電路的作用與組成部分

電路的作用與組成部分第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日本章要求: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.了解電路的有載工作、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第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日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)信號的傳遞與處理放大器揚(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...輸電線第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日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...輸電線第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日直流電源直流電源:

提供能源信號處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號源:

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)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路的組成：電源，負(fù)載和中間環(huán)節(jié)電源：將非電能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，

例如：發(fā)電機(jī)、干電池負(fù)載：將電能轉(zhuǎn)換成非電能的裝置例如：電動(dòng)機(jī)、電爐、燈中間環(huán)節(jié)：連接電源和負(fù)載的部分，起傳輸和分配電能的作用。例如：輸電線路第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日簡單電路：S電源中間環(huán)節(jié)負(fù)載E第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日復(fù)雜電路：

第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日發(fā)電機(jī)電燈電動(dòng)機(jī)電爐升壓變壓器降壓變壓器輸電線電源中間環(huán)節(jié)負(fù)載第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日我們常將具有一定功能的電路視為一個(gè)系統(tǒng)。對一個(gè)系統(tǒng)而言，電源（或信號源）的作用稱為激勵(lì)，由激勵(lì)引起的結(jié)果（如某個(gè)元件上的電流、電壓）稱為響應(yīng)。激勵(lì)和響應(yīng)的關(guān)系就是作用和結(jié)果的關(guān)系，往往對應(yīng)著輸入與輸出的關(guān)系。第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

分析“電路”問題的

核心點(diǎn)任何電路，都是在電動(dòng)勢、電壓或電流的作用下進(jìn)行工作的，對于電路的分析和計(jì)算就是要討論電壓、電動(dòng)勢和電流狀態(tài)以及它們之間的關(guān)系。即討論響應(yīng)的狀態(tài)及與激勵(lì)的關(guān)系電第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.2

電路模型（circuitmodel)

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)際電路相對應(yīng)的電路模型。實(shí)際電路都是根據(jù)人們的需要將實(shí)際的電路元件或器件搭接起來，以完成人們的預(yù)想要求。如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電阻器及電容器等，但是，實(shí)際元器件的電磁特性十分復(fù)雜。為便于對電路的分析和數(shù)學(xué)描述，常將實(shí)際元器件理想化（即模型化）第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日理想電路元件：在一定條件下，突出其主要電磁性，忽略次要因素，將實(shí)際電路元件理想化（模型化）。電路模型：由理想電路元件所組成的電路，就是實(shí)際電路的電路模型。第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日手電筒的電路模型例：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。第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日手電筒的電路模型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)定的圖形符號表示。第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路與電路模型實(shí)際電路：電路模型：導(dǎo)線開關(guān)電池?zé)襞?R0R開關(guān)E干電池電珠S導(dǎo)線開關(guān)電池+R0R開關(guān)E干電池電珠SI第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日電阻(resistance)R電感(inductance)L電容(capacitance)C電壓源(voltagesource)電流源(currentsource)Is常用理想元件如下：E第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路的基本物理量1.電流(current)概念:電荷有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)大小:單位時(shí)間通過導(dǎo)體橫截面的電荷量方向:正電荷移動(dòng)的方向單位:安培(A)

毫安(mA)微安(A)

abSIabi=dq/dt

I=q/t

(直流)第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.電壓(voltage)

ab兩點(diǎn)間的電壓Uab在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功。abEbaIUabUab=Va-Vb單位：伏特(V) 千伏(kV)毫伏(mV)第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.電位（electricpotential)

電路中某點(diǎn)的電位就是該點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的電壓，數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從該點(diǎn)移到參考點(diǎn)所做的功。參考點(diǎn)用或表示。

Va=Uao第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日4.電動(dòng)勢（electromotiveforce)abEbaIUab電源的電動(dòng)勢Eba在數(shù)值上等于電場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。單位：電動(dòng)勢與電壓的單位相同。為伏特(V)第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.3

電壓和電流的參考方向物理中對基本物理量規(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第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路分析中的假設(shè)正方向（參考方向）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第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日解決方法(1)在解題前先設(shè)定一個(gè)正方向，作為參考方向；(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，則實(shí)際方向與假設(shè)方向一致；若計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則實(shí)際方向與假設(shè)方向相反。(2)根據(jù)電路的定律、定理，列出物理量間相互關(guān)系的代數(shù)表達(dá)式；第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日(2)參考方向的表示方法電流：Uab

雙下標(biāo)電壓：

(1)參考方向IE+_在分析與計(jì)算電路時(shí)，對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+–abU

U+_第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日實(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)系注意：在參考方向選定后，電流(或電壓)值才有正負(fù)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(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。第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日參考方向：人為規(guī)定的方向。關(guān)聯(lián)的參考方向：U=IR非關(guān)聯(lián)的參考方向：U=-IR

UIUI第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日abaaabbbII+-+-+--UU+實(shí)際方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H極性實(shí)際極性I>0I<0U>0U<0(a)(b)(c)(d)第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：如圖，設(shè)I=1A,則Iab=?(1)+1A(2)-1AabRI第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日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：①式前的正負(fù)號由U、I

參考方向的關(guān)系確定；②

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=IR

U=–IR第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日解：對圖(a)有,U=IR例：應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。對圖(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6V

I(a)(b)I–2A第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日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/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。第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日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特征: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電源的外特性EUI0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)。第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日開關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。負(fù)載端電壓U=IR特征:

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?；騏=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+

-I第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日電源與負(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）。第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日規(guī)定正方向的情況下電功率的寫法IUP=如果UI方向不一致寫法如何？電壓電流正方向一致aIRUb第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日規(guī)定正方向的情況下電功率的寫法aIRUb電壓電流正方向相反P=–UI功率有正負(fù)？第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日吸收功率或消耗功率（起負(fù)載作用）若P0輸出功率（起電源作用）若P0電阻消耗功率肯定為正電源的功率可能為正（吸收功率），也可能為負(fù)（輸出功率）功率有正負(fù)第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日電源與負(fù)載的判別:

關(guān)聯(lián)的參考方向：P=UI非關(guān)聯(lián)的參考方向：P=-UI若P>0

表明元件是吸收功率是負(fù)載

若P<0

表明元件是發(fā)出功率是電源

第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日含源網(wǎng)絡(luò)的功率IU+-含源網(wǎng)絡(luò)P=UI電壓電流正方向一致P=–UI電壓電流正方向不一致IU+-含源網(wǎng)絡(luò)第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日當(dāng)計(jì)算的P>0

時(shí),則說明U、I的實(shí)際方向一致，此部分電路消耗電功率，為負(fù)載。

所以，從P的+或-可以區(qū)分器件的性質(zhì)，或是電源，或是負(fù)載。結(jié)論在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)，如果假設(shè)U、I

正方向一致。當(dāng)計(jì)算的P<0

時(shí),則說明U、I的實(shí)際方向相反，此部分電路發(fā)出電功率，為電源。第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日電氣設(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第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：如圖，已知U1=14V,I1=2A,U2=10V,I2=1A,

U3=-4V,I4=-1A,求各方可框電路中的功率，并說明是吸收功率還是發(fā)出功率。342U1I1U3I4I2U21第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日解：P1=–U1I1=-14×2=–28W

P2=U2I2=10

×1=10WP3=-U3I1=-(-4)

×2=8WP4=-U2I4=-10

×(-1)=10WP1+P2+P3+P4=(-28)+10+8+10=0驗(yàn)算：滿足∑P=0:結(jié)果正確

第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日特征:開關(guān)斷開

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+

-第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電源外部端子被短接

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

=02.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+

-第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日【思考與練習(xí)】1-5-3額定值為1W、100的碳膜電阻，在使用時(shí)電流和電壓不得超過多大值？答：由功率P與電阻R的關(guān)系公式P=I2R或P=U2/R可得：電流I=√P/R=(1/100)1/2=0.1A同理：電壓U=√PR=(1×100)1/2=10V第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日【思考與練習(xí)】1-5-6有一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，其名牌上標(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)行和過載運(yùn)行？負(fù)載的大小，一般指什么而言？答：空載運(yùn)行

指發(fā)電機(jī)對外開路，無功率輸出；

輕載運(yùn)行指發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載取用功率小于或遠(yuǎn)小于額定功率的40kW，或輸出電流小于或遠(yuǎn)小于174A；

滿載運(yùn)行

發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載取用功率基本與發(fā)電機(jī)額定功率(40kW)相當(dāng)；

過載運(yùn)行負(fù)載從發(fā)電機(jī)取用的功率大于發(fā)電機(jī)的額定功率，這種情況對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行有較大危害。負(fù)載的大小一般指負(fù)載從電源取用功率的大小。顯然，此時(shí)R愈小負(fù)載愈大，反之亦然。第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日

1.6

基爾霍夫定律支路：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)。回路：由支路組成的閉合路徑。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E1123第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日例1：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第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

基爾霍夫電流定律(KCL定律)

Kirchhoff’scurrentlaw(KCL)

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)?；?Ｉ=0I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E1對結(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。第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日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)I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日在任一瞬間，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。

基爾霍夫電壓定律（KVL定律)

Kirchhoff’svoltagelaw(KVL)1．定律即：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。對回路1：對回路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。第五十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：電路如圖，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律列出回路方程。++--I3R3E3R2I2E2I1R1解：-I1R1–E2+I2R2+E3–I3R3=0或-I1R1+I2R2–I3R3=E2–E3

第五十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日推廣應(yīng)用于部分電路

R0+-IUEU=E–IR0第五十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日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)前符號的確定：

如果規(guī)定電位降取正號，則電位升就取負(fù)號。3.開口電壓可按回路處理

注意：1對回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_第五十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：對網(wǎng)孔abda：對網(wǎng)孔acba：對網(wǎng)孔bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–

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

=0adbcE–+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I第五十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日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。第五十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日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