電路的基本概念和分析方法

電路的基本概念和分析方法第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日本章要求:1.了解電路的基本概念和主要物理量2.理解電壓、電流參考方向和電功率正負值的含義；3.理解電路模型的概念和理想電路元件的特性以及實際電源的兩種電路模型；4.掌握基爾霍夫定律，并能運用支路電流法、疊加定理和戴維南定理分析直流電路。5、理解電路最大功率的意義。第1章電路的基本概念和分析方法第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1.1

電路及其主要物理量一.電路的概念電路是電流的通路，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。電路主要由電源、負載和中間環(huán)節(jié)（開關(guān)和導(dǎo)線）等三部分組成。+R0R開關(guān)EI電珠+U干電池導(dǎo)線電源:

提供電能的裝置負載:取用電能的裝置第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日電路模型實際電路

手電筒由電池、燈泡、開關(guān)和筒體組成。例：手電筒第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日電路按其功能分為兩大類：一類是為了實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換，例如：照明、手電筒；另一類是實現(xiàn)電信號的傳遞和轉(zhuǎn)換，例如：通信線路。發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐...輸電線第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日

直流電源直流電源:

提供能源負載信號源:

提供信息放大器揚聲器話筒信號處理：放大、調(diào)諧、檢波等第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日二.電路的主要物理量1、電流2、電壓3、電位4、電動勢5、電能和電功率第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1.電流（電流強度）

帶電粒子（電荷）的定向移動形成電流。電流的大小等于單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。電流分為兩類：恒定電流，簡稱直流，用I表示。交變電流，簡稱交流，用i表示。習(xí)慣上，我們規(guī)定正電荷移動的方向或負電荷移動的反方向為電流的實際方向。

第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日在交流電路中，電流是隨時間變化的，在圖中也無法表示其實際方向。為了解決這一問題，需引入電流的參考方向這一概念。電流的參考方向，就是在分析計算電路時，先任意選定某一方向，作為待求電流的方向，并根據(jù)此方向進行分析計算。電流參考方向與實際方向

第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2.電壓（恒定電場力做功的本領(lǐng)）

在電路中，電場力把單位正電荷（q）從a點移到b點所做的功（W）就稱為a、b兩點間的電壓，也稱電位差，電壓分為兩類：恒定電壓，簡稱直流電壓，用U表示。交變電壓，簡稱交流電壓，用u表示。電壓的單位為伏特（V）。電壓的實際方向習(xí)慣上規(guī)定從高電位指向低電位，即電壓降的方向。其方向可用箭頭表示，也可用“+”“-”極性表示，如圖所示。也可用雙下標表示，如表示a指向b。

電壓參考方向的設(shè)定

第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日在分析計算電路時，電壓和電流參考方向的假定，原則上是任意的。但為了方便起見，元件上的電壓和電流常取一致的參考方向，這成為關(guān)聯(lián)參考方向。a)關(guān)聯(lián)參考方向U=RIb)非關(guān)聯(lián)參考方向U=-RI式中的正負號由它們的參考方向是否一致來決定。第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3.電位電位是衡量電路中各點所具有的電位能大小的物理量它在數(shù)值上等于電場力將單位正電荷從該點移動到參考點所做的功。電壓與電位的關(guān)系：Uab=Va-Vb

參考點的選擇不同，電路中各點的電位也不同，但任意兩點間的電位差不變。電子線路中，往往不再把電源畫出而改用電位標出。第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日4.電動勢在電路中，電源力把單位正電荷由低電位點B經(jīng)電源內(nèi)部移到高電位點A克服電場力所做的功，稱為電源的電動勢。電動勢用E或e表示。電動勢的單位也是伏特（V）。Eba=Va-Vb電壓與電動勢的不同點：◆電動勢與電壓的物理意義不同。◆電壓是衡量電場力做功的能力，而電動勢是衡量電源力做功的能力?！綦妱觿菖c電壓的實際方向不同?！綦妱觿莸姆较蚴菑牡碗娢恢赶蚋唠娢?，而電壓的方向則從高電位指向低電位?！綦妱觿葜淮嬖谟陔娫吹膬?nèi)部。第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5.電能和電功率

在時間t內(nèi)電荷Q受電場力作用從a點經(jīng)負載移動到b點，電場力所做的功為:W=UQ=It

單位時間內(nèi)消耗的電能稱為電功率：P=W/t=UI

國際單位制中，功的單位是焦耳（J）功率的單位是瓦特（W）判斷功率的性質(zhì)：

◆當U和I的實際方向相同（P=UI為正值），則該元件是消耗（取用）功率，屬負載性質(zhì)◆當U和I的實際方向相反（P=UI為負值），則該元件是輸出（提供）功率，屬電源性質(zhì)

例：2-1第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日一.理想電路元件三種基本的能量轉(zhuǎn)換：

◆電能的消耗：理想電阻元件◆磁場能的消耗：理想電感元件◆電場能的儲存：理想電容元件電能的產(chǎn)生：◆理想電壓源◆理想電流源1.2

電路基本元件及其伏安特性第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1．電阻元件電阻是電路中不可缺少的元件，它是一個理想元件，也就是說在不考慮其它電磁現(xiàn)象的情況下，僅剩其電阻性質(zhì)的元件。流過線性電阻的電流與其兩端的電壓成正比，即：U=RIR

ui0ui伏安特性：線性電阻第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日電阻不是常數(shù)，而是隨著電壓或電流而變動，就稱為非線性電阻。電阻的兩種表示方法：◆靜態(tài)電阻（或直流電阻）R=U/I◆動態(tài)電阻（或交流電阻）第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日在國際單位制中，電阻的單位是歐姆（Ω）較大的單位有千歐（KΩ）、兆歐（MΩ）電阻元件取用的功率為:p=ui=i2R=u2/R

電阻元件總是消耗電功率的，與電流、電壓實際方向無關(guān)，故電阻是耗能元件。電阻的特性還可以用另一個參數(shù)電導(dǎo)G來表示，電導(dǎo)G表示的是該元件傳導(dǎo)電流的能力。電導(dǎo)與電阻的關(guān)系為：G=1/R單位：西門子S用電導(dǎo)表示歐姆定律，可寫成：U=I/G第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2．電感元件iN+–u從模型圖中可以看出，電感器是由一個線圈組成，通常將導(dǎo)線繞在一個鐵心上制作成一個電感線圈。電感線圈在空調(diào)制冷行業(yè)極為廣泛，如互感器、變壓器等。

第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日iL+–ue+–當電感元件中流過穩(wěn)定的直流電流時，因di/dt=0,el=0,故u=0，這時電感元件相當于短路。電感元件中儲存的磁場能量為:電感元件不消耗能量，故稱為儲能元件。第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3．電容元件電容元件作為儲能元件能夠儲存電場能量。電容器是由兩塊金屬極板間充填不同的絕緣介質(zhì)構(gòu)成。原理：當電容器兩端通上電源后，電容器的兩塊金屬極板上將各自聚集等量的異性電荷，極板間建立起電場并儲存了電場能量；當切斷電源時，電容器極板上聚集的電荷仍然存在，這就是電容器充電的過程。

第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日電容等于電容極板上儲存的電量q與外電壓u之比：iC

u因此：電容元件極板間儲存的電場能量為：第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日4．理想電壓源理想電壓源的端電壓為：U=Us理想電壓源的電流I決定與外電路。第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日5．理想電流源理想電壓源的端電壓為：I=Is理想電流源的電流U決定與外電路。例題：1-3第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日二.實際電源的兩種電路模型實際電源的模型應(yīng)有兩部分組成：◆用來表征產(chǎn)生電能的理想元件◆表征消耗電能的理想電阻元件。1.電壓源U=Us-IR0電壓源的端電壓U和輸出電流I都不是定值，都與外電路的情況有關(guān)第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2.電流源直流電壓源的外特性方程U=Us-IR0可改寫為：I=Us/R0-U/R0=Is-U/R0其中Is為短路電流

電流源的輸出電流I和端電壓U也不是定值，也與外電路的情況有關(guān)第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3.電壓源與電流源的等效變換對同一外電路而言，二者的伏安特性相同，那么兩種模型是可以等效變換的。兩種模型等等效變換的條件是：第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日由圖a：U=E－IR0由圖b：U=ISR0

–

IR0IRLR0+–EU+–電壓源等效變換條件:E=ISR0RLR0UR0UISI+–電流源實際電壓源與電流源的等效變換第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日注意事項：例題：1.5◆電壓源是電動勢為Us的理性電壓源與內(nèi)阻R0相串聯(lián)，電流源是電流為Is的理想電流源與內(nèi)阻R0相并聯(lián)?！糇儞Q時極性必須一致。即電流源流出電流的一端與電壓源的正極性端相對應(yīng)?！衾硐腚妷涸磁c理想電流源不能進行等效變換?！艋诶硐腚妷涸措妷汉愣ǖ男再|(zhì)，并聯(lián)在其兩端的元件（電阻、電流源）不影響理想電壓源電壓的大小，故在分析電路時可舍去?；诶硐腚娏髟刺峁┖愣娏鞯男再|(zhì)，串聯(lián)在其支路的元件（電阻、電壓源）不影響；理想電流源的大小，故而在分析電路時可舍去。第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日三.受控電源受控電源共有四種模型：a）電壓控制電壓源（VCVS）b)電流控制電壓源(CCVS)c)電壓控制電流源（VCCS）d)電流控制電流源(CCCS)第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1.3

電路的等效變換在部分電路的外部性能不變的條件下，將該部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電路進行簡化，使之成為結(jié)構(gòu)比較簡單的電路，以便于電路的分析和計算。一.二端網(wǎng)絡(luò)若一個電路不論其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，但最終只有兩個端鈕與外部相連，則稱該電路為二端網(wǎng)絡(luò)。又稱單口網(wǎng)絡(luò)。第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日二.電阻的并聯(lián)若干個電阻首尾相接組成電阻串聯(lián)電路。第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1.3

電路的狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值一.電路的狀態(tài)1、開路（空載）狀態(tài)

在圖示電路中，當開關(guān)K斷開時，電源則處于開路狀態(tài)。電路特性：

◆電流為零I=0?！綦娫炊穗妷旱扔陔娫措妱觿軺oc=E◆電源對外不輸出電流，故：P1=U1I=0；P2=U2I=0第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日2、短路狀態(tài)

在圖示電路中，當電源兩端由于某種原因短接在一起時，電源則被短路。

為了防止短路事故，通常在電路中接入熔斷器或斷路器，以便在發(fā)生短路時能迅速切斷故障電路。電路特性：

◆電源中的電流最大Is=Us/Ro負載電流為零?！綦娫春拓撦d的端電壓均為零◆電源對外不輸出電壓也不輸出電流，故：P1=U1I=0；P2=U2I=0第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日3、負載狀態(tài)

電源與一定大小的負載接通，稱為負載狀態(tài)。電路特性：

◆電路中的電流為：Is=Us/(R0+R)?！綦娫吹亩穗妷簽?U1=Us-IR0◆電源的輸出功率為：P1=U1I=（Us-IR0)I=UsI-I2R0所謂負載的大小指的是負載電流的大小或功率的大小，而不是電阻的大小。第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日二.電氣設(shè)備的額定值為使電氣設(shè)備正常運行，在電氣設(shè)備上都標有額定值，額定值是生產(chǎn)廠為了使產(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。

額定值用帶有下標“N”的字母來表示。如額定電壓和額定電壓和額定電流分別為UN和IN表示。例題：1-6三種運行狀態(tài)欠載(輕載)：I<IN

，P<PN(不經(jīng)濟)

額定狀態(tài)(滿載)：I=IN

，P=PN

(經(jīng)濟合理安全可靠)

過載(超載)：

I>IN

，P>PN(設(shè)備易損壞)第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日

1.4

基爾霍夫定律支路：電路中的每一個分支：3條。一條支路流過一個電流，稱為支路電流。節(jié)點：三條或三條以上支路的聯(lián)接點：a和b點?；芈罚河芍方M成的閉合路徑：3個。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路：2個。I1I2I3123ba+-E2R2+

-R3R1E1第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日例1：支路：ab、bc、ca、…（共6條）回路：abda、abca、adbca…

（共7個）結(jié)點：a、b、c、d

(共4個）網(wǎng)孔：abd、abc、bcd

（共3個）adbcE–+GR3R4R2I2I4IGI1I3IR1第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1．基爾霍夫電流定律（KCL）即:Ｉ入=

Ｉ出

在任一瞬間，流向任一結(jié)點的電流等于流出該結(jié)點的電流。

或:Ｉ=0對結(jié)點a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0ba+-E2R2+

-R3R1E1I1I2I3在應(yīng)用KCL列電流方程時，如果規(guī)定參考方向指向節(jié)點的電流取正號，則背離節(jié)點的電流取負號。第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期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。I=?例:I=0IA+IB+IC=02+_+_I51156V12VIAIBICAIBCIABACBIC廣義結(jié)點第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日在任一瞬間，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。2．基爾霍夫電壓定律（KVL）

即：U=0對回路1：對回路2：

E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2或I1R1+I3R3–E1=0或I2R2+I3R3–E2=012I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E1應(yīng)用上式列電壓方程時，首先假定回路的繞行方向，然后選擇各部分電壓的參考方向，凡參考方向與回路繞行方向一致者，該電壓前取正號；凡參考方向與回路繞行方向相反者，該電壓前取負號。第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1．列方程前標注回路循行方向；U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．應(yīng)用

U=0列方程時，項前符號的確定：參考方向與回路繞行方向一致者，該電壓前取正號；凡參考方向與回路繞行方向相反者，該電壓前取負號。3.開口電壓可按回路處理

注意：對回路1：E1E1UBE+B+–R1+–E2R2I2_第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日例：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，沿逆時針方向循行：–I2R2–I1R1+E

=0adbcE–+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日1.5電路分析方法1.支路電流法支路電流法求解電路的步驟為：①標出支路電流參考方向和回路繞行方向；②根據(jù)KCL列寫節(jié)點的電流方程式；③根據(jù)KVL列寫回路的電壓方程式；④解聯(lián)列方程組，求取未知量。第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期日例題：1-12求：兩臺直流電動機并聯(lián)電路中的負載電流I及每臺發(fā)電機的輸出電流I1和I2。解：參考方向如圖所示。列KCL方程(n-1)：I1+I2=I列KVL方程：（I）R1I1-I2R2