第1章電路的基本概念與基本定律

第1章電路的基本概念1本章要求1.了解電路模型概念，掌握電路基本物理量的參考方向。2.掌握歐姆定律。4.掌握電路基本元件的電壓電流關(guān)系、功率和能量。本章要求5.掌握基爾霍夫電流定律和電壓定律。3.理解電路的工作狀態(tài)。2主要內(nèi)容1.1電路的構(gòu)成與作用1.2電路的基本物理量1.4電路的工作狀態(tài)1.5基爾霍夫定律主要內(nèi)容1.3歐姆定律3電路是電流的通路。主要由三部分組成：電源、負載和中間控制環(huán)節(jié)。1.1電路的構(gòu)成與作用

1電路的構(gòu)成

1.1電路的構(gòu)成與作用負載中間環(huán)節(jié)電源非電能→電能開關(guān)、繼電器、變壓器、輸電線和保護裝置等電能→非電能4

2電路的作用

（1）實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)電能的傳輸，輸送給各用電設(shè)備。將電能轉(zhuǎn)換成光能、熱能和機械能等。（2）實現(xiàn)信號的傳遞和處理。1.1電路的構(gòu)成與作用51.1電路的構(gòu)成與作用3電路模型

在一定條件下，只考慮實際電路元件(電氣設(shè)備)的主要電磁性能，忽略次要因素，近似地用理想電路元件來描述。61.1電路的構(gòu)成與作用理想電路元件主要有四種：

理想電阻元件理想電感元件理想電容元件理想電源元件這些元件可以分別由相應(yīng)的性能參數(shù)表征。用理想電路元件描述實際電路的主要電磁性能，就構(gòu)成了實際電路的電路模型。71.1電路的構(gòu)成與作用充電電池是電源元件，參數(shù)為電動勢E和內(nèi)阻R0；充電手電筒:

由充電電池、LED燈泡、開關(guān)和連接線組成。

手電筒的電路模型LED燈泡是電阻元件，參數(shù)為電阻R；導(dǎo)線和開關(guān)連接電池和燈泡的中間環(huán)節(jié)。81.1電路的構(gòu)成與作用激勵（電源提供的電動勢、電流）響應(yīng)（負載端的電壓和電流）電路分析注意：在本課程中，絕大部分是進行電路分析。9電路設(shè)計1.2

電路的基本物理量

1電路基本物理量的實際方向

1.2電路的基本物理量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kA、A、mA、μA低電位

高電位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV電位V（有參考點）10指電荷在電場力的作用下進行的定向移動。描述電場力對電荷做功的能力。電壓Uab在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從電場內(nèi)的a點經(jīng)外電路移到b點所做的功。將單位正電荷從a點移到無窮遠（無窮遠處電位為零）所做的功，稱為a點的電位。用于衡量電源力對電荷做功的能力。電動勢Eba在數(shù)值上等于電源力把單位正電荷從電源的低電位端b經(jīng)電源內(nèi)部移到高電位端a所做的功。電流的參考方向表示:用箭頭（或雙下標(biāo)）。在分析和計算電路時，需要先假定電流的參考方向，然后計算電流。

2電流

電流的計算結(jié)果若為正值，說明電流的實際方向和參考方向一致；若為負值，說明電流的實際方向和參考方向相反。1.2電路的基本物理量11電位用符號V加下標(biāo)表示。在電路中選擇一點為參考點（設(shè)該點電位為零）。電位是相對的，所以電路中某點電位的大小，與參考點的選擇有關(guān)。

3電位

在計算電壓時，也要先假定一個電壓的參考方向，然后進行計算。電壓的計算結(jié)果為正值，說明電壓的實際方向和參考方向相同；電壓為負值，說明電壓的實際方向和參考方向相反。

4電壓

1.2電路的基本物理量12電壓的參考方向表示：用“+”“-”或者雙下標(biāo)。在分析計算電路時，要先假定電源電動勢的參考方向。若電動勢的實際方向與參考方向相同，則為正值；若電動勢的實際方向與參考方向相反，則為負值。

4.電動勢

電動勢的參考方向用“+”“-”表示。1.2電路的基本物理量13

【例1.1】在如圖所示電路中，已知

，電阻R兩端的電壓為2.8V，通過的電流為0.28A，求在不同參考方向下電壓、電流的值。電壓的參考極性與實際極性相反，為負值

解：在電路圖上所標(biāo)的電流、電壓和電動勢的方向，都是參考方向。

注意：假定的參考方向盡量和實際方向一致。

電壓U的參考極性與實際極性一致，為正值1.2電路的基本物理量電流I

的參考方向與實際方向一致，為正值電流的參考方向與實際方向相反，為負值141.3歐姆定律1.3歐姆定律1826年，德國科學(xué)家歐姆提出了歐姆定律：

流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比。歐姆定律的表達式為

注意:(1)反映了電路中電阻兩端電壓和通過電流的約束關(guān)系。

(2)不僅反映了電阻電壓和電流的大小關(guān)系，而且體現(xiàn)了電壓和電流的參考方向關(guān)系。151.4電路的工作狀態(tài)

1有載工作狀態(tài)

1.4電路的工作狀態(tài)

(1)電壓和電流關(guān)系

根據(jù)歐姆定律：電壓的外特性曲線：電源內(nèi)阻一般很小，當(dāng)時，。16

(2)功率與功率平衡

所以：電路的功率平衡式在一個電路中，電源產(chǎn)生的功率與負載取用的功率和內(nèi)阻上損耗的功率是平衡的。1.4電路的工作狀態(tài)單位時間內(nèi)消耗的電能為電功率，計為p(t)或p。或在直流的情況下，有17因為：簡寫為：電路中的電阻元件總是消耗電能，永遠是負載。對于電源元件則不一定。

(3)電源與負載的判斷

1.4電路的工作狀態(tài)

按實際方向判斷！18有源負載！

【例1.2】

A、B、C三個電路元件如圖所示。如果電路元件是電池，它在電路中的作用是電源還是負載？并計算各電路元件的功率。1.4電路的工作狀態(tài)19

解：對元件A，電流從高電位流向低電位，吸收功率成為負載。功率為對元件B，電流從低電位流向高電位，發(fā)出功率成為電源。功率為1.4電路的工作狀態(tài)對元件C，電流從低電位流向高電位，發(fā)出功率成為電源。功率為20當(dāng)開關(guān)斷開時，電源處于開路狀態(tài)。當(dāng)電源開路時,

2開路狀態(tài)

1.4電路的工作狀態(tài)當(dāng)電源的兩端由于某種原因而連在一起時，電源發(fā)生短路。

3短路狀態(tài)

21

4電氣設(shè)備的額定值

額定值是電氣設(shè)備制造企業(yè)為了使產(chǎn)品能在給定的工作條件下正常運行，而規(guī)定的正常允許值。

例如：電燈的額定電壓為220V、額定功率為60W。1.4電路的工作狀態(tài)

1.電氣設(shè)備工作時，其電壓、電流和功率的實際值不一定絕對等于它們的額定值，但應(yīng)當(dāng)接近；

注意：額定電壓、額定電流和額定功率用UN、IN和PN表示。

2.在一定電壓下，電源輸出的功率取決于負載的大小。221.5基本電路元件1.5基本電路元件消耗電能儲存電場能量儲存磁場能量產(chǎn)生電能無源元件——

有源元件

依據(jù)其物理性質(zhì)、從能量轉(zhuǎn)換的角度來分析，電路元件包括以下幾類：

1電阻

1.5基本電路元件

(1)電壓和電流關(guān)系

根據(jù)歐姆定律：電阻用R表示。電阻的單位：歐姆(Ω)、千歐(kΩ)、兆歐(MΩ)。線性電阻的伏安特性曲線：24

(2)功率和能量

假設(shè)u和i的參考方向相同，則電阻上的功率為電阻上消耗的電能W>0，電阻是耗能元件。1.5基本電路元件25

2電感

(1)電壓和電流關(guān)系

每匝線圈產(chǎn)生的磁通φ，N匝線圈所產(chǎn)生的磁通為Ψ，稱為磁鏈。

線性電感元件的參數(shù)

L稱為電感（系數(shù)），其大小為磁通和磁鏈的單位：韋伯[韋](Wb)，電感的單位是亨利[亨](H)、毫亨(mH)。1.5基本電路元件26當(dāng)電感元件中磁通φ或電流i

發(fā)生變化時，電感元件中的感應(yīng)電動勢為電感元件的電壓電流關(guān)系為注意：電感元件對直流可視為短路。1.5基本電路元件27電感吸收（存儲）的電能為

在整個能量轉(zhuǎn)換過程中，電感元件不消耗能量，它僅是儲能元件。1.5基本電路元件28

(2)功率和能量

在電壓和電流參考方向相同時，電感元件的功率為

3電容

(1)電壓和電流關(guān)系

電荷q和極板間電壓u的比值作為電容元件的參數(shù)，稱為電容C。電容的單位：法拉[法](F)、微法(μF)或皮法(pF)。當(dāng)電容元件兩端電壓發(fā)生變化時，通過電容的電流為1.5基本電路元件29注意：電容元件對直流相當(dāng)于開路。

(2)功率和能量

在電壓和電流參考方向相同時，電容元件的功率為電容吸收的能量為1.5基本電路元件30在整個能量轉(zhuǎn)換過程中，電容元件不消耗能量，它僅是儲能元件。

4電源任何一個實際電源既可以用電壓源表示，也可以用電流源表示。

(1)電壓源一個電動勢E和一個內(nèi)阻串聯(lián)來，稱為電壓源模型，簡稱電壓源。1.5基本電路元件31根據(jù)電路，可得電壓源開路時，、；短路時，、。

電壓源的外特性當(dāng)時，輸出電壓U恒等于電動勢E，電流I

就完全由負載電阻RL決定——理想電壓源。1.5基本電路元件32兩點確定一條直線實際上理想電壓源是不存在的。但是，當(dāng)時，則內(nèi)阻上壓降，于是，可以認為是理想電壓源。1.5基本電路元件

理想電壓源（恒壓源）的特點:①輸出電壓是恒定的；②輸出電流由負載的大小確定;③凡與理想電壓源并聯(lián)的元件兩端的電壓均等于理想電壓源的電壓.兩端除以R0，可得設(shè)，其電路模型為

(2)電流源對電壓源公式即：電流源用電流IS和電阻R0并聯(lián)表示，稱為電流源模型，簡稱電流源。

當(dāng)(相當(dāng)于R0斷開)時，電流I

恒等于IS，電壓U則由負載電阻RL決定——理想電流源。電流源開路時，、；短路時，、。電流源的外特性1.5基本電路元件35兩點確定一條直線實際上不存在理想電流源。但是，當(dāng)時，則，可以認為是理想電流源。1.5基本電路元件36

理想電流源（恒流源）的特點:①輸出電流是恒定的；②輸出電壓由負載的大小確定;③凡與理想電流源串聯(lián)的元件,其電流均等于理想電流源的電流.1.6基爾霍夫定律1.6基爾霍夫定律1845年，德國物理學(xué)家基爾霍夫提出了基爾霍夫定律。電路的三個概念：支路：流過同一電流的分支。三條支路：baf、fc和def。結(jié)點：三條或者三條以上支路的交點。兩個結(jié)點：點f

和點c?；芈罚弘娐分杏梢粭l或者多條支路所組成的閉合路徑。三個回路：abcfa、cdefc和abcdefa。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含其它支路的回路。兩個網(wǎng)孔：abcfa和cdefc。37

1基爾霍夫電流定律1.6基爾霍夫定律內(nèi)容：在任一瞬時，流入任一結(jié)點的電流之和等于流出該結(jié)點的電流之和。

基爾霍夫電流定律(簡稱KCL)，用來確定在結(jié)點上的各支路電流關(guān)系。對結(jié)點f可以寫出：基爾霍夫電流定律基于電荷守恒定律和電流的連續(xù)性，反映了電路中任一結(jié)點處各支路電流間制約關(guān)系。381.6基爾霍夫定律廣義結(jié)點—包圍部分電路的假設(shè)閉合面。推廣：1.6基爾霍夫定律解：對結(jié)點a列方程

【例1.3】已知、、、、。求電流、。解得