第一章电路的基本概念及基本定律分析.doc

第一章 电路的基本概念及基本定律第一节 电路的概念、组成和作用一、电路的概念电路是电流的通路，是为了某种需要而由一些电工设备或元件按照一定方式联接而成的闭合回路。二、电路的组成电路由电源、负载和中间环节三个基本部分组成的（一）电源电源是供应电能的设备。它把其他形式的能量转化为电能。（二）负载负载，是对取用电能设备的统称。（三）中间环节中间环节是指联接电源和负载的部分.三、电路的作用（一）电路能够实现电能的传输、分配和转换。（二）电路能够实现信号的传递和处理。四、电路的激励与响应激励(输入):作用在电路上的电源或信号源的电压或电流.响应(输出):由于激励在电路各部分产生的电压和电流。第二节 电路的基本物理量一、电流（一）电流的概念把电荷有规则的定向运动现象，称为“电流”。（二）电路的大小和种类所谓电流强度就是单位时间内通过导体横截面的电量。电流分直流电流和交流电流两种。1直流电流大小和方向都不随时间的变化而变化的电流，称为直流电流.2交流电流大小和方向都随时间的变化而变化的电流，称为“交流电流.对于直流，其电流强度（I）等于单位时间（t）内通过导体横截面的电量（Q）。 I= （1-1）（三）电流的单位在国际单位制中，电流(I)-安（A）；电量（Q）-库仑（C）；时间（t）-秒（s）(四)电流的方向习惯上规定正电荷运动的方向为电流的方向。二、电压（一）电压的概念定义：a、b两点间的电压Uab在数值上等于把单位正电荷从a点移到b点，电场力所作的功。（二）电压的大小和单位用公式表示为Uab=WabQWaWbQ=VaVb= （1-2）上式说明：（1）a、b两点间的电压Uab在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所作的功，也就是单位正电荷从a点到b点所失去的能量。（2）电路中任意两点间的电压等于这两点的电位之差，所以电压又叫做“电位差”。（三）电压的方向电压方向规定为高电位点指向低电位点。四、电动势电源力克服电场力把电荷从负极（b点）搬运到正极（a点）所做的功Aba与被搬运的电量Q的比值，称为“电源电动势”，用Eba表示，即Eba=AbaQ（1-3）电动势是衡量外力做功本领的物理量，它在数值上等于单位正电荷受电源力作用从电路的某一点移到另一点所做的功。 第三节 电能和电功率一、电能从非电能转换来的电能WE就等于电源力作的功，也就等于电源的电动势（E）与被移动电量（Q）的乘积.WEQ E=U+U0 （1-4）上式称为“电路的电压平衡方程式”。其意义是：电源电动势等于电源端电压与电源内部电压降之和。二、电功率电能量对时间的变化率，称为电功率. W=Pt （1-5）1度电就是当一段电路功率为1kW时，在1个小时内消耗的电能。即1kW·h小结： 1电路的组成和作用2电路的基本物理量（1）电流是电荷作定向运动的一种物理现象，规定为正电荷运动的方向。（2）电压是电路中任意两点之间的电压是反映电场力对电荷作功能力的物理量。电压的实际方向规定为电场力移动正电荷的方向，是电位降落的方向，由高电位点指向低电位点。单位为伏特（V）。（3）电动势，它是衡量电源内非电场力对电荷作功的物理量。电动势的实际方向规定由电源负极经电源内部指向正极，是电位升高的方向，即由低电位点的指向高电位点，单位为伏特（V）。（4）电功率，单位时间内电场力所作的功称作电功率。单位为瓦特（W）。3电压、电流的参考方向参考方向是假定的一个方向。在电路的分析中，引入参考方向后，电压、电流是个代数量。电压、电流大于零，表示电压、电流的方向与实际方向一致，电压、电流小于零，表示电压、电流的方向与实际方向相反。第四节 电阻元件一、电阻电阻是用来表明电流通过物体时所受到阻碍作用大小的物理量。 R= （1-6）式中，L米(m)，S平方米(m2)，欧·米（·m） （1-7）式中 为电阻的温度系数，1/；R1、R2分别是当温度为t1、t2时的电阻。二、电阻元件电阻是反映电能消耗的电路参数。参数G“电导”电阻的倒数来表示。电阻与电导的关系为 R= （1-8）电导的单位为西门子，简称“西”（S）第五节 欧姆定律一、一段电阻电路欧姆定律部分电路的欧姆定律：通过电路中的电流与加在电路两端的电压成正比，而与电路中的电阻成反比。其数学表达式为 I= 或 U=IR （1-9）应用欧姆定律时必须注意以下两点：1若电压、电流的参考方向设定为非关联参考方向，则欧姆定律表示为 I= 或 U=IR （1-10）2欧姆定律仅适应于线性电阻电路。二、全电路欧姆定 I= （1-11）公式（1-11）就是全电路的欧姆定律：电路中流过的电流大小与电动势成正比，与整个电路（即内电路和外电路）的电阻成反比。第六节 电源元件一、独立电源独立电源是指能够独立向外电路提供能量的电源。（一）理想电源1理想电压源理想电压源能向负载提供一个恒定值的电压。特点：（1）恒压源两端的电压与流过电源的电流无关。（2）恒压源输出电流的大小取决于与恒压源所联接的外电路。2理想电流源理想电流源能向负载提供一个恒定值的电流。（1）恒流源输出电流与流源的端电压无关。（2）恒流源的端电压取决于与恒流源相连接的外电路。（二）实际电源电压源模型是用理想电压源与电阻串联来表示实际电源。 U=US-R0I （1-12）电流源模型是用理想电流源与电阻并联来表示实际电源。 I= （1-13）二、受控电源受控电源：其电压源的电压和电流源的电流，是受电路中其他部分的电压或电流控制的。受控电源有受控电压源和受控电源流之分。受控电源可分为电压控制电压源（VCVS）、电流控制电压源（CCVS）、电压控制电流源（VCCS）、电流控制电流源（CCCS）四种类型。第七节 电路的基本工作状态一、电路的有载状态（通路） I= （1-14）UL=IRL将此代入式（1-14），则得 U=UL=EIRO （1-15）由上式可见，电源端电压小于电动势，两者之差为电流通过电源内阻所产生的电压降IR。电流愈大，则电源端电压下降得愈多。表示电源端电压U与输出电流I之间关系的曲线，称为电源的外特性曲线。 当R0<<R时，则UE功率平衡式UI=EII2RO P=PEP （1-16）式中 PE=EI，是电源产生的功率；（w）P=I2RO，是电源内阻上损耗的功率；（w）P=UI，是电源输出的功率。（w）二、电路的开路状态（断路）开关S断开，电源未与负载接通，称电路处于开路（空载）状态。由于电路未联成闭合电路，电路中电流为零，负载两端的电压也为零，负载不消耗功率。处于开路状态下的电源两端的电压称开路电压。三、电路的短路状态（短路）在正常状态下工作的电路，如果因电路的绝缘损坏或接线不当或操作不慎等原因，而在负载端或电源端造成电源线直接触碰。短路通常是一种严重故障，应该尽力预防。小结1欧姆定律2电路的三种工作状态，其特点是：（1）负载通路 E=UL+IR0（2）空载 I=0 E=U0 UL=0（3）短路IS= U=UL=0第八节 基尔霍夫定律一、名语术语1支路：二端元件或若干二端元件串联组成的不分岔的一段电路。2节点：电路中三条或三条以上支路的连接点称为节点。3回路：电路中任一闭合的路径。4网孔：内部不含有其它支路的回路。二、基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律对电路中的任何一个节点，其任一时刻电流的代数和等于零。换句话说，对任一节点，在任一时间，流出该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。其表达式为 I=0 或I入I出 （1-19）基尔霍夫电流定律不仅适用于节点，也可以把它推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面，这一闭合面可称为“广义节点”。IA+IB+IC=0 或 I=0由此可见，在任一时间通过任一闭合面电流的代数和也恒等于零。三、基尔霍夫电压定律（KVL）基尔霍夫电压定律：对于电路中的任一回路，在任一时间，按一定方向沿着回路循行一周，回路中所有支路电压或元件电压的代数和为零。 其表达式为 U=0 （1-20）或 E =IR (1-21)即：在任一回路内，电阻上电压降的代数和等于电动势的代数和。基尔霍夫电压定律是应用于一个闭合回路的，但也可以推广应用于假想回路或回路的一部分。小结基尔霍夫定律（1）基尔霍夫电流定律（KCL）（2）基尔霍夫电压定律（KVL）第九节 电路中的电位计算及电气设备的额定值一、 电位计算在分析电子电路时，通常要应用电位这个概念。如对二极管，只有当它的阳极电位高于阴极电位时，管子才能导通；否则应截止。在讨论晶体管的工作状态时，也要分析各个极的电位高低。参考点在电路图中标上“接地”符号。从上面的结果可以看出：（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压。（2）参考点选得不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的。二、 电气设备的额定值电气设备的额定值：电气设备都有一定的电压、电流、功率限额。额定电流：电气设备允许通过的电流必须有一个限值。击穿：就是指绝缘材料丧失了绝缘性能而变成了导体。额定功率：负载的额定电流和额定电压的乘积。额定负载或满载：当电路中的实际值等于额定值时，电器设备的工作状态。过载或超载：当实际功率或电流大于额定值时。轻载或欠载：当实际功率或电流小于额定值时。小 结一、电位计算二、 电气设备的额定值