1.1 电路（课件）-《电子与电工技术》同步教学（机工版）

第1章 直流电路 1.1 电路 1.2 电阻与电源 1.3 电路分析方法 目录 电源 控制与连接（中间环节） 负载 1.1.1 电路的基本组成 1.1 电路 为了方便对实际电路进行分析和研究，通常将实际电路元件理想化（模型化），突出其主要电磁性质，忽略次要性质，近似看作理想电路元件。电路图中常用的元件规定符号如下表所示。 由理想电路元件组成的电路称为电路模型。画出的电路图叫电路模型图或电路原理图，也简称为电路图。 1.1.2 电路模型和工作状态 2．电路的工作状态 通路状态 也称负载状态或闭合状态。电源与负载形成通路，这时电路中有电流流过，整个系统处于工作状态。 开路状态 也叫断路状态。电源与负载之间被切断，这时电路中没有电流流过，系统处于停止状态。 短路状态 从电源发出的电流未经负载而直接流回电源。 1.1.3 电路的基本物理量 1．电流 电流就是导体内带电粒子（电子）的定向运动。大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流，简称直流。 电流的产生有两个条件：一是要有电源提供电能；二是要形成闭合回路。 电流的方向是从电源的正极流向负极。电流的大小用电流强度来衡量。电流强度是单位时间内通过导体单位横截面的电荷量，用I 表示，即 参考方向与实际方向一致 参考方向与实际方向相反 难以确定电流方向时，可以先假设一个方向，称为参考方向。 电流方向的确定 2．电位 电位是电荷在电场中具有的能量（位能）大小。单位正电荷在电路中某一点所具有的位能为电位，其数学表达式为 电位的大小是相对的，它与所选的参考点有关。在电路分析中，我们通常要选一个电位参考点作为零点点位。在工程实际中，常以地球作为零电位点，用符号“⊥”表示。 3．电压 电压就是电路中两点之间的电位差。电路中a，b两点之间的电位差（即电压）可用下式表示： 电路中a，b两点间的电压 在数值上等于电场力把电荷由a移动到b所做的功W与被移动电荷的电量Q的比值。 参考方向与实际方向一致 参考方向与实际方向相反 电压方向 的表示方法 电压方向的确定 高电位 低电位 难以确定电流方向时，可以先假设一个参考方向。 一般规定同一个元件的电压和电流的参考方向相同，即电流的参考方向为从电压的正极性端流入该元件，而从它的负极性端流出。此时称该元件的电压、电流参考方向为关联参考方向；反之，则称为非关联参考方向。 4．电动势 在电源内部使电路两端产生和维持电位差的能力称为电源电动势。电动势的单位也是伏特（V），用字母E表示，计算公式为 若外力克服电场力把单位正电荷的电量（1 C）在电源内部由低电位移到高电位，所做的功是1 J，则电动势就等于1 V。 5．电功率 单位时间内电场力所做的功称为电功率P（简称功率），单位是瓦特（W）。对于大功率，常采用千瓦（kW）作单位。计算公式为 若 ，则表明吸收功率或消耗功率，该元件为负载；若 ，则表明发出功率或产生功率，该元件为电源。 1.2 电阻与电源 1.2.1 电阻与欧姆定律 1．电阻 自由电子在电路中移动时所受到的阻碍作用称为电阻。电阻一般用字母R表示，单位是欧姆（ ）。 实验证明，当温度不变时，一定材料制成的均匀导体，其电阻跟它的长度成正比，跟它的截面积成反比。这个实验规律称为电阻定律，用公式表示为 导体电阻率，其值由导体材料的性质决定，单位是欧姆·米（ ） 不同材料在温度上升1℃时的电阻变化值，这个数据称为电阻温度系数 ，它的单位是1/℃。下表中给出了几种常见材料的电阻率和电阻温度系数。 2．电阻元件 电阻元件就是利用金属材料对电流具有阻碍作用的特性制成的电器元件，简称为电阻。电阻元件在电路中主要是起控制电流大小和分配与调节电压的作用。电路中经常用到的一些电阻器件的外形如下图所示。 碳膜电阻 线绕电阻 滑动变阻器 3．欧姆定律 （1）部分电路欧姆定律 电路中通过某个电阻的电流强度，与电阻两端所加的电压成正比，与电阻的阻值成反比，即 右图是用于测量欧姆定律的电路图。 当所画的电压和电流参考方向不一致（即U，I为非参考方向）时，公式 中应加一个负号。 电阻值不随电压、电流的变化而改变的电阻称为线性电阻，由线性电阻组成的电路称为线性电路； 电阻值随电压、电流的变化而改变的电阻称为非线性电阻，含有非线性电阻的电路称为非线性电路。欧姆定律只适用于线性电路。 （2）全电路欧姆定律 全电路欧姆定律要考虑电源的内阻。即在全电路（包括电源）中，电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路中负载电阻及电源内阻之和成反比。计算公式为 右图为全电路欧姆定律电路图。 4．电阻的连接方式 （1）电阻的串联 两个或两个以上的电阻首尾依次相连，中间无任何分支的连接称为电阻的串联。在这种连接方式中，相邻电阻之间的电流只有一条通路，如下图所示。这种电路叫串联电路。 串联电路接线图 串联电路电路图 串联电路的画法 串联电路具有以下几个特点： ① 串联电路各处的电流强度都相同，如下图所示。 ② 总电阻等于各个电阻之和，如下图所示。 ③ 总电压等于各部分电路的电压之和，如下图所示。 ④ 总功率等于各个电阻上的功率之和，即 ⑤ 串联电路的分压关系：各电阻上的电压与电阻值成正比，即 （2）电阻的并联 电阻的并联是将几个电阻元件的头和头相连，尾和尾相连，然后都接在两个共同端点之间的连接方式。在并联连接方式中，每个电阻的电流各有一条通路，如下图所示。这种电路叫并联电路。 并联电路接线图 并联电路电路图 并联电路的画法 并联电路具有以下几个特点： ① 并联电路的总电流等于各个电阻上的电流之和，如右图所示。 ② 总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和，如右图所示。 ③ 并联电路上各电阻的电压都相同，如右图所示。 ④ 总功率等于各个电阻上的功率之和，与串联电路相同，即 ⑤ 并联电路的分流关系：各电阻上的电流与电阻值成反比，即 （3）电阻的混联 在实际电路中，电阻的连接既有串联又有并联的电路称为混联电路，如下图所示。 支路串联，整体并联 支路并联，整体串联 混联电路的分析和计算的几个步骤： （1）首先理清电路中电阻的串、并联关系，必要时重新画出串、并联关系明确的电路图。 （2）利用电阻串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻。 （3）利用已知条件进行计算，确定电路的端电压与总电流。 例 如下图所示，已知电阻 ， ， ， ， ；电压 。试求： （1）电路总的等效电阻 与总电流 ； （2）电阻 两端的电压 与通过它的电流 。 解 （1）从最右边看： ， ， 三者串联后，再与 并联，故e，f 两端的等效电阻为 代入数值后，得 再从c，d两端往右看，相当于 和 ， 串联后，再与 并联，故c，d两端的等效电阻为 代入相应数值后，得 这样，求a，b两端的电阻就比较简单了，它由三个电阻 ， ， 串联而成。即 故总电流为 （2）利用分压关系求各部分电压 直流电源的种类 能量的转化 特点 应用 直流发电机 将机械能转换为电能 相对功率大、使用方便、运行可靠 带动直流电动机和作为电解、电镀、电冶炼及大型设备的充电电源 直流稳压电源 将电网的交流电整流为直流电 经济实用 家用电器、电脑办公、移动通信和实验设备 电池 将化学能转换成电能 最常见的直流电源 碱锰电池、锂电池、铅酸蓄电池、氢镍电池 1.2.2 电源的特性与变换 在电路中，电源以外的部分称为外电路，电源以内的部分称为内电路。有的电源，不论其外部电路如何变化，其两端电压总能保持一定的值。而有的电源，只能向外电路提供稳定的电流。我们把电源的电压与电流的这种变化关系特性，称为直流电源的外特性。 一个实际的电源，就其外部特性而言，既可以看成是一个电压源，又可以看成是一个电流源。电压源就是以电压形式表示的电源；而电流源则是以电流形式表示的电源。 电压源是向外电路提供稳定电压的一种电源装置。它将电源看成是由内阻 和电动势 串联而形成的电路，如下图所示。 1．电压源 实际电路 电压源电路 内阻为零的电源称为理想电压源，也叫恒压源。当电源的内阻远远小于外电路的负载电阻时，就可近似地将其看做是理想的电压源。 下图是实际电压源和理想电压源的外特性曲线。 实际电压源特性曲线 理想电压源特性曲线 2．电流源 电流源是向外电路提供稳定电流的一种电源装置。它将电源看成是由内阻 和恒定电流 并联而形成的电路，如下图所示。 实际电路 电流源电路 实际电流源特性曲线 理想电流源特性曲线 当 时，电源内阻上的电流近乎为零，这时外电流将不随R的变化而变化，这种情况就称为理想电流源，也叫恒流源。当 时，电源可近似地看做是理想电流源。 下图是实际电流源和理想电流源的外特性曲线。 3．电压源与电流源的等效变换 电压源模型转化为电流源模型 电流源模型转化为电压源模型 一个电压源与一个电流源等效变换的条件为：如 果两种电源的参数满足内阻相同 和 ， 则电压源与电流源可以互相转换，而对外电路不发生任何影响，如下图所示。 电源等效变换的注意事项如下： （1）电源等效是指“对外电路”等效，即外电路的外特性（伏安特性）一致，而对电源内部电路并不等效。 （2）理想电压源和理想电流源并不能等效互换。 （3）电源等效互换时，理想电压源 与内阻 串联，理想电流源 与内阻 并联。且转换前后 与 方向保持不变。 （4）任何一个电动势为 的理想电压源和某个电阻为R串联的电路，都可以转化为电流为 的理想电流源和这个电阻R并联的电路。 例 将右图中的电流源转化为电压源，其中： ， ，并画出等效电路。 解 电流源变为电压源时， ，内阻 不变，故 内阻 仍为 ，其等效电压源电路如右图所示。 谢谢观看 $$