电路模型以及电路基本物理量课件

第一章第一章 直直 流流 电电 路路 1 1、掌握电路的组成及功能；、掌握电路的组成及功能；2 2、了解实际电路和、了解实际电路和电路模型电路模型特点和联系；特点和联系；3 3、掌握电路的基本物理量：电流、电压、电位、掌握电路的基本物理量：电流、电压、电位、电动势和功率。电动势和功率。教学目标本节难点电路的基本物理量电流电路的基本物理量电流 和电压和电压电路的基本物理量电路的基本物理量本节重点11 11 实际电路和电路模型实际电路和电路模型 在实践中，为了达到在实践中，为了达到某种目的，人们需要设计、某种目的，人们需要设计、安装一些实际电路，并让安装一些实际电路，并让它运行。它运行。一、实际电路一、实际电路 由电器元件按一定方由电器元件按一定方式连接而成的电流通路。式连接而成的电流通路。低频信号发生器的内部结构低频信号发生器的内部结构 任何一个完整的电路，无论其具体用途任何一个完整的电路，无论其具体用途和功能怎样，也不管其复杂程度如何，一般和功能怎样，也不管其复杂程度如何，一般都可以看成是由都可以看成是由电源、负载、中间环节电源、负载、中间环节这三这三大部分组成的。大部分组成的。可以将各部分用电工符号画成电路模型图，简可以将各部分用电工符号画成电路模型图，简称电路图。称电路图。1 1、电路的组成电路的组成 （a）手电筒外观）手电筒外观 （b）手电筒结构）手电筒结构 （c）手电筒电路）手电筒电路 图图 简单的手电筒电路及电路模型简单的手电筒电路及电路模型 举例一举例一电路通常由电路通常由电源电源、负载负载和和中间环节中间环节三部分组成。三部分组成。火线火线火线火线.零线零线零线零线电源电源电源电源连接导线和其余连接导线和其余连接导线和其余连接导线和其余设备为中间环节设备为中间环节设备为中间环节设备为中间环节负载负载负载负载 练习练习 电源分为电源分为交流电源交流电源和和直流电源直流电源。1）电源）电源电源电源是为电路提供电能的装置，它把其他形是为电路提供电能的装置，它把其他形式的能源转化为电能。式的能源转化为电能。你能说出电源有哪些吗？请举例。你能说出电源有哪些吗？请举例。由直流电源组成的电路称为直流电路。由直流电源组成的电路称为直流电路。电源电源蓄电池蓄电池交流稳压电源交流稳压电源 直流电源表示直流电源表示+US电压源电压源输出电压恒输出电压恒定，输出电定，输出电流由它和负流由它和负载共同决定载共同决定电流源电流源输出电流恒定，输出电流恒定，两端电压由它两端电压由它和负载共同决和负载共同决定。定。IS+US电池组电池组2 2）负载）负载 用电设备的总称。用电设备的总称。它是将电能或电信号转换成它是将电能或电信号转换成所需要能量的装置。所需要能量的装置。请举例。请举例。在电源作用下，电路中产生了电压和电流。所在电源作用下，电路中产生了电压和电流。所以电源又称为激励源，而在电路中产生的电压和电以电源又称为激励源，而在电路中产生的电压和电流则称为响应。流则称为响应。o根据这种因果关系，根据这种因果关系，激励激励与与响应响应o有时也称为有时也称为 输入输入与与输出输出。3）中间环节）中间环节=连接导线连接导线+辅助设备辅助设备 连接导线将电源、负载荷辅助设备连接成一连接导线将电源、负载荷辅助设备连接成一个闭合回路，起传输电能的作用。个闭合回路，起传输电能的作用。辅助设备可实现对电路的控制、分配、保护辅助设备可实现对电路的控制、分配、保护及测量，包括各种开关、按钮、电流表、电压及测量，包括各种开关、按钮、电流表、电压表和测量仪等。表和测量仪等。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线 1 1）电力系统中，实现电能的传输、）电力系统中，实现电能的传输、分配分配与转换（与转换（强电强电）2.2.电路的功能电路的功能n2 2）实现信号的转换、传递与处理（）实现信号的转换、传递与处理（弱电弱电）放大器扬声器话筒 收收接收天线把音乐等电磁波转换成相应的电信号，然后通过接收天线把音乐等电磁波转换成相应的电信号，然后通过电路进行传递和处理（调谐、变频、检波和放大），最后送到电路进行传递和处理（调谐、变频、检波和放大），最后送到扬声器等负载，还原成原来的信息。扬声器等负载，还原成原来的信息。电视机电视机呢呢二、关于电路理论研究二、关于电路理论研究o研究的内容研究的内容：本教材主要研究电路的基本定律、：本教材主要研究电路的基本定律、定理和各种计算方法，以便求解电路中的某些物定理和各种计算方法，以便求解电路中的某些物理量。一般不涉及器件内部发生的物理过程。理量。一般不涉及器件内部发生的物理过程。o研究的方法研究的方法：通过建立一种电路模型来分析电路：通过建立一种电路模型来分析电路中发生的电磁现象，并用电流、电压、电荷和磁中发生的电磁现象，并用电流、电压、电荷和磁通等物理量描述其中的过程。通等物理量描述其中的过程。o研究的对象研究的对象：是电路模型是电路模型而不是实际电路。而不是实际电路。三、电路模型三、电路模型实际器件不只表现出一种电路性质实际器件不只表现出一种电路性质 例如：一个线圈例如：一个线圈电阻性质电阻性质电感性质电感性质电容性质电容性质为了分析方便为了分析方便 必须在一定的条件下，对实际器件加以理想化必须在一定的条件下，对实际器件加以理想化处理，即：处理，即：一定条件下突出其主要的电性质而忽一定条件下突出其主要的电性质而忽略其次要因素，这种用略其次要因素，这种用理想电路元器件理想电路元器件来代替实来代替实际电路元器件构成的电路为电路模型，简称为电际电路元器件构成的电路为电路模型，简称为电路。路。l 本书的研究对象是本书的研究对象是电路模型电路模型而不是实际电路而不是实际电路l 理想电路元件理想电路元件在一定条件下对实际元件加以理在一定条件下对实际元件加以理想化，仅仅想化，仅仅表征实际元件的主要电性质，表征实际元件的主要电性质，可以用可以用数学表达式数学表达式来表示其性能。来表示其性能。l如：电灯、电炉、电阻器这些实际元件，消耗如：电灯、电炉、电阻器这些实际元件，消耗电能是它们的主要性质，可以用电阻元件来表征。电能是它们的主要性质，可以用电阻元件来表征。理想电路元件理想电路元件在电路图中，各种电路元件都用在电路图中，各种电路元件都用参数和规定的图参数和规定的图形符号形符号表示。表示。理想电路元件理想电路元件R+US电阻元件电阻元件只具耗能只具耗能的电特性的电特性电容元件电容元件只具有储只具有储存电能的存电能的电特性电特性理想电压源理想电压源输出电压恒输出电压恒定，输出电定，输出电流由它和负流由它和负载共同决定载共同决定理想电流源理想电流源 输出电流输出电流恒定，两端电恒定，两端电压由它和负载压由它和负载共同决定。共同决定。L电感元件电感元件只具有储只具有储存磁能的存磁能的电特性电特性IS 理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似化，其电特性单一、精确，可定量分析和计算。C 5种基本理想电路元件有三个特征：种基本理想电路元件有三个特征：（a a）只有两个端子；）只有两个端子；（b b）可以用电压或电流按数学方式描述；）可以用电压或电流按数学方式描述；（c c）不能被分解为其他元件。）不能被分解为其他元件。注意注意 既无既无电阻性，又无阻性，又无电感性、感性、电容性的容性的导线 在在电路模型中，各理想路模型中，各理想电路元件均由路元件均由“理想理想导线”连接起来。接起来。理想导线理想导线四、实际电路与电路模型的关系四、实际电路与电路模型的关系实际电路电路模型计算分析电气特性 电路分析 电路综合 目的：通过对电路模型的分析计算来目的：通过对电路模型的分析计算来预测实际预测实际电路的特性电路的特性，从而改进实际电路的电气特性，设计从而改进实际电路的电气特性，设计出优化的电路。出优化的电路。任务：任务：掌握电路的基本理论和电路的基本分析掌握电路的基本理论和电路的基本分析方法。方法。图图 手电筒电路手电筒电路(a)实际电路实际电路 (b)电原理图（电气图）电原理图（电气图）(c)电路模型（电路图）电路模型（电路图）(d)拓扑结构图拓扑结构图最简单的实际电路和它的理想化模型最简单的实际电路和它的理想化模型电路模型电路模型是是实际电路实际电路的理想化的模型。的理想化的模型。电路由哪几部分电路由哪几部分组成？各部分的组成？各部分的作用是什么？作用是什么？何谓理想电路元件？何谓理想电路元件？其中其中“理想理想”二字在二字在实际电路的含义？实际电路的含义？试述电路的功试述电路的功能？何谓能？何谓“电电路模型路模型”？学好本课程，应注意抓好四个主要环节：学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、提前预习、提前预习、提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。认真听课、及时复习、独立作业。认真听课、及时复习、独立作业。认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个还要处理好三个基本关系：基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。听课与笔记、作业与复习、自学与互学。听课与笔记、作业与复习、自学与互学。听课与笔记、作业与复习、自学与互学。2.2.大小：大小：大小：大小：单位单位单位单位：安培安培安培安培(A),(A),千安千安千安千安(kA),(kA),毫安毫安毫安毫安(mA),(mA),微安微安微安微安(A)(A)1.1.定义：定义：定义：定义：电路中电荷的定向电路中电荷的定向电路中电荷的定向电路中电荷的定向有规则运动形成电流有规则运动形成电流有规则运动形成电流有规则运动形成电流+-E0RRabI3.3.实际方向：实际方向：实际方向：实际方向：习惯上规定为正电荷运动的方向。习惯上规定为正电荷运动的方向。112 2 电路的基本物理量电路的基本物理量一、电流和电流的参考方向一、电流和电流的参考方向4.4.参考方向：参考方向：参考方向：参考方向：在电路分析中，在电路分析中，任意任意选定一个方向作为选定一个方向作为电流的方向，这个方向叫做电流的电流的方向，这个方向叫做电流的参考方向参考方向。+-E0RRabIIab 双下标双下标箭箭 标标abRI 参考方向的参考方向的参考方向的参考方向的2 2种表示方法种表示方法种表示方法种表示方法参考方向与实际方向参考方向与实际方向一致一致，电流值为，电流值为正值正值；参考方向与实际方向参考方向与实际方向相反相反，电流值为，电流值为负值负值。5.参考方向参考方向与实际方向与实际方向的关系的关系注意：注意：电流的正负是对参考方向而言的，离开了参电流的正负是对参考方向而言的，离开了参电流的正负是对参考方向而言的，离开了参电流的正负是对参考方向而言的，离开了参考方向，则电流的正、负是毫无意义的。考方向，则电流的正、负是毫无意义的。考方向，则电流的正、负是毫无意义的。考方向，则电流的正、负是毫无意义的。若若 I=2A，则电流的实际方向从则电流的实际方向从 a 流向流向 b；例：例：若若 I=2A，则电流的实际方向从则电流的实际方向从 b 流向流向 a。bRaII例例1：已知电流的实际方向由：已知电流的实际方向由a到到b，大小为，大小为2A。问如何表示这一电流？问如何表示这一电流？ba解：有两种表示法：解：有两种表示法：1 1、参考方向与实际方向一致、参考方向与实际方向一致 baI=2A2 2、参考方向与实际方向相反、参考方向与实际方向相反baI=-2AIba解：解：1、I=1A电流的实际方向与参考方电流的实际方向与参考方向一致向一致,即：由即：由b到到a。2、I=-1A电流的实际方向与参考方电流的实际方向与参考方向不一致，即：由向不一致，即：由a到到b。例例2：选电流：选电流I的参考方向如图。的参考方向如图。若算出若算出I=1A或或I=-1A，求电流，求电流i的实际方向。的实际方向。I单位单位单位单位：伏伏伏伏(V)(V)，千伏，千伏，千伏，千伏 (kV)(kV)，毫伏，毫伏，毫伏，毫伏 (mV)(mV)，微伏，微伏，微伏，微伏(V)(V)1.1.定义：定义：定义：定义：描述电场力移动描述电场力移动描述电场力移动描述电场力移动电荷作功本领的物理量电荷作功本领的物理量电荷作功本领的物理量电荷作功本领的物理量2.2.大小：大小：大小：大小：3.3.实际方向：实际方向：实际方向：实际方向：习惯上认为电压的实际方向是从高电位指向低电位。习惯上认为电压的实际方向是从高电位指向低电位。高电位称为正极，低电位称为负极。高电位称为正极，低电位称为负极。二、电压和电压的参考方向二、电压和电压的参考方向4.参考方向：参考方向：在分析电路时，任意假定参考方向。在分析电路时，任意假定参考方向。参考方向与实际方向参考方向与实际方向参考方向与实际方向参考方向与实际方向一致一致一致一致，电压值为，电压值为，电压值为，电压值为正值正值正值正值；参考方向与实际方向参考方向与实际方向参考方向与实际方向参考方向与实际方向相反相反相反相反，电压值为，电压值为，电压值为，电压值为负值负值负值负值。5.参考方向参考方向与实际方向与实际方向的关系的关系注意：注意：注意：注意：电压的正负是对参考方向而言的，离开了参考方向，电压的正负是对参考方向而言的，离开了参考方向，电压的正负是对参考方向而言的，离开了参考方向，电压的正负是对参考方向而言的，离开了参考方向，则电压的正、负是毫无意义的则电压的正、负是毫无意义的则电压的正、负是毫无意义的则电压的正、负是毫无意义的例：例：例：例：a ab bR RU U+若若若若 U U=5V=5V，则电压的实际方向则电压的实际方向则电压的实际方向则电压的实际方向从从从从 a a 指向指向指向指向 b b；若若若若 U U=5V=5V，则电压的实际方向则电压的实际方向则电压的实际方向则电压的实际方向从从从从 b b指向指向指向指向 a a。练习 关联参考方向关联参考方向 对对对对同一元件同一元件同一元件同一元件来说来说来说来说,当电流与电压参考方向一当电流与电压参考方向一当电流与电压参考方向一当电流与电压参考方向一致时致时致时致时,即电流从电压的即电流从电压的即电流从电压的即电流从电压的“+”极流入极流入极流入极流入,从从从从“-”极流极流极流极流出该元件出该元件出该元件出该元件,则称二者取则称二者取则称二者取则称二者取关联的参考方向关联的参考方向关联的参考方向关联的参考方向。-u +I I-u +I I+u -I I+u -I I 关关关关 联联联联 参参参参 考考考考 方方方方 向向向向 非非非非 关关关关 联联联联 参参参参 考考考考 方方方方 向向向向 对任何电路进行分析、计算时都应先指定相对任何电路进行分析、计算时都应先指定相 应各处电流、电压的参考方向。应各处电流、电压的参考方向。电流、电压的参考方向是分别独立地、任意电流、电压的参考方向是分别独立地、任意 指定的。指定的。分析电路一律以参考方向为准，而不必考虑分析电路一律以参考方向为准，而不必考虑 电流、电压的实际方向。电流、电压的实际方向。练习：练习：I=2AbRa表示出上图支路表示出上图支路ab段的电流方向。段的电流方向。2.大小大小：1.1.定义：定义：定义：定义：描述电源力移动电描述电源力移动电描述电源力移动电描述电源力移动电荷作功本领的物理量。荷作功本领的物理量。荷作功本领的物理量。荷作功本领的物理量。在数值上等于电源力将单位在数值上等于电源力将单位在数值上等于电源力将单位在数值上等于电源力将单位正电荷从低电位端经电源内正电荷从低电位端经电源内正电荷从低电位端经电源内正电荷从低电位端经电源内部移到高电位端。部移到高电位端。部移到高电位端。部移到高电位端。三、三、电动势（电动势（E）3.单位单位：伏伏(V)，千伏，千伏(kV)，毫伏，毫伏(mV)，微伏，微伏(V)分析计算时，也要假设参考方向。分析计算时，也要假设参考方向。根据结果的正负确定实际方向根据结果的正负确定实际方向 忽略电源内阻时，忽略电源内阻时，4.实际方向实际方向：电源内部从负极电源内部从负极指向正极。（指向正极。（电位升方向电位升方向）5.电动势和电压的电动势和电压的 关系：关系：用一个水路的概念先来表述一下：在一个循用一个水路的概念先来表述一下：在一个循环的水路中，水泵就是电动势，而水压差就环的水路中，水泵就是电动势，而水压差就是电压（差），水流就好比电流。是电压（差），水流就好比电流。电流在经过电器设备时会发生电流在经过电器设备时会发生电流在经过电器设备时会发生电流在经过电器设备时会发生能量的转换，能量转换的大小就能量的转换，能量转换的大小就能量的转换，能量转换的大小就能量的转换，能量转换的大小就是电流所做的功。能量转换的速是电流所做的功。能量转换的速是电流所做的功。能量转换的速是电流所做的功。能量转换的速率就是电功率。率就是电功率。率就是电功率。率就是电功率。四、电功率四、电功率单位单位单位单位:MW,kW,WMW,kW,W，mWmW等等等等如何判断电路中的元件是发出功率（即电源）如何判断电路中的元件是发出功率（即电源）还是吸收功率（即负载）？还是吸收功率（即负载）？在一个完整的电路内，电功率平衡，即总的发生在一个完整的电路内，电功率平衡，即总的发生在一个完整的电路内，电功率平衡，即总的发生在一个完整的电路内，电功率平衡，即总的发生功率等于总的吸收功率。功率等于总的吸收功率。功率等于总的吸收功率。功率等于总的吸收功率。P发生发生发生发生=P吸收吸收吸收吸收 若电路元件的若电路元件的电流与电压的实际方向相同时，电流与电压的实际方向相同时，则该元件吸收功率，起负载作用；则该元件吸收功率，起负载作用；电流与电压的实际电流与电压的实际方向相反时，则该元件发出功率，起电源作用。方向相反时，则该元件发出功率，起电源作用。根据电压、电流的实际方向判断：根据电压、电流的实际方向判断：P0，吸收功率吸收功率；P0，提供功率提供功率p和和i、u一样，也是代数量，可正、可负。一样，也是代数量，可正、可负。电路元件在电路中可能吸收功率（负载），电路元件在电路中可能吸收功率（负载），电路元件在电路中可能吸收功率（负载），电路元件在电路中可能吸收功率（负载），也可能发出功率（电源）。也可能发出功率（电源）。也可能发出功率（电源）。也可能发出功率（电源）。例例 在下图电路中，已知在下图电路中，已知U1=1V,U2=-6V,U3=-4V,U4=5V,U5=-10V,I1=1A,I2=-3A,I3=4A,I4=-1A,I5=-3A。整个电路吸整个电路吸收的功率为收的功率为求：各二端元件吸收的功率，以及整个电路吸收的功率。求：各二端元件吸收的功率，以及整个电路吸收的功率。对一完整的电路，发出的功率消耗的功率，满足功率平衡。对一完整的电路，发出的功率消耗的功率，满足功率平衡。回顾旧知回顾旧知 1 1、掌握电路的组成及功能；、掌握电路的组成及功能；2 2、了解、了解实际电路实际电路和和电路模型电路模型特点和联系；特点和联系；3 3、掌握电路的基本物理量：电流、电压、电位、掌握电路的基本物理量：电流、电压、电位、电动势和功率。电动势和功率。教学目标请指出下图电路电压方向。想一想：想一想：家里装修好了，要弄窗帘布，家里装修好了，要弄窗帘布，如何确定窗帘的高度呢？如何确定窗帘的高度呢？五、电位1 1 1 1、概念：电路中某点至零电位点的电压，、概念：电路中某点至零电位点的电压，、概念：电路中某点至零电位点的电压，、概念：电路中某点至零电位点的电压，通常设零电位点的电位为零。通常设零电位点的电位为零。通常设零电位点的电位为零。通常设零电位点的电位为零。2 2 2 2、3、电位和电压（电位差）之间的关系、电位和电压（电位差）之间的关系1.电位针对一点，电压针对两点；电位针对一点，电压针对两点；2.电位是相对的，电压是绝对的。电位是相对的，电压是绝对的。某点的电位是某点与参考点之间的电位某点的电位是某点与参考点之间的电位差；电压是任两点之间的电位差！差；电压是任两点之间的电位差！注意！注意！4 4 4 4、电位的计算步骤、电位的计算步骤、电位的计算步骤、电位的计算步骤:(1)(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；(2)(2)标出各电流参考方向并计算；标出各电流参考方向并计算；标出各电流参考方向并计算；标出各电流参考方向并计算；(3)(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位计算各点至参考点间的电压即为各点的电位计算各点至参考点间的电压即为各点的电位计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。某点电位为负，说明该点电位比参考点低。某点电位为负，说明该点电位比参考点低。某点电位为负，说明该点电位比参考点低。例例1：+-1V+-2V参考点设在参考点设在C点时：点时：Va=Ubc=Vb-VcUab=Va-VbVb=Vc=1=23，2，0abc+-1V+-2V参考点设在参考点设在a点时：点时：Va=Ubc=Vb-VcUab=Va-VbVb=Vc=1=20，-1，-3电路如图电路如图abc电路中的电路中的电位电位因参考点的不同而不同；因参考点的不同而不同；元件两端的元件两端的电压电压不受参考点改变的影响。不受参考点改变的影响。结论：结论：结论：结论：(1)(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变；各点的电位也将随之改变；(2)(2)电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变，点的不同而变，点的不同而变，点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。即与零电位参考点的选取无关。即与零电位参考点的选取无关。即与零电位参考点的选取无关。小小结 1、实际电路与路与电路模型路模型2、电路的路的组成和功能成和功能 3、电的物理量（的物理量（电流、流、电压、电动势、功率、功率、电位）位）作作业：课后后P26 4