电路的基本元件课件.ppt
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1、第一章第一章 直流电路直流电路 第一节第一节 电路的组成电路的组成 第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量 第三节第三节 电路的基本元件电路的基本元件 第四节第四节 电阻的连接方式电阻的连接方式 第五节第五节 电功与电功率电功与电功率 第六节第六节 电容电容返回第一节第一节 电路的组成电路的组成 电流流过的回路叫做电路。在人们的日常生活和生产实践中,电路电流流过的回路叫做电路。在人们的日常生活和生产实践中,电路无处不在。从电视机、电冰箱、计算机到自动化生产线,都体现了电无处不在。从电视机、电冰箱、计算机到自动化生产线,都体现了电路的存在。最简单的电路由电源负载和导线、开关等元件组成。电
2、路路的存在。最简单的电路由电源负载和导线、开关等元件组成。电路处处连通叫做通路。只有通路,电路中才有电流通过。电路某一处断处处连通叫做通路。只有通路,电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。电路某一部分的两端直接接通,使这部分的电开叫做断路或者开路。电路某一部分的两端直接接通,使这部分的电压变成零,叫做短路。压变成零,叫做短路。电路由电源、负载、连接导线和辅助设备四大部分组成。实际应用电路由电源、负载、连接导线和辅助设备四大部分组成。实际应用的电路都比较复杂,因此,为了便于分析电路的实质,通常用符号表的电路都比较复杂,因此,为了便于分析电路的实质,通常用符号表示组成电路实际原件及其
3、连接线,即画成所谓电路图。其中导线和辅示组成电路实际原件及其连接线,即画成所谓电路图。其中导线和辅助设备合称为中间环节。助设备合称为中间环节。1.电源电源 电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如,电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如,电池是把化学能转变成电能电池是把化学能转变成电能;发电机是把机械能转变成电能。由于非发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多,转变成电能的方式也很多,所以,目前实用的电源电能的种类很多,转变成电能的方式也很多,所以,目前实用的电源类型也很多,最常用的电源是干电池、蓄电池和发电机等。类型也很多,最常用的电源是干电池、
4、蓄电池和发电机等。下一页返回第一节第一节 电路的组成电路的组成2.负载负载在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例,电炉把电能转变为热能为其他形式能。例,电炉把电能转变为热能;电动机把电能转变为机电动机把电能转变为机械能,等等。通常使用的照明器具、家用电、机床等都可称为负载。械能,等等。通常使用的照明器具、家用电、机床等都可称为负载。3.导线导线 连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路,连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路,起着传输电能的作用。起着传输电能的作用
5、。4.辅助设备辅助设备 辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备包括各种开关、熔断器及测量仪表等。辅助设备包括各种开关、熔断器及测量仪表等。最简单的电路实例是最简单的电路实例是图图1一一1所示的手电筒电路。为了便于对电路所示的手电筒电路。为了便于对电路进行分析和计算,常把实际元件加以近似化、理想化,在一定条件下进行分析和计算,常把实际元件加以近似化、理想化,在一定条件下忽略其次要性质,用足以表征其主要特征的忽略其次要性质,用足以表征其主要特征的“模模上一页 下一页返回第一节第一节 电路的组成电路的组成型型”来表
6、示,即用理想元件来表示。例如,来表示,即用理想元件来表示。例如,“电阻元件电阻元件”就是电阻器、就是电阻器、电烙铁、电炉等实际电路元件的理想元件,称为模型。因为在低频电电烙铁、电炉等实际电路元件的理想元件,称为模型。因为在低频电路中,这些实际元件所表现的主要特征是把电能转化为热能。用路中,这些实际元件所表现的主要特征是把电能转化为热能。用“电电阻元件阻元件”这样一个理想元件来反映消耗电能的特征。同样,在一定条这样一个理想元件来反映消耗电能的特征。同样,在一定条件下,件下,“电感元件电感元件”是线圈的理想元件,是线圈的理想元件,“电容元件电容元件”是电容器的理是电容器的理想元件。想元件。图图1一
7、一2是图是图1一一1所示实际电路的电路模型。所示实际电路的电路模型。上一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量研究电路的基本规律,首先应掌握电路中的基本物理量,电流、电压研究电路的基本规律,首先应掌握电路中的基本物理量,电流、电压和电功率。和电功率。一、电流一、电流 电流在实用上有两个含义电流在实用上有两个含义:第一,电流表示一种物理现象,即电荷第一,电流表示一种物理现象,即电荷有规则的运动就形成电流。第二,电流的大小用电流强度来表示,而有规则的运动就形成电流。第二,电流的大小用电流强度来表示,而电流强度是指在单位时间内通过导体截面积的电荷量,其单位是安培电流强度是指在单位时间内
8、通过导体截面积的电荷量,其单位是安培(库库/秒秒),简称安,用大写字母,简称安,用大写字母A表示。但电流强度多简称电流。所以表示。但电流强度多简称电流。所以电流又代表一个物理量,这是电流的第二个含义。电流又代表一个物理量,这是电流的第二个含义。电流的真实方向和正方向是两个不同的概念,不能混淆。习惯上总电流的真实方向和正方向是两个不同的概念,不能混淆。习惯上总是把正电荷运动的方向,作为电流的方向,这就是电流的实际方向或是把正电荷运动的方向,作为电流的方向,这就是电流的实际方向或真实方向,它是客观存在,不能任意选择,在简单电路中,电流的实真实方向,它是客观存在,不能任意选择,在简单电路中,电流的实
9、际方向能通过电源或电压的极性很容易地确定下来。际方向能通过电源或电压的极性很容易地确定下来。下一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量 但是,在复杂直流电路中,某一段电路里的电流真实方向很难预先但是,在复杂直流电路中,某一段电路里的电流真实方向很难预先确定,在交流电路中,电流的大小和方向都是随时间变化的。这时,确定,在交流电路中,电流的大小和方向都是随时间变化的。这时,为了分析和计算电路的需要,引入了电流参考方向的概念,参考方向为了分析和计算电路的需要,引入了电流参考方向的概念,参考方向又叫假定正方向,简称正方向。又叫假定正方向,简称正方向。所谓正方向,就是在一段电路里,在电流两
10、种可能的真实方向中,所谓正方向,就是在一段电路里,在电流两种可能的真实方向中,任意选择一个作为参考方向任意选择一个作为参考方向(即假定正方向即假定正方向)。当实际的电流方向与假。当实际的电流方向与假定的正方向相同时,电流是正值定的正方向相同时,电流是正值;当实际的电流方向与假定正方向相当实际的电流方向与假定正方向相反时,电流就是负值。反时,电流就是负值。电流主要分为两类电流主要分为两类:一类为大小和方向均不随时间变化的电流为恒一类为大小和方向均不随时间变化的电流为恒定电流,简称直流定电流,简称直流(简写简写DC),用大写字母,用大写字母1表示。另一类为大小和方表示。另一类为大小和方向均随时间变
11、化的电流为变化电流,用小写字母向均随时间变化的电流为变化电流,用小写字母i或或i(t)表示。其中一表示。其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交变电流,简称交流个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交变电流,简称交流(简简写写AC),也用,也用i表示。表示。上一页 下一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量 几种常见的电流波形如几种常见的电流波形如图图1一一3所示,图所示,图1一一3(a)为直流,图为直流,图1一一3(b),(c)为交流。为交流。在分析电路时,对复杂电路由于无法确定电流的实际方向,或电流在分析电路时,对复杂电路由于无法确定电流的实际方向,或电流的实际方向在不
12、断地变化,而引入了的实际方向在不断地变化,而引入了“参考方向参考方向”的概念。的概念。参考方向是一个假想的电流方向。在分析电路前,需先任意规定未参考方向是一个假想的电流方向。在分析电路前,需先任意规定未知电流的参考方向,并用实线箭头标于电路图上,如知电流的参考方向,并用实线箭头标于电路图上,如图图1一一4所示,图所示,图中方框表示一般二端元件。特别注意中方框表示一般二端元件。特别注意:图中实线箭头和电流符号图中实线箭头和电流符号i缺一缺一不可。不可。若计算结果若计算结果(或已知或已知)i0,则电流的实际方向与电流的参考方向一致,则电流的实际方向与电流的参考方向一致;若若i0时,该电压的时,该电
13、压的实际极性与所标的参考极性相同实际极性与所标的参考极性相同;当当u 0,所标参考极性与实际极,所标参考极性与实际极性相同。性相同。上一页 下一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量(2)图图1一一6(b),B点为高电位,因点为高电位,因u=一一12V 0,但图中没有标出参考极,但图中没有标出参考极性。性。当元件上的电流参考方向是从电压的参考高电位指向参考低电位时,当元件上的电流参考方向是从电压的参考高电位指向参考低电位时,称为关联参考方向,反之称为非关联参考方向,如称为关联参考方向,反之称为非关联参考方向,如图图1一一7所示。所示。三、电功率三、电功率 在物理学中,用电功率表示
14、消耗电能的快慢,电功率用尸表示,它在物理学中,用电功率表示消耗电能的快慢,电功率用尸表示,它的单位是的单位是Watt,符号是,符号是W。电流在单位时间内做的功叫做电功率。以。电流在单位时间内做的功叫做电功率。以灯泡为例,电功率越大,灯泡越亮。在电路分析中,通常用电流灯泡为例,电功率越大,灯泡越亮。在电路分析中,通常用电流i与与电压电压u的乘积来描述功率。的乘积来描述功率。在在u、i关联参考方向下,元件上吸收的功率定义为关联参考方向下,元件上吸收的功率定义为上一页 下一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量在在u、i非关联参考方向下,元件上吸收的功率为非关联参考方向下,元件上吸收的
15、功率为 不论不论u、i是否是关联参考方向,若是否是关联参考方向,若P0,则该元件吸收,则该元件吸收(或消耗或消耗)功率功率;若若P0,则该元件发出,则该元件发出(或供给或供给)功率。功率。以上有关元件功率的讨论同样适用于一段电路。以上有关元件功率的讨论同样适用于一段电路。例例1一一2试求试求图图1一一8电路中元件吸收的功率。电路中元件吸收的功率。解解(1)图图1一一8(a),所选,所选u、i为关联参考方向,元件吸收的功率为关联参考方向,元件吸收的功率此时元件吸收功率一此时元件吸收功率一12W,即发出的功率为,即发出的功率为12W。上一页 下一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量
16、(2)图图1一一8(b),所选,所选u、i为非关联参考方向,元件吸收的功率为非关联参考方向,元件吸收的功率此时元件吸收的功率为此时元件吸收的功率为15W。(3)图图1一一8(c),所选,所选u、i为非关联参考方向,元件吸收的功率为非关联参考方向,元件吸收的功率此时元件发出的功率为此时元件发出的功率为8W。(4)图图1一一8(d),所选,所选u、i为关联参考方向,元件吸收的功率为关联参考方向,元件吸收的功率此时元件吸收的功率为此时元件吸收的功率为30W。上一页 下一页返回第二节第二节 电路的基本物理量电路的基本物理量 以上所涉及的电压、电流和功率的单位都是国际单位制以上所涉及的电压、电流和功率的
17、单位都是国际单位制(SI)的主单位,的主单位,在实际应用中,还有辅助单位。辅助单位的部分常用词头见在实际应用中,还有辅助单位。辅助单位的部分常用词头见表表1一一1.上一页返回第三节第三节 电路的基本元件电路的基本元件一、电阻一、电阻 1.电阻和电阻元件电阻和电阻元件 导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。在物理学中,用电阻导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。在物理学中,用电阻(resistance)来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大,来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体,电阻一般不同,电阻表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体
18、,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母是导体本身的一种性质。导体的电阻通常用字母R表示,电阻的单位表示,电阻的单位是欧姆是欧姆(ohm),简称欧,符号是,简称欧,符号是。比较大的单位有千欧。比较大的单位有千欧(k)、兆欧、兆欧(M )(兆兆=百万,即百万,即100万万)。电阻器简称电阻电阻器简称电阻(Resistor,通常用,通常用“R”表示表示)是所有电子电路中是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可说它是使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可说它是一个耗能元件,电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分一个耗能元件,
19、电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分流的作用,对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。流的作用,对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件的总称,如电炉、白炽电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件的总称,如电炉、白炽灯、电阻器等。灯、电阻器等。下一页返回第三节第三节 电路的基本元件电路的基本元件2.电导电导 表述导体导电性能的物理量。导体的电阻越小,电导就越大。电导表述导体导电性能的物理量。导体的电阻越小,电导就越大。电导是表征材料的导电能力的一个参数,用符号是表征材料的导电能力的一个参数,用符号G表示。表示。电导的单位是西门子电导的单位是西门
20、子(S),简称西。,简称西。3.电阻元件上电压、电流关系电阻元件上电压、电流关系1827年德国科学家欧姆总结出年德国科学家欧姆总结出:施加于电阻元件上的电压与通过它的施加于电阻元件上的电压与通过它的电流成正比。电流成正比。图图1一一9所示电路,所示电路,u、i为关联参考方向,其伏安关系为为关联参考方向,其伏安关系为上一页 下一页返回第三节第三节 电路的基本元件电路的基本元件若若u、i为非关联参考方向,则伏安关系为为非关联参考方向,则伏安关系为在任何时刻,两端电压与其电流的关系都服从欧姆定律的电阻元件称在任何时刻,两端电压与其电流的关系都服从欧姆定律的电阻元件称为线性电阻元件。线性电阻元件的伏安
21、特性是一条通过坐标原点的直为线性电阻元件。线性电阻元件的伏安特性是一条通过坐标原点的直线线(R是常数是常数),如,如图图1一一10所示。非线性电阻元件的伏安特性是一条曲所示。非线性电阻元件的伏安特性是一条曲线,线,图图1一一11所示的曲线为二极管的伏安特性。所示的曲线为二极管的伏安特性。对于接在电路对于接在电路a,b两点间的电阻两点间的电阻R而言,若而言,若R=0时,称时,称a,b两点短路两点短路;若若R时,称时,称a,b两点开路。两点开路。4.电阻元件上的功率电阻元件上的功率若若u,i为关联参考方向,则电阻为关联参考方向,则电阻R上消耗的功率为上消耗的功率为上一页 下一页返回第三节第三节 电
22、路的基本元件电路的基本元件若若u、i为非关联参考方向,则为非关联参考方向,则可见,可见,P0,说明电阻总是消耗,说明电阻总是消耗(吸收吸收)功率,而与其上的电流、电压功率,而与其上的电流、电压极性无关。极性无关。例例1一一3电路如图电路如图1一一9所示,已知电阻所示,已知电阻R吸收功率为吸收功率为3W,i=一一1A。求。求电压电压u及电阻及电阻R的值。的值。解由于解由于u、i为关联参考方向,由式为关联参考方向,由式(1-8)可得可得所以,所以,u的实际方向与参考方向相反。的实际方向与参考方向相反。上一页 下一页返回第三节第三节 电路的基本元件电路的基本元件二、电压源二、电压源 电压源就是给定的
23、电压,随着负载增大,电流增大,理想状态下电电压源就是给定的电压,随着负载增大,电流增大,理想状态下电压不变,实际会在传送路径上消耗,负载增大,消耗增多。电压源是压不变,实际会在传送路径上消耗,负载增大,消耗增多。电压源是实际电源实际电源(如干电池、蓄电池等如干电池、蓄电池等)的一种抽象。的一种抽象。电压源的内阻相对负载阻抗很小,负载阻抗波动不会改变电压高低。电压源的内阻相对负载阻抗很小,负载阻抗波动不会改变电压高低。在电压源回路中串联电阻才有意义,并联在电压源的电阻因为它不能在电压源回路中串联电阻才有意义,并联在电压源的电阻因为它不能(改变负载的电流,也不能改变负载上的电压,这个电阻在原理图上
24、改变负载的电流,也不能改变负载上的电压,这个电阻在原理图上是多余的,应删去。负载阻抗只有串联在电压源回路中才有意义,与是多余的,应删去。负载阻抗只有串联在电压源回路中才有意义,与内阻是分压关系。内阻是分压关系。电压源是一个理想元件,因为它能为外电路提供一定的能量,所以又电压源是一个理想元件,因为它能为外电路提供一定的能量,所以又叫有源元件。理想电压源的端电压与它的电流无关,其电压总保持为叫有源元件。理想电压源的端电压与它的电流无关,其电压总保持为某一常数或为某一给定的时间函数。某一常数或为某一给定的时间函数。上一页 下一页返回 本节内容仅涉及直流电压源本节内容仅涉及直流电压源(恒压源恒压源),
25、其端电压用符号,其端电压用符号Us表示。电表示。电压源的图形符号及其伏安特性曲线如压源的图形符号及其伏安特性曲线如图图1一一12所示。其中,图所示。其中,图(a)中的中的“+”、“一一”号是号是Us的极性,图的极性,图(b)中的长线表示中的长线表示“+”极性,短线表极性,短线表示示“一一”极性。极性。电压源的连接如图电压源的连接如图1一一13所示。所示。图图1一一13电路进一步说明电路进一步说明:无论电源是无论电源是否有电流输出,否有电流输出,U=US,与,与1无关无关;1的大小由的大小由US及外电路共同决定。及外电路共同决定。三、电流源三、电流源 电流源也是实际电源电流源也是实际电源(如光电
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