第一章 直流電路B

教材（新版）任立紅等，《電工與電子技術》.東華大學出版社參考書秦曾煌，《電工學（下冊）》（第七版）.高等教育出版社邱關源.電路（第五版）.高等教育出版社，2006華成英.模擬電子技術基礎（第四版）.清華大學出版社，2006吳霞，李敏.電路與電子技術仿真與實踐.北京：中國水利水電出版社，2010作業(yè)要求準備兩本作業(yè)本，每周五交/發(fā)作業(yè)作業(yè)助教批，有A、B、C、D等級上課有考勤：簽到or練習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電路的基本物理量1.4電源有載工作、開路與短路1.5電路中電位的概念及計算1.6電阻串并聯(lián)聯(lián)接的等效變換1.7電壓源與電流源及其等效變換本章要求:1.理解電壓與電流參考方向的意義；2.理解電路的基本物理量并能正確應用；3.了解電路的有載工作、開路與短路狀態(tài);4.掌握電功率的計算并判斷物理作用；5.會計算電路中各點的電位。6.了解實際電源的兩種模型及其等效變換。第一章電路的基本概念與基本定律基本詞匯resistance（電阻），inductance（電感），capacitance（電容）circuit（電路），source（電源），voltage（電壓），current（電流），Work（功），power（功率），專業(yè)詞匯電能：energyelectric電場：electricfield電位：electricpotential電位差：electricpotentialdifference電動勢：electromotiveforce電壓源：voltagesource電流源：currentsource電路元件：circuitelement電路模型：circuitmodel結點：node參考點：referencepoint

電阻器：resistor電感器：inductor電容器：capacitor回路：loop支路：branch開路（斷路）：opencircuit短路：shortcircuit直流：directcurrent（DC)交流：alternatingcurrent（AC）專業(yè)詞匯參考電位：referencepotential參考方向：referencedirection參考電壓：referencevoltage伏安特性：volt—amperecharacteristic負載：load歐姆定律：Ohm’slaw基爾霍夫電流定律：Kirchhoff’scurrentlaw基爾霍夫電流定律：Kirchhoff’svoltagelaw戴維寧定理：Thevenin’stheorem等效電路：equivalentcircuit等效電阻：equivalentresistance等效變換：equivalenttransformofcircuit

1.1電路的作用與組成部分

(1)實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉換

(2)實現(xiàn)信號的傳遞與處理放大器揚聲器話筒1.電路的作用電路是為了某種需要由電工設備或電路元件按一定的方式組合而成的，它是電流的通路。

發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐...輸電線2.電路的組成部分:電源、負載、中間環(huán)節(jié)電源:

提供電能的裝置負載:

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)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐...輸電線直流電源直流電源:

提供能源信號處理：放大、調(diào)諧、檢波等負載信號源:

提供信息2.電路的組成部分放大器揚聲器話筒電源/信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路工作；由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應。1.2電路模型手電筒的電路模型為了便于用數(shù)學方法分析電路，一般要將實際電路模型化，用足以反映其電磁性質的理想電路元件或其組合來模擬實際電路中的器件，從而構成與實際電路相對應的電路模型。例：手電筒R+RoE–S+U–I電池導線燈泡開關手電筒由電池、燈泡、開關和筒體組成。理想電路元件主要有電阻元件R、電感元件L、電容元件C和電源元件ES、IS等電路元件電阻電感電容恒壓源恒流源電壓源電流源與恒壓源并聯(lián)的元件，其兩端電壓均等于恒壓源的電壓；與恒流源串聯(lián)的元件，其電流均等于恒流源的電流。恒壓源輸出電壓、恒流源輸出電流由其本身決定；手電筒的電路模型R+RoE–S+U–I電池導線燈泡開關電池是電源元件，其參數(shù)為電動勢E和內(nèi)阻Ro；燈泡主要具有消耗電能的性質，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，認為是無電阻的理想導體。開關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)定的圖形符號表示。幾種常用的電路元件及其符號★1.3電路基本物理量物理中對基本物理量規(guī)定的方向1.電路基本物理量的規(guī)定方向物理量實際方向電流I正電荷運動的方向電動勢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A、mA、μA低電位

高電位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μVI、U、E之間聯(lián)系電荷有規(guī)則的運動，形成電流。大小用電流強度表示，單位：A電荷在電場力作用下移動形成電流，電場力推動電荷運動做功。用“電壓”來衡量電場力對電荷做功能力的大小。單位是V,在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從a點移動到b點所做的功電動勢在數(shù)值上等于電源力把單位正電荷從低電位點移動到高電位點所做的功，單位是V恒壓源的U與E的關系EUEUEUEUE=U=4VE=-U=4V-E=U=4V-E=-U=4V4V(2)參考方向的表示方法電流：Uab雙下標電壓（通常用+，-表示極性）(1)參考方向IE+_在分析與計算電路時，對電量任意假定的方向，稱正方向Iab

雙下標2.電路基本物理量的參考方向aRb箭標abRIU箭標abRU例：圖中紅色標識的都是假定方向（為了分析問題而標定的方向，即參考方向）

+-+-選定參考方向；電流(或電壓)值為正值，實際方向與參考方向一致（關聯(lián)一致）；電流(或電壓)值為負值，實際方向與參考方向相反。3.實際方向與參考方向的關系注意：在參考方向選定后，電流(或電壓)值才有正負之分若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，則電壓的實際方向從a指向b；若U=–5V，則電壓的實際方向從b指向a?！餁W姆定律U=±IR(U和I的關系)U、I參考方向相同時，U、I參考方向相反時，RUIRUI

表達式中有兩套正負號：①式前的正負號由U、I參考方向的關系確定；②U、I值本身的正負則說明U、I的實際方向與參考方向之間的關系。通常取U、I參考方向相同（關聯(lián)一致）。U=IR

U=–IR解：對圖(a)有,U=IR例：應用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。對圖(b)有,U=–IRRU6V2ARU6VI(a)(b)I–2A（電路端電壓與電流的關系稱為伏安特性）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/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的直線。4.功率定義：單位時間內(nèi)電場力所做的功，為電功率。用P來表示，單位W。P=W/T=±UI

當電壓、電流的正方向關聯(lián)一致時，P=+UI；當電壓、電流的正方向不一致時，P=-UI電源與負載的判別（元件作用）U、I參考方向不同，P=-UI

0，負載，消耗功率；P=-UI

0，電源，發(fā)出功率。U、I參考方向相同，P=UI0，負載，消耗功率；

P=UI

0，電源，發(fā)出功率。

1.根據(jù)U、I的實際方向判別2.根據(jù)P值判別（常用）電源：U、I實際方向相反，即電流從“+”端流出（發(fā)出功率）負載：

U、I實際方向相同，即電流從“-”端流出（吸收功率）8V4V1Ω4A-32w16w16w5.簡單電路分析方法(基本概念、基本物理量）基爾霍夫定律：KCL、KVL∑I=0，∑U=0（電路圖中標定參考方向后，方程書寫才有意義）歐姆定律例題6.電位定義電場中或電路中某一點到參考點的電壓，稱為這一點的電位。它是表示電場中或電路中某一點的性質的物理量。參考點很重要，參考點不同，電路中某一點的電位就不同。在同一電路中，參考點只能選定一個。VO=0V選法：電工工程：大地電子電路：導線的交匯點計算:選一路徑，由a到參考點o的壓降舉例：選c點為參考點選b點為參考點結論：電壓：絕對，與參考點的選取無關電位：相對，與參考點的選取有關

1k1kVaVaVbVbVcVc仿真演示

EWB1-5參考方向與電量正負1.4電源有載工作、開路與短路開關閉合，接通電源與負載負載端電壓U=IR特征:一、電源有載工作IR0R+

-UsUI①

電流的大小由負載決定②在電源有內(nèi)阻時，IU或U=Us–IR0電源的外特性UsUI0恒壓源，R0=0，負載變化時，有UUs，即帶負載能力強?！嚯妷涸磧?nèi)阻越小越好，帶負載能力越強開關閉合，接通電源與負載負載端電壓U=IR特征:電源有載工作①

電流的大小由負載決定。②在電源有內(nèi)阻時，IU?；騏=Us–IRoUI=UsI–I2RoP=PUs

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

負載增加指負載取用的電流和功率增加(電壓一定)。IR0R+

-UsU

I功率∑P=0，總功率代數(shù)和等于零。P1=-3W電源PIS=-3W，電源P2=2W，負載P=4W，負載I1=-2AI=-1A電氣設備的額定值額定值:電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值電氣設備的三種運行狀態(tài)欠載(輕載)：I<IN

，P<PN(不經(jīng)濟)

過載(超載)：

I>IN

，P>PN(設備易損壞)額定工作狀態(tài)：I=IN

，P=PN

(經(jīng)濟合理安全可靠)

1.額定值反映電氣設備的使用安全性；2.額定值表示電氣設備的使用能力。例：燈泡：UN=220V

，PN=60W電阻：RN=100

，PN=1W

特征:開關斷開二、電源開路I=0電源端電壓(開路電壓)負載功率U

=U0=UsP

=01.開路處的電流等于零；

I

=0電路中某處斷開時的特征:IU有源電路IRoR+

-UsU0

電源外部端子被短接三、電源短路特征:電源端電壓負載功率電源產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻消耗掉短路電流（很大）U

=0

PUs=P=I2R0P

=01.短路處的電壓等于零；U

=02.短路處的電流I視電路情況而定。電源電壓全部降在內(nèi)阻上，產(chǎn)生很大的短路電流，容易損壞電器設備，加入熔斷器或短路電流保護器等保護措施，發(fā)生事故時自動切斷。電路中某處短路時的特征:IU有源電路IR0R+

-UsU0

電路的三種工作狀態(tài)電路狀態(tài)通路有正常電流開路電路中沒有電流短路電路中存在危險，要損壞導線和電源電氣設備的額定值包括：額定電流、額定電壓、額定功率、額定工作狀態(tài)、輕載狀態(tài)、過載狀態(tài)演示(EWB1-6）

電路的三種工作狀態(tài)斷路短路+-+-四．簡單電路、復雜電路(網(wǎng)絡)中基本概念結點N：電路中三個或三個以上元件的連接點支路B：電路中兩結點之間的每一個分支回路：電路中任一閉合的路徑網(wǎng)孔：電路中未被任何支路分割的最簡單的回路B-（N-1）等效電阻：兩點間經(jīng)串、并聯(lián)等效計算得出的電阻等效變換：不改變電路中外電路的電量，等效表示原電路；等效電路：經(jīng)過等效變換的電路簡單回路：經(jīng)串、并聯(lián)等效變換可化簡為單一回路的復雜電路：不能等效變換為單一回路的有分支的電路有源兩端網(wǎng)絡：含有兩個端口并有電源的部分電路無源兩端網(wǎng)絡：含有兩個端口并不含有電源的部分電路兩結點ab四支路三網(wǎng)孔，六回路三結點五支路（五個不同的電流）c123451.5電路中電位的概念及計算電位：電路中某點A至參考點O的電壓，記為“VA”

。

通常設參考點O的電位為零。VA=UAO1.電位的概念電位的計算步驟:

(1)任選電路中某一點為參考點，設其電位為零；

(2)標出各電流參考方向并計算；

(3)計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位。某點電位為正，說明該點電位比參考點高；某點電位為負，說明該點電位比參考點低。電位2.舉例求圖示電路中各點的電位:Va、Vb、Vc、Vd

。解：設a為參考點，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca

=4×20=80VVd

=Uda=6×5=30V設b為參考點，即Vb=0VVa

=Uab=10×6=60VVc

=Ucb=E1=140VVd

=Udb=E2=90Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab

=10×6=60VUcb

=E1=140VUdb

=E2=90VUab

=10×6=60VUcb

=E1=140VUdb

=E2=90V結論：(1)電位值是相對的，參考點選取的不同，電路中各點的電位也將隨之改變。(2)兩點間的電壓值是絕對的，不會因參考點的不同而變，即與零電位參考點的選取無關。借助電位的概念可以簡化電路作圖，選擇合適的參考點。bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd例1:圖示電路，計算開關S斷開和閉合時A點的電位VA解:(1)當開關S斷開時(2)當開關閉合時,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+I12kI2–6V(b)2k+6VA2kSI2I1(a)例2：電路如下圖所示，(1)零電位參考點在哪里？畫電路圖表示出來。(2)當電位器RP的滑動觸點向下滑動時，A、B兩點的電位增高了還是降低了？A+12V–12VBRPR1R212V–12V–BARPR2R1I解：（1）電路如左圖，零電位參考點為+12V電源的“–”端與–12V電源的“+”端的聯(lián)接處。當電位器RP的滑動觸點向下滑動時，回路中的電流I減小，所以A電位增高、B點電位降低。（2）VA

=–IR1

+12VB

=IR2

–121.6電阻串并聯(lián)聯(lián)接的等效變換1.電阻的串聯(lián)特點:1)各電阻一個接一個地順序相聯(lián)；兩電阻串聯(lián)時的分壓公式：R=R1+R23)等效電阻等于各電阻之和；4)串聯(lián)電阻上電壓的分配與電阻成正比。2)各電阻中通過電流相同；應用：降壓、限流、調(diào)節(jié)電壓等。R1U1UR2U2IRUI2.電阻的并聯(lián)：兩電阻并聯(lián)時的分流公式：(3)等效電阻的倒數(shù)等于各電阻倒數(shù)之和；(4)并聯(lián)電阻上電流的分配與電阻成反比。特點:(1)各電阻連接在兩個公共的結點之間；(2)各電阻兩端的電壓相同；應用：分流、調(diào)節(jié)電流等。I1I2R1UR2IRUI例：US輸出功率R1R2//R3+-USR6R4//R5（R1+R2//R3）//（R4//R5）等效電阻886384244710102571.7電壓源與電流源及其等效變換一、電壓源

電壓源模型由上圖電路可得:U=

U0–IR0

若R0=0理想電壓源:U

EU0=E

電壓源的外特性IUIRLR0+-EU電壓源是由電動勢E和內(nèi)阻R0串聯(lián)的電源的電路模型。

若R0<<RL，U

E，可近似認為是理想電壓源。理想電壓源O電壓源U0

理想電壓源（恒壓源）例1：(2)輸出電壓是一定值，恒等于電動勢。對直流電壓，有U

E。(3)恒壓源中的電流由外電路決定。特點:(1)內(nèi)阻R0

=0IE+_U設

E=10V，接上RL

后，恒壓源對外輸出電流。RL

當RL=1時，U=10V，I=10A當RL=10時，U=10V，I=1A外特性曲線IUEO電壓恒定，電流隨負載變化二、電流源RLU0=ISR0

電流源的外特性IU理想電流源OIS電流源是由恒流源IS和內(nèi)阻R0并聯(lián)的電源的電路模型由上圖電路可得:若R0=理想電流源:I

IS

若R0>>RL，I

IS

，可近似認為是理想電流源。電流源電流源模型R0UR0UIS－I理想電流源（恒流源)例1：(2)輸出電流是一定值，恒等于電流IS；(3)恒流源兩端的電壓U由外電路決定。特點:(1)內(nèi)阻R0

=；設IS=10A，接上RL

后，恒流源對外輸出電壓。RL當RL=1時，I=10A，U=10V當RL=10時，I=10A，U=100V外特性曲線

IUISOIISU電流恒定，電壓隨負載變化。三、電壓源與電流源的等效變換由圖a：

U=E－IR0由圖b：U=ISR0–IR0IRLR0+–EU電壓源等效變換條件:E=ISR0RLR0UR0UISI電流源E與IS的極性一致等效變換時，兩電源的參考方向要一一對應。E、

IS極性要一致；③理想電壓源與理想電流源之間無等效關系。①電壓源和電流源的等效關系只對外電路而言，對電源內(nèi)部則是不等效的。

注意事項：例：當RL=時，電壓源的內(nèi)阻R0中不損耗功率，而電流源的內(nèi)阻R0中則損耗功率。④任何一個電動勢E和某個電阻R串聯(lián)的電路，都可化為一個電流為IS和這個電阻并聯(lián)的電路。R0