电流和电源教学课件

电流和电源教学课件第一章电流的基本概念电流的定义电流单位电流是电子在导体中的有序流动，本国际标准单位为安培（A），以法国质上是电荷通过导体横截面的速率物理学家安德烈·玛丽·安培命名1安当外部电场作用于导体时，自由电子培定义为1库仑电荷在1秒内通过导体获得定向运动能力，形成我们观察到横截面常用子单位包括毫安（mA）的电流现象和微安（μA）电流方向约定电流的水流类比为了更好地理解抽象的电流概念，我们可以将其与熟悉的水流现象进行类比这种类比方法在电学教学中被广泛应用，能够帮助我们直观地理解电路中各种现象的本质•电流如同水管中的水流，电荷像水分子在管道中流动•电压相当于水压差，为电荷流动提供推动力•电阻类似管道的狭窄部分或阻塞物，限制电荷流动速率•导线如同水管，为电荷提供流动通道电流的测量与符号电流符号常用单位换算电流表测量在电路图中，电流用字母I表示，来源于法语安培（A）是基本单位，毫安（mA）=10⁻³A，intensité（强度）电流是标量，但在电路分微安（μA）=10⁻⁶A电子设备中常见毫安级电析中需要指定参考方向，通常用箭头表示流，而工业应用中可能涉及数百安培的大电流电荷的本质电荷的基本性质电荷守恒定律电荷是物质的基本属性，分为正电荷和电荷守恒是自然界的基本规律之一，表负电荷两种在原子结构中，电子携带明在孤立系统中电荷总量保持不变电负电荷，质子携带正电荷，中子不带荷既不能凭空产生，也不能凭空消失，电同种电荷相斥，异种电荷相吸，这只能从一个物体转移到另一个物体是库仑力的基本规律这一定律是电路分析中基尔霍夫电流定电子的基本电荷量为-

1.602×10⁻¹⁹库律的理论基础，也是我们理解各种电学仑，这是自然界中最小的电荷单位，称现象的重要依据为元电荷所有其他电荷都是元电荷的整数倍第二章电压与电源基础电压是推动电流流动的根本动力，而电源则是提供这种动力的装置理解电压的本质和电源的工作原理，对于掌握电路行为至关重要本章将深入探讨电压的概念、电源的类型以及它们在电路中的作用电压的物理意义电势的概念电压，又称电位差，是单位正电荷从一点移动到另一点时电场力所做电势是描述电场能量特性的物理量，电压是两点间电势的差值高电的功它反映了电场的能量分布状况，是推动电荷流动的根本原因势点的电荷具有较高的势能，自然趋向于流向低电势点在电路分析中，我们通常选择某一点作为参考点（接地点），其电势电压的国际单位是伏特（V），以意大利物理学家亚历山德罗·伏特命定义为零，其他各点的电势都相对于这个参考点来确定名1伏特定义为1库仑电荷在两点间移动时获得或失去1焦耳的能量电压的水流类比水坝高度差的启示压力与流量的关系电压类似于水坝两侧的水位差水位差越大，水流压力越强，流量也越在水力系统中，水压（类比电压）和管道阻力（类比电阻）共同决定水大同样，电压越高，推动电荷流动的力越强，在相同电阻条件下产生流量（类比电流）这完美地对应了欧姆定律V=I×R的电流也越大当管道阻力固定时，提高水压会增加流量；当水压固定时，减小管道阻这种类比帮助我们理解即使有电压存在，如果没有合适的通路（如关力也会增加流量闭的水闸），也不会产生电流（水流）电池与电源化学电池原理电子泵送机制常见电池类型电池是将化学能直接转换为电能的装置通过氧电池可以看作电子泵，将电子从正极泵送到家用干电池（AA、AAA）通常提供

1.5V电压，化还原反应，电池内部的化学物质在正负极之间负极，维持两极间的电势差即使外电路中电子9V电池用于某些电子设备，汽车电瓶提供12V电产生电子转移，形成电势差，为外电路提供电从负极流向正极，电池内部的化学反应持续补充压锂电池具有更高的能量密度和更稳定的电压流这种电荷分离输出特性直流电（）与交流电（）DC AC直流电特性交流电特性直流电的电流方向和大小保持恒定，主要来源于电池、直流电源等直流电路分析相对简单，广泛应用于电子设备、计算机系统等领域•电流方向不变，大小稳定•适合精密电子设备•储存和传输相对困难交流电的电流方向周期性变化，家庭电网使用50Hz或60Hz的正弦交流电交流电便于变压和长距离传输，是现代电力系统的基础•电流方向周期性反向•便于变压和传输•功率传输效率高历史小贴士19世纪末，特斯拉支持的交流电系统与爱迪生推广的直流电系统展开了著名的电流大战最终交流电因其在长距离传输方面的优势而获胜，奠定了现代电网的基础第三章电源连接方式在实际应用中，单个电源往往无法满足电路的电压或电流需求通过合理的连接方式，可以获得所需的电压等级和电流容量本章将详细介绍电源的串联和并联连接方法，以及各自的特点和应用场景电池串联连接电压相加原理串联连接时，各电池的正极连接下一个电池的负极，总电压等于各电池电压之和这是因为电荷在通过每个电池时都会获得额外的能量电流保持不变串联电路中各处电流相等，总的电流容量受限于单个电池的容量如果其中一个电池耗尽，整个串联电路将停止工作实用计算示例两个

1.5V电池串联输出3V，三个串联输出

4.5V手电筒、遥控器等设备常用此方式获得所需工作电压注意串联电池应选用相同型号和容量的电池，避免因电压不匹配导致某些电池过度放电或充电电池并联连接电流容量增加并联连接时，所有电池的正极相连，负极相连，总电压等于单个电池电压，但总电流容量是各电池容量之和这种连接方式主要用于延长电池使用时间•电压保持单个电池的电压值•总容量等于各电池容量之和•任一电池故障时其他电池仍可工作•适用于大电流或长时间供电需求移动电源（充电宝）内部通常采用多个锂电池并联，既保证输出电压稳定，又提供足够的电流容量为各种设备充电正确与错误的电池连接示范正确连接方式错误连接的危害•正负极直接相连造成短路•电池过热、漏液或爆炸风险•可能损坏连接的电子设备•串联正极接下一个电池的负极•存在触电和火灾安全隐患•并联同极性端子相互连接•确保极性标识清楚可见•使用合适规格的连接线第四章电阻与欧姆定律电阻是电路中最基本的元件之一，它限制电流流动并将电能转换为热能欧姆定律则揭示了电压、电流和电阻之间的定量关系，是电路分析的核心工具掌握这些概念对于理解和设计电路至关重要什么是电阻？电阻的物理本质电阻单位能量转换电阻是导体对电流流动的阻碍作用当电子电阻的国际单位是欧姆（Ω），以德国物理电阻将电能转换为热能，这一特性被广泛应在导体中运动时，会与原子发生碰撞，这种学家格奥尔格·欧姆命名常用单位还包括千用于电热器、白炽灯等设备中在电子电路碰撞阻碍了电子的流动，表现为电阻欧（kΩ）和兆欧（MΩ）中，这种发热通常是不希望的损耗影响电阻大小的因素包括材料性质（电阻率）、导体长度、截面积和温度一般来说，导体越长、截面越小、电阻率越大，电阻值就越大电阻的水流类比管道狭窄的阻力效应温度对阻力的影响电阻就像水管中的狭窄部分或阻塞物就像热水的粘度比冷水小，流动更容易当水流通过狭窄区域时，会受到阻力，一样，大多数金属的电阻随温度升高而流量减小，同时在狭窄处前后产生压力增大这是因为温度升高时，原子振动差加剧，对电子流动的阻碍增强类似地，当电流通过电阻时，电子流动某些材料（如半导体）则表现出相反的受到阻碍，电流大小受限，电阻两端产特性，温度升高时电阻减小，这种特性生电压降阻力（电阻）越大，在相同被用于制造热敏电阻器压力（电压）下的流量（电流）越小欧姆定律V=I×R电流（I）单位安培（A）电荷流动的速率电压（V）单位伏特（V）推动电流流动的电势差电阻（R）单位欧姆（Ω）对电流流动的阻碍欧姆定律表明，在温度不变的条件下，导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比这一定律是电路分析的基础，通过测量任意两个量就可以计算第三个量欧姆定律的三种变形V=I×R、I=V/R、R=V/I，分别用于计算电压、电流和电阻电阻的实际应用限流保护分压器设计传感器应用在LED电路中串联限流电阻，防止过大电流损坏利用电阻分压原理，可以从较高电压获得较低电光敏电阻、热敏电阻等可变电阻器，其阻值随环LED通过选择合适阻值，确保LED在额定电流压分压器广泛应用于模拟电路、传感器接口和境条件变化通过检测电阻变化，可以实现光下正常工作，同时提供过流保护电源电路中，实现电压匹配线、温度等物理量的测量和控制电阻的符号与电路图表示国际通用符号电阻色环读数电阻在电路图中用矩形框表示，框内标四环电阻色环表示法前两环表示有效注阻值有时也用锯齿线表示电阻器数字，第三环表示倍数，第四环表示误的标称值通常用色环编码或数字直接标差五环和六环电阻提供更高的精度标注识•固定电阻矩形框或锯齿线例如红-红-棕-金表示22×10¹=220Ω，误差±5%掌握色环读数是电子制作和维修•可变电阻带有斜箭头的矩形框的基本技能•热敏电阻带有温度符号t°•光敏电阻带有光线箭头符号第五章电流源与电压源转换在复杂电路分析中，有时需要将电压源转换为等效的电流源，或将电流源转换为等效的电压源这种转换技术能够简化电路分析，是电路理论中的重要工具本章将介绍理想和实际电源的特性，以及它们之间的等效转换方法理想电压源与电流源理想电压源理想电流源理想电压源能够提供恒定的端电压，不论负载电流如何变化它具有零内阻，能够提供任意大小的电流以维持端电压不变理想电流源能够提供恒定的电流，不论负载电压如何变化它具有无限大内阻，能够提供任意大小的电压以维持电流不变实际电压源模型010203内阻的存在电压调整效应功率匹配条件实际电压源都有内阻，可以用理想电压源串联一当负载电流增大时，内阻上的电压降增大，导致当负载电阻等于电源内阻时，负载获得最大功个电阻来表示内阻会导致输出电压随负载电流输出端电压下降这种现象称为电压调整，是衡率，但此时电源效率仅为50%实际应用中需要变化而变化量电源性能的重要指标在功率传输和效率之间找到平衡实际电流源模型并联内阻模型实际电流源可以用理想电流源并联一个电阻来表示这个并联电阻限制了电流源能够提供的最大电压当负载电阻较小时，大部分电流流过负载；当负载电阻很大时，电流主要通过内阻分流，输出电流减小电流调整特性实际电流源的输出电流会随负载电阻变化，这种特性称为电流调整高质量的电流源具有很大的并联内阻，能够在较宽的负载范围内维持恒定电流电压源与电流源等效转换电压源电流源等效条件电流源电压源→→电压源Vs串联电阻Rs转换为电流源Is=Vs/Rs并联电两种表示方法在端子处产生相同的电压-电流关系电流源Is并联电阻Rp转换为电压源Vs=Is×Rp串联电阻Rp=Rs阻Rs=Rp这种等效转换在复杂电路分析中非常有用，可以选择更便于分析的电源模型，简化计算过程需要注意的是，转换仅在端子外特性等效，电源内部功耗不同多个电流源并联与电压源串联的限制电压源并联限制电流源串联限制不同电流的理想电流源不能串联，这同样会导致电路矛盾串联的电流源必须通过相同的电流，但不同的电流源要求不同的电流值这种连接在理论分析中是不允许的，实际电路中会导致器件损坏不同电压的理想电压源不能并联，这会导致电路矛盾例如，3V和5V电压源并联在理论上要求同一点既是3V又是5V，这在物理上不可能实现实际中，不同电压的电池并联会产生均衡电流，可能导致电池损坏或过热设计原则相同电压的电压源可以并联以增加电流容量；相同电流的电流源可以串联以增加电压容量设计时应避免冲突配置电源连接的安全注意事项防止短路检查极性确保电源正负极不会直接相连，使用合适的保险丝或断路器保护电连接前务必确认正负极性，极性错误可能损坏设备或电源使用万用路短路会产生极大电流，导致电源损坏、发热甚至起火表验证电源输出极性，特别是在维修或更换电源时导线规格过载保护根据电流大小选择合适的导线截面积，过细的导线会产生过热和电压安装适当的保险装置，如保险丝、断路器或过流保护器这些装置在降大电流应用中使用粗导线，并确保连接牢固异常情况下自动切断电路，保护设备和人身安全课堂练习1基础计算题已知电阻R=100Ω，电流I=

0.1A，计算电压V已知电压V=12V，电阻R=4Ω，计算电流I已知电压V=9V，电流I=

1.5A，计算电阻R2电池连接计算三个

1.5V电池串联，总电压是多少？两个相同的电池并联，如果单个电池容量为2000mAh，并联后总容量是多少？3综合应用题设计一个LED电路，LED额定电流为20mA，额定电压为3V，电源电压为9V，计算所需限流电阻的阻值4电源转换练习将12V电压源串联6Ω电阻转换为等效的电流源，并验证在3Ω负载下两种表示的输出电流相等总结与展望电源连接技能基础知识掌握串联增加电压，并联增加电流容量，正确的连接方式是电路设计的基础电流、电压、电阻是电路分析的三要素，欧姆定律是它们之间关系的数学表达等效转换方法电压源与电流源的等效转换为复杂电路分析提供了有力工具实际应用能力安全操作意识将理论知识运用到实际电路设计和问题解决中电路操作中的安全防护措施，预防短路和过载的重要性下一步学习方向交流电路分析、复杂网络定理（基尔霍夫定律、戴维南定理）、电源管理系统设计、可再生能源技术等更深入的电学主题，将在这些基础概念之上构建更加复杂和实用的电路理论知识体系。