chapter電路的基本概念與基本定律解析實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1chapter電路的基本概念與基本定律解析實(shí)用本章要求: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.了解電源的有載工作、開路與短路狀態(tài)，理解電功率和額定值的意義；4.會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。第1章電路的基本概念與基本定律(BaseConceptandLawsofCircuit)第1頁/共60頁

P30：1.5.91.5.111.6.41.7.31.7.6

本章作業(yè)（第七版）第2頁/共60頁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(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理放大器揚(yáng)聲器話筒1.電路的作用

電路Circuit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...輸電線第3頁/共60頁2.電路的組成部分負(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...輸電線電源:

提供電能的裝置sourcelode第4頁/共60頁直流電源直流電源:

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)(excitation)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)在電路各部分所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)(response)。Signlesource第5頁/共60頁1.2

電路模型(circuitmodel)手電筒的電路模型

為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路，一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。例：手電筒R+RoE–S+U–I電池導(dǎo)線燈泡開關(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。switch第6頁/共60頁手電筒的電路模型R+RoE–S+U–I電池導(dǎo)線燈泡開關(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(jiǎn)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。第7頁/共60頁1.3

電壓和電流的參考方向

物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向1.電路基本物理量的實(shí)際方向物理量實(shí)際方向電流I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向電動(dòng)勢(shì)E

(電位升高的方向)

電壓U(電位降低的方向)高電位

低電位

單位kA、A、mA、μA低電位

高電位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV第8頁/共60頁問題的提出：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？電流方向AB？電流方向BA？U1ABRU2IR第9頁/共60頁(2)參考方向的表示方法電流Current：Uab

雙下標(biāo)電壓Voltage：(1)參考方向IE+_

在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。Iab

雙下標(biāo)2.電路基本物理量的參考方向aRb箭標(biāo)abRI正負(fù)極性+–abUU+_polarityarrowdoublesubscript(referencedirection)第10頁/共60頁實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。(3)

實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系若I=5A，則電流從a流向b；例：若I=–5A，則電流從b流向a。abRIabRU+–若U=5V，則電壓的實(shí)際方向從a指向b；若U=–5V，則電壓的實(shí)際方向從b指向a。第11頁/共60頁(4)

關(guān)聯(lián)與非關(guān)聯(lián)的參考方向

同一電路元件，如果規(guī)定電流（流過該電路元件的電流）與電壓的參考方向一致，則稱為關(guān)聯(lián)的參考方向；否則為非關(guān)聯(lián)的參考方向（電壓電流參考方向相反）。IabRU+–IbaR+–U

電流與電壓的參考方向一致，為關(guān)聯(lián)的參考方向；

電流與電壓的參考方向不一致，為非關(guān)聯(lián)的參考方向。注意：在參考方向選定后，電流（或電壓）值才有正負(fù)之分。第12頁/共60頁歐姆定律：

流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比?；蛘弑硎緸椋簹W姆定律的單位：

在SI中，電阻為歐姆()

或者為千歐(k)、兆歐(M)UIR1.4

歐姆定律（Ohm’law)U=IR第13頁/共60頁1.4

歐姆定律(Ohm’law)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)：①式前的正負(fù)號(hào)由U、I

參考方向的關(guān)系確定；②U、I

值本身的正負(fù)則說明各自實(shí)際方向與參考方向之間的關(guān)系。

通常在電路圖中取

U、I

參考方向相同（關(guān)聯(lián)參考方向）。U=IR

U=–IR第14頁/共60頁解：對(duì)圖(a)有,U=IR例1：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+–U6VI(a)(b)I–2A第15頁/共60頁電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性曲線。

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/Vo線性電阻的伏安特性線性電阻(linearresistance)的概念：

線性電阻的伏安特性曲線是一條過原點(diǎn)的直線。(volt-amperecharacteristic)非線性電阻見2.9。第16頁/共60頁1.5

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

1.電壓和電流:1.5.1電源有載工作IR0R+

-EU+

-I①

電流的大小由負(fù)載決定。②在電源有內(nèi)阻時(shí)，IU?；騏=E–IR0

當(dāng)

R0<<R時(shí)，則UE

，表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電源的端電壓變化不大，即帶負(fù)載能力強(qiáng)。電源的外特性EUI0

如果不考慮電源的內(nèi)阻，外特性為虛線所示。第17頁/共60頁

開關(guān)閉合，接通電源與負(fù)載。負(fù)載端電壓U=IR1.5.1電源有載工作①

電流的大小由負(fù)載決定。②在電源有內(nèi)阻時(shí)，IU。或U=E–IRoUI=EI–I2RoP=PE

–P負(fù)載取用功率電源產(chǎn)生功率內(nèi)阻消耗功率③電源輸出的功率由負(fù)載決定。負(fù)載大小的概念:

負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加(電壓一定)。IR0R+

-EU+

-I2.功率與功率平衡第18頁/共60頁2.功率與功率平衡如果P

0，元件吸收功率，為負(fù)載；如果P0，元件釋放功率，為電源。

功率的計(jì)算：UI=EI–I2RoP=PE

–P負(fù)載取用功率電源產(chǎn)生功率內(nèi)阻消耗功率

在一個(gè)電路中，電源產(chǎn)生的功率與負(fù)載取用的功率，以及內(nèi)阻上所損耗的功率是相等的，稱為功率平衡。（1）U、I關(guān)聯(lián)的參考方向，P=UI；IN+U－（2）U、I非關(guān)聯(lián)的參考方向，P=?UI；第19頁/共60頁3.電源與負(fù)載的判別U、I參考方向不同，P=?UI

0，電源；

P=?UI

0，負(fù)載。U、I參考方向相同，P=UI0，負(fù)載；

P=UI

0，電源。

1)

根據(jù)U、I的實(shí)際方向判別2)根據(jù)U、I的參考方向判別電源：U、I實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出；

（發(fā)出功率）

負(fù)載：U、I實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。（吸收功率）第20頁/共60頁例2：在圖示電路中，已知：I=2A，U1=10V，U2=6V，U3=–4V，問哪些元件是電源？哪些元件是負(fù)載？=IU2=2×6=12W＞0=–IU3=–2×（–4）=8W＞0元件1為電源=–I

U1=–2×10=–20W＜0解：元件1：P1元件2：P2元件2為負(fù)載元件3：P3元件3為負(fù)載213U2+++–––U1U3I第21頁/共60頁例3:在圖示電路中，US1、US2

、I均為正值，問供出功率的電源是哪個(gè)？IR1US1US2++––R2解：電源US1的功率PUS1=–US1I

＜0發(fā)出功率電源US2的功率PUS2=US2I

＞0吸收功率電路中供出功率的電源是US1第22頁/共60頁4.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<PN(不經(jīng)濟(jì))

過載(超載)：

I>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)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=1W

實(shí)際當(dāng)中，電氣設(shè)備不一定工作在額定值。第23頁/共60頁解一個(gè)月的用電量

:

W＝Pt＝0.06kW×(3×30)(h)＝5.4kWh例4：已知有一220V60W的電燈，接在220V的電源上，求通過電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時(shí)電阻如每晚用3小時(shí)，問一個(gè)月消耗電能多少？第24頁/共60頁3.額定值為1W/100Ω的碳膜電阻，在使用時(shí)電流和電壓不得超過多大數(shù)值？練習(xí)與討論：1.設(shè)電源的額定功率為125kW，端電壓為220V，當(dāng)只接上一個(gè)220V/60W的白熾燈時(shí)，白熾燈會(huì)不會(huì)被燒毀？2.在圖示電路中，方框代表電源或負(fù)載。已知U=220V,

I=－1A，試問哪些方框是電源，哪些是負(fù)載？＋Ｕ＿(ａ)Ｉ＋Ｕ＿(ｂ)Ｉ—Ｕ＋(ｃ)Ｉ—Ｕ＋(ｄ)Ｉ第25頁/共60頁4.圖(a)是一電池電路，當(dāng)U=3V，E=5V時(shí)，該電池作電源（供電）還是作負(fù)載（充電）用？圖(b)所示也是一電池電路，當(dāng)U=5V，E=3V時(shí)，則又如何？?jī)蓤D中，電流I是正值還是負(fù)值？5.有一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，其銘牌上標(biāo)有40kW/230V/174A。試問什么是發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行、輕載運(yùn)行、滿載運(yùn)行和過在運(yùn)行？負(fù)載的大小，一般指什么而言？

圖（b）

圖（a）Ｉ+E－2Ω+Ｕ－Ｉ+E－2Ω+Ｕ－第26頁/共60頁特征: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=0；2.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+

-(opencircuit)

開關(guān)斷開，電源處于開路狀態(tài)(空載)第27頁/共60頁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=I2R0P

=01.短路處的電壓等于零U=0；2.

短路處的電流I視電路情況而定。電路中某處短路時(shí)的特征:I+–U有源電路IR0R+

-EU0+

-(shortcircuit)第28頁/共60頁實(shí)際電源干電池鈕扣電池1.干電池和鈕扣電池（化學(xué)電源）

干電池電動(dòng)勢(shì)1.5V，僅取決于（糊狀）化學(xué)材料，其大小決定儲(chǔ)存的能量，化學(xué)反應(yīng)不可逆。鈕扣電池電動(dòng)勢(shì)1.35V，用固體化學(xué)材料，化學(xué)反應(yīng)不可逆。第29頁/共60頁

氫氧燃料電池示意圖2.燃料電池（化學(xué)電源）

電池電動(dòng)勢(shì)1.23V。以氫、氧作為燃料。約40-45%的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?shí)驗(yàn)階段加燃料可繼續(xù)工作。第30頁/共60頁3.太陽能電池（光能電源）

一塊太陽能電池電動(dòng)勢(shì)0.6V。太陽光照射到P-N結(jié)上，形成一個(gè)從N區(qū)流向P區(qū)的電流。約11%的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，故常用太陽能電池板?/p>

一個(gè)50cm2太陽能電池的電動(dòng)勢(shì)0.6V，電流0.1A

太陽能電池示意圖太陽能電池板第31頁/共60頁蓄電池示意圖4.蓄電池（化學(xué)電源）

電池電動(dòng)勢(shì)2V。使用時(shí)，電池放電，當(dāng)電解液濃度小于一定值時(shí)，電動(dòng)勢(shì)低于2V，常要充電，化學(xué)反應(yīng)可逆。第32頁/共60頁直流穩(wěn)壓源變頻器頻率計(jì)函數(shù)發(fā)生器第33頁/共60頁發(fā)電機(jī)組第34頁/共60頁草原上的風(fēng)力發(fā)電第35頁/共60頁1.6

基爾霍夫定律支路(branch)：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)(node)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)?；芈?loop)：由支路組成的閉合路徑。網(wǎng)孔(mesh)：內(nèi)部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E1123(Kirchhoff’slaw)第36頁/共60頁例5：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–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I第37頁/共60頁練習(xí)和討論：第38頁/共60頁1.6.1

基爾霍夫電流定律(KCL定律)1．定律

即:Ｉ入=

Ｉ出

在任一瞬間，流向任一結(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)。或:Ｉ=0I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E1對(duì)結(jié)點(diǎn)a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=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。(Kirchhoff’sCurrentLaw)第39頁/共60頁

基爾霍夫電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。2．推廣I=?例:廣義結(jié)點(diǎn)supernodeI=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V第40頁/共60頁解I1I2I3I4由基爾霍夫電流定律可列出I1－I2＋I(xiàn)3－I4＝02－（－3）＋（－2）－I4＝0可得

I4＝3A例6：已知如圖所示，I1＝2A，I2＝－3A，I3＝－2A，試求I4。第41頁/共60頁（2）電路中有n個(gè)結(jié)點(diǎn)，則根據(jù)KCL可列出(n-1)

個(gè)獨(dú)立的電流方程。

注意：

（1）KCL適用于任何電路；

（3）用KCL解題時(shí)，先要取定各支路電流的參考方向。第42頁/共60頁1.6.2基爾霍夫電壓定律（KVL定律)1.定律即：E=

(IR)對(duì)回路1：對(duì)回路2：

E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E112(Kirchhoff’svoltagelaw)

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。第43頁/共60頁1.6.2基爾霍夫電壓定律（KVL定律)1.定律即：U=0對(duì)回路1：對(duì)回路2：

E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2或I1R1+I3R3–E1=0或I2R2+I3R3–E2=0I1I2I3ba+-E2R2+-R3R1E112

基爾霍夫電壓定律（KVL）反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。(Kirchhoff’svoltagelaw)

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。實(shí)質(zhì):電路遵從能量守恒定律。第44頁/共60頁例7：對(duì)網(wǎng)孔abda：對(duì)網(wǎng)孔acba：對(duì)網(wǎng)孔bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–

I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0對(duì)回路adbca，沿逆時(shí)針方向循行：–I1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0應(yīng)用U=0列方程對(duì)回路cadc，沿逆時(shí)針方向循行：–I2R2–I1R1+E

=0adbcE–+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I第45頁/共60頁基爾霍夫電壓定律的推廣：可應(yīng)用于回路的部分電路U＝UA－UB－UAB＝0或UAB＝UA－UBE－U－RI＝0或U＝E－RIER+-+-UI+++-ABC--UABUAUB注：KCL、KVL與組成支路的元件性質(zhì)及參數(shù)無關(guān)。第46頁/共60頁1．列方程前標(biāo)注回路循行方向；

電位升=電位降

E2=UBE+I2R2U=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.開路的部分電路可按回路處理

注意：對(duì)回路1：E1B1UBEE++–R1+–E2R2I2_第47頁/共60頁1.7

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)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。(electricpotential)第48頁/共60頁2.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=–10×6=60VVc=Uca

=4×20=80VVd

=Uda=6×5=30V

設(shè)b為參考點(diǎn)，即Vb=0VVa

=Uab=10×6=60VVc

=Ucb=E1=140VVd

=Udb=E2=90V

bac204A610AE290VE1140V56AdUab

=10×6=60VUcb

=E1=140VUdb

=E2=90V

Uab

=10×6=60VUcb

=E1=140VUdb

=E2=90V

第49頁/共60頁

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)的電位值也將隨之改變；(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(jiǎn)化電路作圖bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd第50