電工與電子技術(shù) 一

1、第一章 電路的基本概念與基本定律 電工學(xué)第七版電工技術(shù)第一章 電路的基本概念與基本定律1.1 電路的作用與組成部分1.2 電路模型1.3 電壓和電流的參考方向1.4 歐姆定律1.5 電源有載工作、開路與短路1.6 基爾霍夫定律1.7 電路中電位的概念及計(jì)算本章要求:1.理解電壓與電流參考方向的意義；2. 理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用；3. 理解電路的有載工作、開路與短路狀態(tài)，電功率和額定值的意義；4.理解電源與負(fù)載的判別方法；5. 會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。電路的基本概念與基本定律1.1 電路的作用與組成部分 (1) 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換 （強(qiáng)電） (2) 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理（弱電）放

2、大器揚(yáng)聲器話筒1. 電路的作用 電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。 發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐.輸電線2. 電路的組成部分電源: 提供電能的裝置負(fù)載: 取用電能的裝置中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐.輸電線直流電源直流電源: 提供能源信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號(hào)源: 提供信息2.電路的組成部分放大器揚(yáng)聲器話筒 電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的作用稱為響應(yīng)。 電路的輸入，稱為電路的激勵(lì)。通常為電源（提供電能，使電路工作）或信號(hào)源（電路傳輸或處理的對(duì)象）。 電路的

3、輸出，稱為電路的響應(yīng)。在電路中響應(yīng)常表示為某一元件上的電壓、電流或電功率。 電路分析：激勵(lì)與響應(yīng): 已知電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，研究電路的激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系。3.電路的激勵(lì)與響應(yīng)思考一下： 激勵(lì)是什么？ 響應(yīng)是什么？ 激勵(lì)：電池提供的電能。 響應(yīng)：燈泡發(fā)光發(fā)熱（功率）。導(dǎo)線電池開關(guān)燈泡手電筒電路1. 2 電路模型 為了便于分析電路的主要特性與功能，把構(gòu)成實(shí)際電路的元件抽象成理想化電路元件模型，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。 忽略元件的次要特性（不影響電路分析的特性），用規(guī)定的理想化模型表征其物理特性。理想化模型：例如燈泡：電阻元件手電筒的電路模型例：手電筒R+RoES+UI電池筒體燈泡開

4、關(guān) 手電筒由電池、燈泡、開關(guān)和筒體組成。 理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。實(shí)際電路由理想電路元件組成電阻電感電源電容電路模型手電筒的電路模型R+RoES+UI電池筒體燈泡開關(guān) 電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻Ro； 燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻R； 筒體用來連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無電阻的理想導(dǎo)體。 開關(guān)用來控制電路的通斷。 今后分析的都是指電路模型，簡稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。常用的幾種元件模型： 在電路圖中實(shí)際的電路元件可以用一些模型來代替?；蛘哂媚Ｐ偷慕M合來代替。電阻元件電壓源電流源

5、電感元件電容元件無源元件有源元件無源元件：電阻、電感、電容這些元件任何時(shí)刻對(duì)外界均不提供能量，叫做無源元件。如 R,L,C有源元件：凡是發(fā)出電壓、電流，對(duì)外界提供能量的元件，叫有源元件。如電池、發(fā)電機(jī)二端元件：電阻、電感、電容。只有兩個(gè)端，任何時(shí)刻從一端流入的電流等于從一端流出的電流三端元件：晶體管四端元件：變壓器1.3 電壓和電流的參考方向(1) 電流 電流是電路中電荷流動(dòng)量的度量。使用單位時(shí)間內(nèi)，通過某一導(dǎo)體橫截面的電荷量來表示。I = q/t （直流）i = dq/dt （交流） 電流的符號(hào)：I（直流電流） 或 i（交流電流）單位名稱：安（培） 符號(hào)：A （Ampere）kAmAA電流的

6、方向是什么？(1.2) 電流的真實(shí)方向電流的真實(shí)方向：規(guī)定正電荷流動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?或者說：電子流動(dòng)的反方向ab電路中的一條通路正電荷q+負(fù)電荷q-電流的真實(shí)方向問題的提出電流方向AB？電流方向BA？E1ABRE2IR在復(fù)雜電路中難于判斷元件中物理量的實(shí)際方向，電路如何求解？(1.3) 電流的參考方向解決方法:(1) 在解題前先設(shè)定一個(gè)正方向，作為參考方向；(2) 根據(jù)正方向列寫電路方程求代數(shù)解。參考方向具有任意性 電流的參考方向是人為定義的。 不一定與實(shí)際方向相符參考方向與真實(shí)方向的關(guān)系 電流的參考方向是人為定義的，而電流的真實(shí)方向則是受電路約束客觀存在并確定的。 若分析電路后確定的電流

7、符號(hào)為正，則表明電流的真實(shí)方向就是參考方向；反之亦然。(3) 根據(jù)求解電流符號(hào)判斷真實(shí)方向。i 0i 0U 0 若分析電路后確定的電壓符號(hào)為正，則表明電壓的真實(shí)方向就是參考方向；反之亦然。(2.4) 電壓參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系+實(shí)際方向(3) 關(guān)聯(lián)參考方向 +UII關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向+U電流的參考方向和電壓的參考方向取一致， 稱關(guān)聯(lián)方向；如不一致，稱非關(guān)聯(lián)方向。 采用關(guān)聯(lián)的參考方向后，在電路中只需要標(biāo)出一個(gè)（電流或電壓）參考方向。如果采用非關(guān)聯(lián)方向，則必須全部標(biāo)示I+U(5) 為了避免列方程時(shí)出錯(cuò)，習(xí)慣上把 I 與 U 的方向按 相同方向假設(shè)。(4) 方程式R = U/I 僅適用于假

8、設(shè)正方向一致（即關(guān)聯(lián)參 考方向）的情況。(1) “實(shí)際方向”是物理中規(guī)定的，而“參考方向”則是人們?cè)谶M(jìn)行電路分析計(jì)算時(shí),任意設(shè)設(shè)的。 (2) 在以后的解題過程中，注意一定要先設(shè)定“參考方向” 然后 再列方程計(jì)算。缺少“參考方向”的物理量是無意義的。提示(3) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定實(shí)際方向： 若計(jì)算結(jié)果為正，表明實(shí)際方向與正方向一致； 若計(jì)算結(jié)果為負(fù)，表明實(shí)際方向與正方向相反。例已知：E=2V, R=1問： 當(dāng)Uab分別為 3V 和 1V 時(shí)，IR=?解：(1) 假定電路中物理量的正方向如圖所示；(2) 列電路方程：+E IRRURabUab+-+-(3) 數(shù)值計(jì)算實(shí)際方向與假設(shè)方向一致實(shí)際方向與假

9、設(shè)方向相反+E IRRURabUab+-+-1.4 歐姆定律U、I 參考方向相同時(shí)，U、I 參考方向相反時(shí)，RU+IRU+I 表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)： 式前的正負(fù)號(hào)由U、I 參考方向的關(guān)系確定； U、I 值本身的正負(fù)則說明實(shí)際方向與參考 方向之間的關(guān)系。 通常取 U、I 參考方向相同。U = I R U = IR解：對(duì)圖(a)有, U = IR例：應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。對(duì)圖(b)有, U = IRRU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A電阻R沒有正負(fù)符號(hào)電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性。 遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻，它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù)。I/AU

10、/Vo線性電阻的伏安特性線性電阻的概念： 線性電阻的伏安特性是一條過原點(diǎn)的直線。電阻的開路與短路對(duì)于一電阻R（1）當(dāng) R = 0 ，視其為短路。i為有限值時(shí)，u = 0。（2）當(dāng) R = ，視其為開路。u為有限值時(shí)，i = 0。ui0開路伏安特性曲線ui0短路伏安特性曲線R+ui1.5 電源有載工作、開路與短路 開關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載負(fù)載端電壓U = IR 特征:（1）電源有載工作IR0R+ -EU+ -I 電流的大小由負(fù)載決定。 在電源有內(nèi)阻時(shí)，I U ?；?U = E IR0電源的外特性EUI0 當(dāng) R0 0 時(shí),則說明U、I 的實(shí)際方向一致，此部分電路吸收（消耗）電功率，為負(fù)載。當(dāng)計(jì)算

11、的 P U, I的實(shí)際方向如 圖所 示。即U與I的實(shí)際方向相反，屬于電源性質(zhì)。功率平衡關(guān)系式 PE1 PE2P1+ P2 由于UE2, I的實(shí)際方向如 圖所 示。即U與I的實(shí)際方向相同，屬于負(fù)載性質(zhì)。電源： U、I 實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出。負(fù)載： U、I 實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。IR01+ -E1U+ -R02+ -E2U1+ - -+U2電氣設(shè)備的額定值額定值: 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載)： I IN ，P IN ，P PN (設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經(jīng)濟(jì)合理安全可靠) 1. 額定值反映電氣設(shè)

12、備的使用安全性；2. 額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。例：燈泡：UN = 220V ，PN = 60W電阻： RN = 100 ，PN =1 W 特征: 開關(guān) 斷開1.5.2 電源開路I = 0電源端電壓 ( 開路電壓 )負(fù)載功率U = U0 = EP = 01. 開路處的電流等于零； I = 02. 開路處的電壓 U 視電路情況而定。電路中某處斷開時(shí)的特征:I+U有源電路IRoR+ -EU0+ -電源外部端子被短接1.5.3 電源短路 特征:電源端電壓負(fù)載功率電源產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻消耗掉短路電流（很大）U = 0 PE = P = IR0P = 01. 短路處的電壓等于零； U = 02. 短

13、路處的電流 I 視電路情況而定。電路中某處短路時(shí)的特征:I+0有源電路IR0R+ -EU+ -練習(xí)：+_E=220VR00I60w220v100w220vI1I2s(1) R00，S閉合后 I1變化？不變(2) R00，S閉合后 I1變化？減小(3)電源的額定功率為125kw、220v，接220v、60w的電燈時(shí)，電燈會(huì)不會(huì)燒毀？不會(huì)、電壓是額定電壓，電源輸出的功率為60w，而不是125kw 1. 6 基爾霍夫定律基爾霍夫：德國物理學(xué)家、化學(xué)家、天文學(xué)家。對(duì)電路理論有重大發(fā)展，1847年發(fā)表了基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律兩個(gè)定律?；鶢柣舴蚨桑夯鶢柣舴螂娏鞫桑↘CL Kirchhoff

14、 current law ）基爾霍夫電壓定律（KVL Kirchhoff voltage law）意義：是電路中電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析和計(jì)算較為復(fù)雜電路的基礎(chǔ)。名詞解釋支路：電路中的每一個(gè)分支。 一條支路流過一個(gè)電流，稱為支路電流。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)?；芈罚河芍方M成的閉合路徑。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E1123例：支路：ab、bc、ca、 （共6條）回路：abda、abca、 adbca （共7 個(gè)）結(jié)點(diǎn)：a、 b、c、d (共4個(gè)）網(wǎng)孔：abd、 abc、bcd （共3 個(gè)）adbcE+GR3R4R1R2I2I4IGI1

15、I3I1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL定律)1定義 即: 入= 出 在任一瞬間，流入任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。 實(shí)質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)?；? = 0I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E1對(duì)結(jié)點(diǎn) a：I1+I2 = I3或 I1+I2I3= 0 基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。 廣義結(jié)點(diǎn)：某一部分電路的閉合面，將之當(dāng)成結(jié)點(diǎn)。2推廣I =?例:廣義結(jié)點(diǎn)I = 0IA + IB + IC = 0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V思考IAIBIC KCL可以看成電荷守恒，流入電荷=流出電荷。 如果廣義結(jié)點(diǎn)包含電容，電容在

16、充電過程中會(huì)儲(chǔ)存電荷，是否還滿足流入電荷=流出電荷？依然滿足 提示： 電容正負(fù)電荷相等+ + + + +- - - - - 在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。1.6.2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律)1定義即： U = 0 在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。對(duì)回路1：對(duì)回路2： E1 = I1 R1 +I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E112 基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電

17、路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。1列方程前標(biāo)注回路循行方向； 電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2 U = 0 I2R2 E2 + UBE = 02應(yīng)用 U = 0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號(hào)的確定： 如果規(guī)定電位降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。3. 開口電壓可按回路處理 注意：1對(duì)回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_例：對(duì)網(wǎng)孔abda：對(duì)網(wǎng)孔acba：對(duì)網(wǎng)孔bcdb：R6I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0I4 R4 + I3 R3 E = 0對(duì)回路 adbca，沿逆時(shí)針方向循行： I1 R1 + I3 R3 + I4 R4

18、I2 R2 = 0應(yīng)用 U = 0列方程對(duì)回路 cadc，沿逆時(shí)針方向循行： I2 R2 I1 R1 + E = 0adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I 基爾霍夫電流定律（結(jié)點(diǎn)電流定律） KCL 用來描述同一結(jié)點(diǎn)上 各支路電流間的關(guān)系?；鶢柣舴螂妷憾桑ɑ芈冯妷憾桑?KVL 用來描述同一回路中各 段電壓間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨蒏CL方程：節(jié)點(diǎn)a：節(jié)點(diǎn)b：KVL方程：1#2#3#aE2+-R1R3R2+_I1I2I31#2#3#bE1分析以下電路中應(yīng)列幾個(gè)電流方程？幾個(gè)電壓方程？練習(xí)：設(shè)定參考方向R1=1，R2=2，R3=3，E3=3V，I3=3A，求I1、I2與兩電源的功率。P1

19、發(fā)= E1I1 = 219 = 189W解：KVL: R2I2+R1I1 -E1=0KVL: E3 + R3I3- R2I2 = 0I2= 12/2 = 6AP3吸= E3I3 = 33 = 9WKCL: I1 = I2 + I3 = 9AE1 =12+19 =21V練習(xí)：I1aI2I3b R1E1E3R3R2+-+-討論題求：I1、I2 、I3 能否很快說出結(jié)果？1+-3V4V11+-5VI1I2I31.7 電路中電位的概念及計(jì)算電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓，記為“VX” 。 通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。1. 電位的概念 電位的計(jì)算步驟: (1) 任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零； (2

20、) 標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算； (3) 計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。某點(diǎn)電位為正，說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。3. 舉例 求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd 。解：設(shè) a為參考點(diǎn)， 即Va=0VVb=Uba= 106= 60VVc=Uca = 420 = 80 VVd =Uda= 65 = 30 V設(shè) b為參考點(diǎn)，即Vb=0VVa = Uab=106 = 60 VVc = Ucb = E1 = 140 VVd = Udb =E2 = 90 Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab = 106 = 60 VUcb =

21、E1 = 140 VUdb = E2 = 90 VUab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V 結(jié)論：(1)電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選取的不同，電路中 各點(diǎn)的電位也將隨之改變；(2) 電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考 點(diǎn)的不同而變， 即與零電位參考點(diǎn)的選取無關(guān)。借助電位的概念可以簡化電路作圖bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd例1: 圖示電路，計(jì)算開關(guān)S 斷開和閉合時(shí)A點(diǎn) 的電位VA解: (1)當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)(2) 當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),電路 如圖（b）電流 I2 = 0，電位 VA = 0V 。電流 I1 = I2 = 0，電位 VA = 6V 。電流在閉合路徑中流通2KA+I12kI26V(b)2k+6VA2kSI2I1(a)例2： 電路如下圖所示，(1) 零電