50电路的基本概念与基本定律

第1章电路的基本概念与基本定律电路与模拟电子技术上一页下一页目录返回退出本章教学内容1.1电路组成与功能1.2电路模型1.3电路中的基本物理量：电压、电流、电位、功率1.4基本电路元件模型1.5电路的工作状态与元件额定值1.6基尔霍夫定律上一页下一页目录返回退出本章内容概述本章在物理学的基础上，主要介绍电路模型的概念、电路中的基本物理量及其参考方向和电路的工作状态，还将介绍基本电路元件及其特性，最后介绍集中参数电路的拓扑约束关系——基尔霍夫定律。这些内容是分析和计算电路的基础。学习本章要深刻理解电路中电压和电流的参考极性和参考方向的意义，强化电路模型的概念，牢固掌握集中参数电路的基本约束关系——基尔霍夫定律和元件伏安特性约束。上一页下一页目录返回退出1-1电路的组成与功能电路的概念电路是由用电设备或元器件（称为负载）与供电设备（称为电源）通过导线连接而构成的提供给电荷流动的通路。电路是电场的一种特殊形式，当电场被束缚在电荷流动的路径周围很小的范围时，即形成电路，可用“路”的理论来分析处理。电路的组成为电路工作提供能量的电源；在电能作用下完成电路功能的用电设备或元器件；连接电源和用电设备的导线；控制电源接入的开关等。例如我们常用的照明电路。~220V电源开关灯泡（用电设备）导线上一页下一页目录返回退出1-1电路的组成与功能（续）电路的功能客观上电路提供了电荷流动的通路，电荷携带着电能在电路中流动，从电源带走电能，而在用电元器件中又释放电能，因此电路的工作伴随着能量的运动。根据电路的工作场合和工作目的及我们的着眼点，电路主要有下列作用：能量传输将电源的电能传输给用电设备(负载)。能量转换将传输到负载的电能根据需要转换成其它形式的能量，如光、声、热、机械能等信息传输信息处理信息--(载体)--信号--电路--终端--(去载体)---信息(电流或电压)信号(接受)---电路-----信号(已经放大、去噪、合成…)上一页下一页目录返回退出1.2电路模型为什么要引入电路模型？构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给分析和设计带来困难。只有对各种元器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行深入分析。例如，对于最简单的手电筒，这样一个电路，就包含了电池、电珠、开关、导体等部分。如果要把这个电路介绍给他人，一种方法是直接把实物展示给对方，另一种方法是十分逼真地将它画下来给对方看，尽管如此，我们仍然不能十分明了地将这个电路的工作情况表达出来（用语言或文字）。难以想象，如果每个电路都要如此处理，摆在我们面前的将是怎样的情形！上一页下一页目录返回退出1.2电路模型（续1）什么是电路模型？对实际电路的特性进行分析、抽象，将电路的主要性能用数学方法表达出来，再利用一些具有特定、理想化特性的元件（理想元件）重构出来的电路，称为原电路的模型。电路模型反映了原电路工作的主要特性，并且这些特性是已经数学化了的，便于用数学方法进行分析。电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各种实际元器件，而是数量有限的理想元件，具有很好的规范性。有利于设计、交流。构成电路模型的理想元件数量应尽可能少，否则，电路模型将失去其存在的价值。上一页下一页目录返回退出1.2电路模型（续2）怎样建立电路模型？对电路中的每个元器件特性建立数学模型。用理想元件实现每个元器件的特性，构成元器件的电路模型。把所有元器件的电路模型按照原电路结构连接起来，形成电路的模型。注：对元器件数学模型的建立不是本课程的内容范围，有关的知识可参考相应的资料或元器件生产厂提供的资料。上一页下一页目录返回退出1.2电路模型（续3）常用理想元件种类电荷q磁通电压u电流i电阻元件电容元件电感元件忆阻元件ddt上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量电流1.电流及其表示方式•电流的概念电流是电路中电荷流动量的度量，它表示单位时间流过电路中某一截面的净电荷量。•电荷流动不仅有数量，也有方向，因此电流是具有方向的。规定正电荷流动的方向为电流的方向（称为真实方向）。•分析电路时用箭头或双下标来指定电流的方向。正电荷流向负电荷流向电流的真实方向q+q-ababd||()dqqqIittabab()Iiab电路中的一条通路上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续1）电流（续）2.电流的符号和单位•电流的符号：电路中用I表示不随时间变化的电流或i表示随时间变化的电流•电流的单位是安培（A），是国际单位制（SI）中的七个基本单位之一。它表示：每秒钟流过1C的净电荷。1C1A1s上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续2）电流（续）3.电流的参考方向•电流作为电路的基本物理量，是我们分析电路所需要确定的，因此在分析电路之前，电流的真实方向一般是未知的。•在电路中，每条通路的电流方向只有两个可能的选择，因此，我们可以用代数量来表示有方向的电流。符号表示方向，绝对值表示大小。•为了用代数量表示电流，我们必须事先规定一个参考（即符号为正时电流的方向），称为电流的参考方向。电路中用箭头标示。上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续3）电流（续）电流的参考方向电流的参考方向是人为定义的，而电流的真实方向则是受电路约束客观存在并确定的。当参考方向设的与真实方向一致时，电流的代数值符号为正；反之为负。若分析电路后确定的电流符号为正，则表明电流的真实方向就是参考方向；反之亦然。ab电路中的一条通路i电流i的参考方向上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续4）电流（续）4.电流的测量•实验和工程中采用电流表测量电流，电流表必须串接在被测电路中。•电流的参考方向由电流表接线方式决定“+”接线柱指向“-”接线柱i电流表+_被测支路断开通路串接电流表上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续5）电压1.电压的概念•电路是电场的一种特殊形式。•电场是一种位场，类似引力场，电荷在电场中具有电位能。•单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位。它表示外力将单位正电荷从参考点（0电位）移动到该点所作的功。单位为伏特(V)=1焦耳(J)/库仑(C)，用v或V表示aaWvqa点电位bbWvqb点电位上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续6）电压（续）电压的概念•电路（电场）中两点（如a与b）之间的电位差称为电压，用u或U表示，单位也是伏特(V)abababddab两点之间电压电压uab表示单位正电荷从a点移动到b点所失去的电位能，因此常也称为电压降。abWaWb失去电位能Wa-Wb上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续7）电压（续）2.电压的方向（极性）•电路（电场）中，只有定义了参考点，电位才有意义。•电压是一个相对量，与参考点的选取无关。•电压表示的是电位下降，也存在方向（又称为极性），规定电位下降的方向为电压的真实方向。•电位实际上是电路中某点到参考点之间的电压。上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续8）电压（续）3.电压的参考方向•电压具有方向性，不能单用数值来表示，必须同时标定其方向。•在对电路分析之前显然不能确定电压的真实方向。•两点之间电压只可能有两个方向，可先假设电压的方向，数值的正、负表示真实方向与假设方向之间的关系。称此假设的方向为电压的参考方向。电压的参考方向用箭头（或+/号）在电路中标出。•有了参考方向，带方向的电压变量就转变成了代数量。abuab+-u或上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续9）电压（续）4.电压的测量•实验和工程中采用电压表测量电压，电压表必须和被测支路并联。•电压的参考方向由电压表接线方式决定“+”接线柱指向“”接线柱电压表+_被测支路+_u上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续10）在电路的分析与计算时，常常要用到电位的概念。电压是两点电位之差，它只能说明一点的电位高，另一点的电位低，并不能知道某一点的电位究竟为多少。在很多情况下，我们需要知道某点的电位。利用电位的概念，还可以简化电路图，也可使计算更为简单。在电子电路中，为简化电路，一般不画出直流电源，而只标出各点的电位值。例：求图示电路中A点的电位+5V5VA20k30kI5V(5V)0.2A20k30kIA3051VVI上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续11）关联参考方向•同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考方向。作为参考方向，都是人为假设出来的，两者之间没有实际联系。•电路分析中，在一个元件上定义两个独立的参考方向是不合适的。为了分析方便，同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向采用一致的方向，称为关联参考方向。•如无特别需要，一般采用关联的参考方向。这样在电路中只需要标出一个参考方向。上一页下一页目录返回退出第22页1.3电路中的基本物理量（续12）电功率电功率的概念、符号与单位•电功率是电路元件消耗电能快慢的度量，它表示单位时间内电路元件消耗的电场能量。•电路中用P或p表示电功率，按照定义p(或P)=dW/dt•功率的单位为瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)。功率的计算•采用关联参考方向时ddd()dddWWqpPuitqt或•采用非关联参考方向ddd()dddWWqpPuitqt或必须加上负号！上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续13）电源和负载的概念•若某元件电功率大于零，在电路中消耗电能，表现为负载。•若某元件电功率小于零，向电路提供电能，表现为电源。举例：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。123451234530V,20V,60V,30V,80V3A,1A,2A,3A,1AUUUUUIIIII确定各元件的功率，指出哪些是电源、哪些是负载？12345上一页下一页目录返回退出1.3电路中的基本物理量（续14）元件111130V3A90W0PUI是负载元件222220V1A20W0PUI是负载元件333360V(2)A120W0PUI是电源元件444430V3A90W0PUI是负载元件555580V(1)A80W0PUI是电源12345902012090800PPPPP注意：电路中所有元件的功率之和为0！这一规则称为功率平衡原理。常用作对分析结果的检验准则。功率平衡实际上是能量守恒的体现，任意时刻，电源发出的电能恰为负载所消耗。上一页下一页目录返回退出1.4基本电路元件模型电阻元件电阻元件的概念由代数关系联系端电压u和电流i的二端元件称为电阻元件，简称电阻。电阻元件的特性由u-i平面上的一条曲线表示，0iu当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电阻。本课程中如无特别声明电阻元件均指线性电阻。线性电阻元件非线性电阻上一页下一页目录返回退出1.4基本电路元件模型（续1）电阻元件（续）电阻元件的符号、参数电阻元件的参数为特性曲线的斜率，记作R，称为电阻元件的电阻（值），单位欧姆（）＋u—iR电阻元件的符号11V1A电阻元件的特性——欧姆定律在关联参考方向下，电阻两端电压与流过电阻的电流成正比，比例系数为电阻元件的参数——电阻值uURiI或如果电阻R不随时间变化，电阻元件称为时不变电阻。本课只讨论时不变元件。上一页下一页目录返回退出1.4基本电路元件模型（续2）电容元件电容元件的概念电容元件的原型是平板电容器，基本特性是存储在极板上的电荷量q与两极板之间的电压u满足代数关系。用q-u平面上的一条曲线fC(q,u)=0描述。++++++++--------+q-q＋u－E0uq非线性电容线性电容元件当这条曲线是一条过原点的直线时，称为线性电容。本课程中如无特别声明电容元件均指线性