的几个名词有关电路的几个名词:（1 1）支路：是指流过同一电流没有分支的一段电路。一条支）支路：是指流过同一电流没有分支的一段电路。一条支）支路：是指流过同一电流没有分支的一段电路。一条支）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，电路的支路数用路由一个或若干二端元件串联而构成，电路的支路数用路由一个或若干二端元件串联而构成，电路的支路数用路由一个或若干二端元件串联而构成，电路的支路数用b b表示。表示。表示。表示。（2 2）节点：是指电路中）节点：是指电路中）节点：是指电路中）节点：是指电路中3 3条或条或条或条或3 3条以上支路的连接点。条以上支路的连接点。条以上支路的连接点。条以上支路的连接点。2 2条支路条支路条支路条支路的连接点不是节点，因为的连接点不是节点，因为的连接点不是节点，因为的连接点不是节点，因为2 2条支路连接后仍为同一支路。电路条支路连接后仍为同一支路。电路条支路连接后仍为同一支路。电路条支路连接后仍为同一支路。电路的节点数用的节点数用的节点数用的节点数用n n表示，在电路中，如果是用理想导线连接的点可看作表示，在电路中，如果是用理想导线连接的点可看作表示，在电路中，如果是用理想导线连接的点可看作表示，在电路中，如果是用理想导线连接的点可看作是同一节点。是同一节点。是同一节点。是同一节点。（3 3）回路：是指电路中任一闭合的路径。电路的回路数用）回路：是指电路中任一闭合的路径。电路的回路数用）回路：是指电路中任一闭合的路径。电路的回路数用）回路：是指电路中任一闭合的路径。电路的回路数用l l表示。表示。表示。表示。（4 4）网孔：是指在平面电路中，内部不含任何支路的回路。网）网孔：是指在平面电路中，内部不含任何支路的回路。网）网孔：是指在平面电路中，内部不含任何支路的回路。网）网孔：是指在平面电路中，内部不含任何支路的回路。网孔数用孔数用孔数用孔数用mm表示。表示。表示。表示。现在学习的是第32页，共46页在图所示电路中在图所示电路中在图所示电路中在图所示电路中:支路：支路：支路：支路：b b=4=4条条条条节点：节点：节点：节点：n n=2=2个个个个回路：回路：回路：回路：L L=6=6个个个个网孔：网孔：网孔：网孔：mm=3=3个。个。个。个。一个完整的平面电路的支路一个完整的平面电路的支路一个完整的平面电路的支路一个完整的平面电路的支路数、节点数、网孔数满足下数、节点数、网孔数满足下数、节点数、网孔数满足下数、节点数、网孔数满足下列式子：列式子：列式子：列式子：b b-（n n-1-1）=b b-n n+1=+1=mm。现在学习的是第33页，共46页1.5.1 基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律：基尔霍夫电流定律：基尔霍夫电流定律：基尔霍夫电流定律：（Kirchhoffs Current LawKirchhoffs Current Law，简写为，简写为，简写为，简写为KCLKCL）又称基尔霍夫第一定）又称基尔霍夫第一定）又称基尔霍夫第一定）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：也称节点定律，其数学表达式为：也称节点定律，其数学表达式为：也称节点定律，其数学表达式为：i=0 正负号的约定正负号的约定正负号的约定正负号的约定：流出该节点的电流为正，流入该节点的电流为负。KCLKCL应用扩展：应用扩展：应用扩展：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。现在学习的是第34页，共46页1.5.2 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVL）基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage LawKirchhoffs Voltage Law，简写为，简写为，简写为，简写为KVLKVL）又）又）又）又称基尔霍夫第二定律，表述为：对于任意集中参数的电路，称基尔霍夫第二定律，表述为：对于任意集中参数的电路，称基尔霍夫第二定律，表述为：对于任意集中参数的电路，称基尔霍夫第二定律，表述为：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。因为该定律在任一时刻，任一回路所有电压的代数和为零。因为该定律在任一时刻，任一回路所有电压的代数和为零。因为该定律在任一时刻，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，其数学表达是针对电路的回路而言的，所以也称回路定律，其数学表达是针对电路的回路而言的，所以也称回路定律，其数学表达是针对电路的回路而言的，所以也称回路定律，其数学表达式为式为式为式为u=0 回路的绕行方向：回路的绕行方向：回路的绕行方向：回路的绕行方向：通常可取顺时针绕行方向。正负号的规定：正负号的规定：正负号的规定：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。KVLKVL应用扩展应用扩展应用扩展应用扩展：KVL可应用于求电路中任意两点间的电压。现在学习的是第35页，共46页电路举例：电路举例：电路举例：电路举例：各节点的KCL方程：各网孔的KVL方程：现在学习的是第36页，共46页【仿真训练仿真训练】仿真训练仿真训练1：欧姆定律仿真欧姆定律仿真 （a）（b）图1-24 欧姆定律仿真电路电路电路：测试图示电路中的电流大小，验证欧姆定律的正确性。现在学习的是第37页，共46页仿真训练仿真训练2：基尔霍夫定律仿真基尔霍夫定律仿真电路1：KCL仿真电路，验证I 0。现在学习的是第38页，共46页电路2：KVL仿真电路，验证U 0。现在学习的是第39页，共46页仿真训练仿真训练3：电路中的电压与电位仿真：电路中的电压与电位仿真 （a）电路组成（b）仿真结果 电路电路1：直流电路的电位、电压仿真测量 现在学习的是第40页，共46页（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）现在学习的是第41页，共46页仿真训练仿真训练5：电路的功率仿真：电路的功率仿真电路：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 现在学习的是第42页，共46页本本 章章 小小 结结 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替。路元件的组合来代替。路元件的组合来代替。路元件的组合来代替。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，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，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，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。联参考方向，否则，为非关联参考方向。联参考方向，否则，为非关联参考方向。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。能。能。能。现在学习的是第43页，共46页直流电路中，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关系（即VCR），电阻元件的VCR就是欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律；（2）电路约束：电路约束就是基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律，它是描述电路中的连接约束关系。基尔霍夫定律包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）：（1）KCLKCL描述了电路连接节点所有支路电流之间的约束关系，表达式为：i i=0=0；（2）KVLKVL描述的是电路任意回路电压之间的约束关系，表达式为：u u=0=0。现在学习的是第44页，共46页现在学习的是第45页，共46页07.10.2022感谢大家观看现在学习的是第46页，共46页