電工技術(shù)課件：電路的基本概念與基本定律-

1電路的基本概念與基本定律1.1電路的組成和作用1.2電路中的基本物理量及電流和電壓的參考方向1.3理想電路元件1.4電路的狀態(tài)及電氣設(shè)備的額定值1.5基爾霍夫定律1.6電位的概念及其計(jì)算*1.7受控源2

1.了解電路的作用及其主要組成部分的功能。2.熟練掌握電流和電壓參考方向的概念，了解電路的三種狀態(tài)，理解額定值的意義。3.掌握理想電壓源和理想電流源的特點(diǎn)。4.熟練掌握歐姆定律和基爾霍夫定律，可求解簡單電路。

【本章教學(xué)目標(biāo)與要求】31.1 電路的組成和作用電流流過的通路稱為電路。電路由哪幾部分構(gòu)成呢？1.供給電能的電源2.取用電能的負(fù)載3.中間環(huán)節(jié)

什么是電路呢？4

電路的作用是什么呢？實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換將非電量信號轉(zhuǎn)化為電信號，對電信號進(jìn)行傳遞和處理。5◆實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換化學(xué)能

圖1.1手電筒電路S

干電池?zé)襞莘祷馗呻姵仉娔軣艄饽芎蜔崮?/p>

圖1.1手電筒電路S

干電池?zé)襞?◆將非電量信號轉(zhuǎn)化為電信號，對電信號進(jìn)行傳遞和處理

圖1.2話筒示意圖聲波磁鐵線圈金屬膜片聲波線圈振動感應(yīng)電流在磁場中聲音信號到電信號7圖1.3熱電偶測溫電路

mVABCDA端和C端溫升電子遷移電流B端與D端產(chǎn)生電壓差毫伏表指示溫度81.2電路中的基本物理量及

電流和電壓的參考方向1.2.1電流參考方向：電荷做有規(guī)則的定向運(yùn)動形成了電流。在計(jì)算和分析電路時(shí)，常任意選定一個(gè)方向作為電流的參考方向。習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。定義：單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量9【特別提示】

◆在沒有規(guī)定參考方向的情況下，電流的正負(fù)沒有意義。10【例1-1】圖1.5中所示的電阻、和中，電流、、的參考方向如圖所示。如果，，，試請判斷三個(gè)電流的大小和實(shí)際方向？

dI2圖1.5例1-1cbaR3R2R1I3I1【解】

I1=4A表示電阻中有4A的電流通過，電流的實(shí)際方向與參考方向相同。11

I2=-3A表示電阻中有3A的電流通過，電流數(shù)值為負(fù)，表明該段電路中電流的實(shí)際方向與箭頭所標(biāo)示的參考方向相反，即電流的實(shí)際方向由b端流向c端。dI2圖1.5例1-1cbaR3R2R1I3I1

I3=1A表示電阻中有1A的電流通過，電流的實(shí)際方向由b端流向d端，與參考方向相同。

121.2.2電壓◆電場力把單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功在數(shù)值上就是a點(diǎn)到b點(diǎn)的電壓?！綦妷簩?shí)際方向的規(guī)定：在電場力的作用下，正電荷移動的方向是電壓實(shí)際方向?；蛘哒f電壓的實(shí)際方向是從高電位（正極）指向低電位（負(fù)極）。13參考方向：任選一點(diǎn)的極性為正，另一點(diǎn)的極性為負(fù)，作為電壓的參考極性，從正極指向負(fù)極的方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较颉?41.2.3關(guān)聯(lián)參考方向如果指定流過元件的電流的參考方向是從標(biāo)以電壓正極性的一端指向負(fù)極性的一端，即兩者的參考方向一致，則把電流和電壓的這種參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向。II圖1.7關(guān)聯(lián)參考方向電源負(fù)載UU【特別提示】◆在計(jì)算和分析電路時(shí)，一般將電源的電流和電壓的參考方向取為非關(guān)聯(lián)參考方向，負(fù)載的電流和電壓的參考方向取為關(guān)聯(lián)參考方向。151.2.4電功率和電能電功率定義為單位時(shí)間內(nèi)所完成的功。在時(shí)間間隔

t0到t內(nèi)，傳遞到某元件的電能為當(dāng)電壓與電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，電路元件所吸收的電功率與電壓、電流的關(guān)系為16關(guān)聯(lián)參考方向下，如果電功率P>0，則元件為吸收功率；如果P<0，則元件產(chǎn)生功率。電路元件輸出功率時(shí)，它起電源的作用；電路元件吸收功率時(shí)，它起負(fù)載的作用。17【特別提示】◆在計(jì)算和分析電路時(shí)，第一步就是給定各變量的參考方向，因?yàn)槿魏坞娐贩匠讨挥性诟髯兞烤哂型耆_切參考方向的條件下，才能正確列出。如有需要，可就計(jì)算結(jié)果對照參考方向，了解變量的實(shí)際方向和極性?！粼谂袛嚯娐吩痣娫醋饔眠€是起負(fù)載作用時(shí)，可根據(jù)電壓和電流的實(shí)際方向判斷，如果實(shí)際電壓和電流的方向符合非關(guān)聯(lián)參考方向，則起電源作用；如果實(shí)際電壓和電流的方向符合關(guān)聯(lián)參考方向，則起負(fù)載作用。181.3理想電路元件理想電路元件是實(shí)際電路元件的理想化模型，具有唯一的電磁性質(zhì)。例如電感線圈多少有一點(diǎn)電阻，因而它既有儲存和釋放磁場能量的性質(zhì)，又兼有電阻耗能的性質(zhì)。若將電感線圈的電阻忽略不計(jì)，則可將電感線圈理想化為電感元件。理想電路元件分為理想有源元件與理想無源元件。191.3.1理想無源元件理想無源元件包括電阻元件、電容元件和電感元件三種。電阻元件是耗能元件，電感元件和電容元件是儲能元件。

電阻元件表示電路中消耗電能的元件，電燈、電爐、電阻器等實(shí)際器件，可用電阻元件作模型；電感元件具有儲存和釋放磁場能量的性質(zhì)，各種電感線圈可用電感元件作模型；電容元件具有儲存和釋放電場能量的性質(zhì)，各種電容器可用電容元件作模型。20導(dǎo)體中在一定方向上運(yùn)動的載流子，由于與導(dǎo)體材料的原子（原子離子）不斷碰撞而受到阻礙，導(dǎo)體對電流通過的這種“阻礙”稱為電阻。歐姆定律指出，流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比。當(dāng)電壓、電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)當(dāng)所加電壓一定時(shí)，電阻越大，則電流越小，體現(xiàn)了電阻對電流起阻礙作用的物理性質(zhì)。電阻功率的計(jì)算公式為

21實(shí)物電阻說明：電阻上的環(huán)代表參數(shù)。第一環(huán)和第二環(huán)代表有效數(shù)字（可以查有關(guān)的產(chǎn)品樣本或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書）。第三環(huán)為倍率，第四環(huán)為精度。例：粉色電阻51KΩ（綠色為5，綜色為1，橙色為×1000），精度（金色環(huán)）為±5%；灰色電阻220Ω

精度（金色環(huán)）為±5%；22【例1-2】一個(gè)220伏的電爐，通過電流5.5安，問其電阻為多少？【解】

【例1-3】一個(gè)80V，64W電阻器，正常工作通過的電流是多少？分別接到220V和40V的直流電壓源上，結(jié)果如何？【解】

23如果接到220V的電源上，220V>80V，電阻器不能長期工作，會燒壞。如果接到40V的電源上，因?yàn)殡娮柘牡墓β逝c電阻電壓的平方成正比，則電阻消耗的功率為24【例1-4】求例1-1（I1=4A，I2=-3A,I3=1A）中的電壓

和,其中，。【解】根據(jù)歐姆定律得

電壓的數(shù)值為正，表明電壓的實(shí)際方向與假定的參考方向一致，即b點(diǎn)電位高于d點(diǎn)電位。電壓的數(shù)值為負(fù)，表明電壓的實(shí)際方向與假定的參考方向相反，即b點(diǎn)電位高于c點(diǎn)電位，或者說電壓的實(shí)際方向由b點(diǎn)指向c點(diǎn)。dI2圖1.2.2例1-2-1的圖cbaR3R2R1I3I125理想電壓源

理想電壓源的定義：如果一個(gè)二端元件接到任一電路后，其兩端的電壓總能保持規(guī)定的值us，而與通過它的電流大小無關(guān)，稱此二端元件為理想電壓源。不隨時(shí)間變化的直流電壓源稱為恒壓源，用Us表示。1.3.2理想有源元件26恒壓源的外特性是一條與電流軸平行的直線，如圖1.9所示。

實(shí)際的電壓源本身有內(nèi)電阻，要消耗功率，其兩端的電壓不能保持規(guī)定的值。實(shí)際的電壓源可以看成是理想電壓源與一個(gè)電阻的串聯(lián)。

u圖1.9恒壓源的伏安特性曲線US0i當(dāng)時(shí)，。否則電壓源內(nèi)電阻的影響不能忽略。27如圖1.10所示，電阻R兩端的電壓就是電壓源的輸出電壓U（即電源端電壓），電阻R與電源內(nèi)電阻R0串聯(lián)。圖1.10實(shí)際電源電路IUSR0RU電源內(nèi)部消耗的功率電源產(chǎn)生的功率電源輸出的功率282.理想電流源

理想電流源的定義：如果一個(gè)二端元件接到任一電路后，該元件能夠?qū)ν怆娐诽峁┮?guī)定的電流，而與其兩端的電壓無關(guān)，該二端元件稱為理想電流源。不隨時(shí)間變化的直流電流源稱為恒流源，用表示。29恒流源的外特性為一條與電壓軸平行的直線，如圖1.11所示。IS圖1.11恒流源的伏安特性曲線0iu圖1.12實(shí)際電流源ISR0RI實(shí)際的電流源可以看成是理想電流源與一個(gè)電阻的并聯(lián)，如圖1.12所示。當(dāng)時(shí)，。否則電流源內(nèi)電阻的影響不能忽略。301.4電路的狀態(tài)及電氣設(shè)備的額定值1.4.1通路狀態(tài)通路時(shí)，電源向負(fù)載提供電能，電源處于有載狀態(tài)。311.4.2斷路狀態(tài)

如圖1.13所示，當(dāng)開關(guān)S打開時(shí)，電路中電流為零，稱電路處于斷路（或開路）狀態(tài)。特點(diǎn)：32

當(dāng)某一部分電路的兩端用電阻可以忽略不計(jì)的導(dǎo)線或開關(guān)連接起來，使得該部分電路中的電流全部被導(dǎo)線或開關(guān)所旁路，這一部分電路所處的狀態(tài)稱為短路或短接。baR1圖1.14短路ER0I

R2S1.4.3短路狀態(tài)33開關(guān)S閉合的時(shí)候，電阻被短路，電阻兩端電壓為零。baR1圖1.14短路ER0I

R2Sa點(diǎn)和b點(diǎn)直接相連，這稱為電源短路。短路的特點(diǎn)為被短路的元件兩端電壓為零。產(chǎn)生短路的原因往往是由于絕緣損壞或接線不慎，因此經(jīng)常檢查電氣設(shè)備和線路的絕緣情況是一項(xiàng)很重要的安全措施。此外，還可在電路中接入熔斷器或自動斷路器。341.4.4電氣設(shè)備的額定值

任何一個(gè)電氣元件或設(shè)備，為了達(dá)到最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效能，制造廠對它的工作能力、運(yùn)用性能和使用條件都要用一組技術(shù)數(shù)據(jù)來加以限制和規(guī)定，這些技術(shù)數(shù)據(jù)就稱為額定值。

額定電壓、額定電流、額定功率分別用、、表示。351.5基爾霍夫定律基爾霍夫定律是分析計(jì)算電路的基本定律，又分為：基爾霍夫電流定律基爾霍夫電壓定律36支路：流過同一電流的分支稱為一條支路。圖1.15中共有三條支路。節(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。如圖1.15所示，圖中共有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：a，b?；芈罚弘娐分杏扇舾蓷l支路組成的閉合路徑稱為回路。圖1.15中有三個(gè)回路：abca，adba和cadbc。網(wǎng)孔：未被其他支路分割的單孔回路稱為網(wǎng)孔。圖1.15中有兩個(gè)網(wǎng)孔：cabc，adba。圖1.15支路、節(jié)點(diǎn)、回路US1US2R1R2bdacR3ab371.5.1基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律（Kirchhoff’sCurrentLaw，縮寫為KCL）。可敘述為：在任一瞬時(shí)，流向某一節(jié)點(diǎn)的電流之和應(yīng)該等于由該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。圖1.16基爾霍夫電流定律示例i4i3i2i5i1或即38基爾霍夫電流定律通常用于節(jié)點(diǎn)，但也可推廣于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的任一假設(shè)的閉合面上。如圖1.17所示晶體管中，對點(diǎn)劃線所示的閉合面來說，三個(gè)電極電流的代數(shù)和等于零圖1.17晶體管ibicieecb39【例1-5】在圖1.18所示電路中，已知IS＝5A，I1＝3A，I3＝-1A，求I4。圖1.18例1-5圖R1USI4I2R3I3R2I1ISab【解一】對節(jié)點(diǎn)a對節(jié)點(diǎn)b【解二】假想一個(gè)閉合面包圍a、b節(jié)點(diǎn)401.5.2基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律常寫成KVL（Kirchhoff’sVoltageLaw）。任一時(shí)刻，對于任一電路中的任一閉合回路，沿任意給定繞行方向，組成該回路的所有支路電壓的代數(shù)和等于零。KVL也可以理解為：對于電路中的任一閉合回路，沿任意給定的繞行方向，在這個(gè)方向上的電位降之和應(yīng)該等于電位升之和。41 圖1.19中給出了某電路的一個(gè)回路，設(shè)順時(shí)針方向?yàn)槔@行方向，按圖中給定的各個(gè)元件電壓的參考方向，并且規(guī)定電位降取正號，電位升取負(fù)號，則圖1.19基爾霍夫電壓定律示例UR2US1UR1US2UR3或：42KVL定理的推廣 可將KVL推廣應(yīng)用于任何一個(gè)假想閉合的一段電路。如圖1.20所示電路，求a點(diǎn)和c點(diǎn)間的電壓。圖1.20虛擬回路abcusuR1uLuR2uCuac假想abca為一個(gè)閉合回路，設(shè)繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針，如圖中虛線所示，運(yùn)用KVL得43【例1-6】有一閉合回路如圖1.21所示，已知Uab＝3V，Ubc＝9V，Uad=7V，US=12V，求電壓Ubd，Udc。321圖1.21例1-6的電路abcdUabUbcUadUdcUbdUS【解】回路1中運(yùn)用KVL，繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針則：求解電壓Udc，可以在不同的回路中求解。解法一：在回路2中運(yùn)用KVL，則解法二：在回路3中運(yùn)用KVL，則44【特別提示】

◆基爾霍夫定律給各支路電流和電壓以嚴(yán)格的制約,但它并不涉及電路元件的性質(zhì)。電路中可以有電阻、電容、電感以及電源等電路元件，可以是線性元件，也可以是非線性元件，基爾霍夫定律都適用?！艋鶢柣舴蚨煞从沉擞捎陔娐方Y(jié)構(gòu)所引起的電流間和電壓間的相互制約關(guān)系。這種關(guān)系稱為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的約束，它與各元件自身的電壓電流約束在一起，成為電路分析的兩個(gè)基本關(guān)系。

45【例1-7】如圖1.22所示，，，

,求電流及電壓源和電流源的功率，并說明電源是起電源作用還是起負(fù)載作用。圖1.22例1-7電路R2I1U1U2USISR1I2【解】由KCL有在左網(wǎng)孔中運(yùn)用KVL由歐姆定律得由（1）（2）（3）（4）解得：（1）（2）（3）（4）46電流的實(shí)際方向由電壓源的高電位端流入，故起負(fù)載作用。電壓源的功率為電流源的功率為電流源的電流由電流源的實(shí)際高電位端流出，故起電源作用。圖1.22例1-7電路R2I1U1U2USISR1I247【例1-8】如圖1.23所示，，，，，求各個(gè)電源的功率，并判斷是起電源作用還是負(fù)載作用?！窘狻吭诠?jié)點(diǎn)a運(yùn)用KCL定律，得在節(jié)點(diǎn)b運(yùn)用KCL定律，得在中間網(wǎng)孔運(yùn)用KVL由歐姆定律有：聯(lián)立上面6個(gè)方程，解得I3R1IS1US圖1.23例1-8電路I4I2R4R3R2IS2abcdR448電壓源的功率為因此電壓源既不起電源作用，也不起負(fù)載作用。電流源兩端電壓電流源的功率為由于其電流的實(shí)際方向由電壓源的高電位端流出，故起電源作用。電流源兩端電壓為，功率為由于其電流由電壓源的實(shí)際高電位端流出，故起電源作用。491.6電位的概念及其計(jì)算為了便于分析，有時(shí)在電路中選定一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，而把電路中某點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓稱為該點(diǎn)的電位。規(guī)定參考點(diǎn)為零電位點(diǎn)。參考點(diǎn)的選擇是任意的。選取不同參考點(diǎn)，電路中各點(diǎn)的電位數(shù)值也隨之不同。電路中兩點(diǎn)間的電壓就等于兩點(diǎn)間的電位差。參考點(diǎn)在電路中用“”表示。50【例1-9】如圖1.24（a）所示，兩節(jié)干電池和兩端的電壓，電壓源的電壓。試分別求出當(dāng)a點(diǎn)和d點(diǎn)接地時(shí)，各點(diǎn)的電位和電壓。USE2E1Rabcd(a)USE2E1Rabcd(b)USE2E1Rabcd(c)圖1.24