《電工基礎(chǔ)》課件-第一章電路的基本概念和定律

第1章電路的基本概念和基本定律1.1

電路和電路模型1.2

電流電壓及其參考方向1.3

電功率和電能1.4

電阻元件和歐姆定律1.5

電壓源和電流源1.6

基爾霍夫定律1.1

電路和電路模型目的與要求1

了解電路和電路模型的概念2

理解電源、負(fù)載的定義重點(diǎn)

與難點(diǎn)重點(diǎn)：電源、負(fù)載難點(diǎn)：電路模型1.1.1電路(一）1.

電路是電流的流通路徑,它是由一些電氣設(shè)備

和元器件按一定方式連接而成的。復(fù)雜的電路呈網(wǎng)狀,又稱網(wǎng)絡(luò)。

電路和網(wǎng)絡(luò)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是通用的。2.

電路的一種作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。另一種作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。1.1.1電路（二）3.

電源：電路中提供電能或信號(hào)的器件負(fù)載：電路中吸收電能或輸出信號(hào)的器件S開(kāi)關(guān)小燈泡Ri干電池R＋Us－(a)(b)圖1.1

電路的組成1.1.2

理想電路元件1.在一定條件下對(duì)實(shí)際器件加以理想化,只考慮其中起主要作用的某些電磁現(xiàn)象。2.理想電路元件是一種理想化的模型,簡(jiǎn)稱為電路元件。電阻元件是一種只表示消耗電能的元件;電感元件是表示其周圍空間存在著磁場(chǎng)而可以儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件;電容元件是表示其周圍空間存在著電場(chǎng)而可以儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件等。3.對(duì)具有兩個(gè)引出端的元件,稱為二端元件;對(duì)具有兩個(gè)以上引出端的元件,稱為多端元件。1.1.3電路模型實(shí)際電路可以用一個(gè)或若干個(gè)理想電路元件經(jīng)理想導(dǎo)體連接起來(lái)模擬,這便構(gòu)成了電路模型。教學(xué)方法鼓勵(lì)學(xué)生自己找出日常生活中的電源負(fù)載，幫助學(xué)生理解電源、負(fù)載的定義。思考題1.什么叫電路模型？建立電路模型時(shí)應(yīng)注意什么問(wèn)題？2.電工基礎(chǔ)課研究的主要對(duì)象是什么？1.2

電流、

電壓及其參考方向目的與要求1.理解電流、

電壓的參考方向2.會(huì)判斷電流、

電壓的實(shí)際方向重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)

電流、

電壓的參考方向難點(diǎn)

1.參考方向與實(shí)際方向間的關(guān)系2.兩點(diǎn)間電位與電壓的關(guān)系1.2.1

電流及其參考方向（一）1.電流：帶電粒子（電子、離子等）的定向運(yùn)動(dòng),稱為電流。用符號(hào)i表示,即dqi

dt2.

電流的實(shí)際方向：正電荷運(yùn)動(dòng)方向。1.2.1

電流及其參考方向（二）3.直流：當(dāng)電流的量值和方向都不隨時(shí)間變化時(shí),稱為直流電流,簡(jiǎn)稱直流。

直流電流常用英文大寫(xiě)字母I表示。qtI

交流：量值和方向隨著時(shí)間按周期性變化的電流,稱為交流電流,簡(jiǎn)稱交流。常用英文小寫(xiě)字母i表示。1.2.1

電流及其參考方向（三）4.單位：安［培］,符號(hào)為A。常用的單位有千安（kA）,毫安（mA）,微安（μA）等。1A

10

mA

10

A

3

61.2.1

電流及其參考方向（四）5.在分析與計(jì)算電路時(shí),?？扇我庖?guī)定某一方向作為電流的參考方向或正方向。ii參考方向?qū)嶋H方向參考方向?qū)嶋H方向(a)(b)ababiabiba圖1.2

電流的參考方向(c)(d)1.2.2

電壓及其參考方向（一）1.

電路中A、B兩點(diǎn)間的電壓是單位正電荷在電場(chǎng)力的作用下由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所減少的電能,即

W

dWu

limAB

ABAB

q

dq

q

0式中,Δq為由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的電荷量,ΔWAB為移動(dòng)過(guò)程中電荷所減少的電能。1.2.2

電壓及其參考方向（二）2.

電壓的實(shí)際方向：是使正電荷電能減少的方向。電壓的SI單位：是伏［特］,符號(hào)為V。常用的單位：千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV

）等。1.2.2

電壓及其參考方向（三）3.量值和方向都不隨時(shí)間變化的直流電壓,用大寫(xiě)字母U表示。交流電壓,用小寫(xiě)字母u表示。ABAB－＋

uu(a)(b)圖1.3

電壓的參考方向1.2.2

電壓及其參考方向（四）4.若電壓的參考方向與實(shí)際方向一致，電壓為正。若電壓的參考方向與實(shí)際方向相反，電壓為負(fù)。5.分析電路時(shí)，首先應(yīng)該規(guī)定電流電壓的參考方向。1.2.2

電壓及其參考方向（五）6.元件的電壓參考方向與電流參考方向是一致的,稱為關(guān)聯(lián)參考方向。i－＋u圖1.4

電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向1.2.3

電位（一）1.

在電路中任選一點(diǎn),叫做參考點(diǎn),則某點(diǎn)的電位就是由該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。Va

Ua01.2.3

電位（二）2.如果已知a、b兩點(diǎn)的電位各為

,

,則此兩點(diǎn)間的

電壓U

U

U

U

U

V

Vaba00ba00bab即兩點(diǎn)間的電壓等于這兩點(diǎn)的電位的差3.參考點(diǎn)不同，各點(diǎn)的電位不同，但兩點(diǎn)間的電壓與參考點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)。教學(xué)方法通過(guò)自學(xué)的方法引入?yún)⒖挤较虻亩x思考題1.

為什么要在電路圖上規(guī)定電流的參考方向？請(qǐng)說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系？2.電壓參考方向都有哪些表示方法？1.3

電功率和電能目的與要求1.

會(huì)計(jì)算電功率和電能2.會(huì)判斷電源、負(fù)載重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)

電功率和電能的計(jì)算難點(diǎn)

關(guān)聯(lián)參考方向和非關(guān)聯(lián)參考方向下電功率1.功率定義：傳遞轉(zhuǎn)換電能的速率叫電功率，簡(jiǎn)稱功率，用p或P表示。dq

dwi

,u

dt

dqdw

dw

dqp

dt

dq

dtp

u

i2.功率的正負(fù)如果電流、

電壓選用關(guān)聯(lián)參考方向,則所得的p應(yīng)看成支路接受的功率,計(jì)算所得功率為負(fù)值時(shí),表示支路實(shí)際發(fā)出功率。如果電流、

電壓選擇非關(guān)聯(lián)參考方向,p應(yīng)看成支路發(fā)出的功率,即計(jì)算所得功率為正值時(shí),表示支路實(shí)際發(fā)出功率;計(jì)算所得功率為負(fù)值時(shí),表示支路接受功率。3.直流功率P

UI在直流情況下功率的單位為瓦［特］,簡(jiǎn)稱瓦,符號(hào)為W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。4.電能的計(jì)算（一）從t0到t時(shí)間內(nèi),電路吸收（消耗）的電能為t

W

pdtt0W

P(t

t0

)直流時(shí)，

有4.電能的計(jì)算（二）

1kW

h

10

3600

3.6

10

J3

6所有元件接受的功率的總和為零。這個(gè)結(jié)論叫做“電路的功率平衡”。例1.1（一）圖1.5所示為直流電路,U

=4V,

U

=-8V,

U

=6V,

I=4A,123求各元件接受或發(fā)出的功率P

、P

和P

,并求整個(gè)123電路的功率P。＋U1P1－I－U2P2P3＋－＋U3圖1.5

例1.1圖例1.1（二）解：P1的電壓參考方向與電流參考方向相關(guān)聯(lián),故

P

=U

I=4×4=16W

(接受16W)11P

和P

的電壓參考方向與電流參考方向非關(guān)聯(lián),故23P

=U

I=(-8)×4=-32W

(接受32W)22P

=U

I=6×4=24W

(發(fā)出24W)33整個(gè)電路的功率P,設(shè)接受功率為正,發(fā)出功率為負(fù),故P=16+32-24=24WⅣ、教學(xué)方法講授法Ⅴ、思考題1.當(dāng)元件電流，電壓選擇關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，什么情況下元件接受功率？什么情況下元件發(fā)出功率？2.有兩個(gè)電源，一個(gè)發(fā)出的電能為1000kW.h,另一個(gè)發(fā)出的電能為500kW.h。是否可認(rèn)為前一個(gè)電源的功率大，后一個(gè)電源的功率??？1.4

電阻元件和歐姆定律目的與要求1.掌握電阻元件上的歐姆定律2.理解電路短路、開(kāi)路時(shí)的特點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)

歐姆定律、電導(dǎo)難點(diǎn)

1.短路、開(kāi)路2.應(yīng)用歐姆定律時(shí)正負(fù)號(hào)的確定1.電阻元件（一）電阻元件是一個(gè)二端元件,它的電流和電壓的方向總是一致的,它的電流和電壓的大小成代數(shù)關(guān)系。電流和電壓的大小成正比的電阻元件叫線性電阻元件。

元件的電流與電壓的關(guān)系曲線叫做元件的伏安特性曲線。線性電阻元件的伏安特性為通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線,這個(gè)關(guān)系稱為歐姆定律。1.電阻元件（二）uiO圖1.6

線性電阻的伏安特性曲線2.歐姆定律在電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向下,線性電阻元件的伏安特性如圖1.6所示,歐姆定律的表達(dá)式為u

iR(1.7)式中,R是元件的電阻,它是一個(gè)反映電路中電能消耗的電路參數(shù),是一個(gè)正實(shí)常數(shù)。式中電壓用V

表示,電流用A表示時(shí),電阻的單位是歐［姆］,符號(hào)為Ω。電阻的十進(jìn)倍數(shù)單位有千歐（kΩ）、

兆歐（MΩ）等。３.非線性電阻元件??電流和電壓的大小不成正比的電阻元件叫非線性電阻元件。??本書(shū)只討論線性電阻電路。4.電導(dǎo)i

uG令G=1/R,則式（1.7）變?yōu)?1.8)式中,G稱為電阻元件的電導(dǎo),單位是西［門子］,符號(hào)為S。如果線性電阻元件的電流和電壓的參考方向不關(guān)聯(lián),則歐姆定律的表達(dá)式為u

iRi

Gu或5.功率在電流和電壓關(guān)聯(lián)參考方向下,任何瞬時(shí)線性電阻元件接受的電功率為2up

ui

Ri2

Gu2R線性電阻元件是耗能元件。6.焦耳定律如果電阻元件把接受的電能轉(zhuǎn)換成熱能,則從t0到t時(shí)間內(nèi)。電阻元件的熱［量］Q,也就是這段時(shí)間內(nèi)接受的電能W為2uttt

tQ

W

pdt

Ri

dt

dt2Rtt000若電流不隨時(shí)間變化,2UQ

W

P(t

t

)

PT

RI

T

T20R以上兩式稱為焦耳定律。7.兩種特殊情況線性電阻元件有兩種特殊情況值得注意:一種情況是電阻值R為無(wú)限大,電壓為任何有限值時(shí),其電流總是零,這時(shí)把它稱為“開(kāi)路”;另一種情況是電阻為零,電流為任何有限值時(shí),其電壓總是零,這時(shí)把它稱為“短路”。例1.2有220V,

100

W燈泡一個(gè),其燈絲電阻是多少？每天用5h,一個(gè)月（按30天計(jì)算）消耗的電能是多少度？22U

220R

484

解

燈泡燈絲電阻為一個(gè)月消耗的電能為P

100100

10

5

30

15W

PT

3

kW

h

5

1度教學(xué)方法“歐姆定律”在物理課中曾經(jīng)接觸過(guò)，這里可采用先自學(xué)的形式，提出問(wèn)題：電工基礎(chǔ)課中的“歐姆定律”

與物理中的

“歐姆定律”有何不同？思考題1.線性電阻元件的伏安關(guān)系是怎樣的?2.線性電阻元件接受功率的計(jì)算公式有哪些？1.5

電壓源和電流源目的與要求理解理想電壓源、理想電流源的特點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)

理想電壓源、理想電流源的

特點(diǎn)難點(diǎn)

獨(dú)立源、受控源一、電壓源（一）1.電壓源是一個(gè)理想二端元件。它具有兩個(gè)特點(diǎn):(1)電壓源對(duì)外提供的電壓u(t)是某種確定的時(shí)間函數(shù),

不會(huì)因所接的外電路不同而改變,即u(t)=us(t)。(2)通過(guò)電壓源的電流i（t）隨外接電路不同而不同。常見(jiàn)的電壓源有直流電壓源和正弦交流電壓源。一、電壓源（二）i(t)us(t)us(t)＋－＋－UsUm

0.5TTusu(t)0t0t(a)(b)(c)圖1.7

電壓源電壓波形一、電壓源（三）圖1.8是直流電壓源的伏安特性。UUs0I圖1.8

直流電壓源的伏安特性一、電壓源（四）2.電壓為零的電壓源相當(dāng)于短路。p

usi3.由圖1.7(a)知,電壓源發(fā)出的功率為p＞0時(shí),電壓源實(shí)際上是發(fā)出功率；p＜0時(shí),電壓源實(shí)際上是接受功率。二、電流源（一）1.電流源也是一個(gè)理想二端元件,它有以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)電流源向外電路提供的電流i(t)是某種確定的時(shí)間函數(shù),

不會(huì)因外電路不同而改變,即i(t)=is,is是電流源的電流。(2)電流源的端電壓u(t)隨外接的電路不同而不同。2.如果電流源的電流is=Is

(Is是常數(shù)),則為直流電流源。二、電流源（二）iu＋0iIsisu－(a)(b)圖1.9

電流源及直流電流源的伏安特性二、電流源（三）3.電流為零的電流源相當(dāng)與開(kāi)路。p

ui4.電流源發(fā)出的功率為p＞0,電流源實(shí)際是發(fā)出功率;p＜0,電流源實(shí)際是接受功率。5.電壓源和電流源,稱為獨(dú)立源。在電子電路的模型中還常常遇到另一種電源,它們的源電壓和源電流不是獨(dú)立的,是受電路中另一處的電壓或電流控制,稱為受控源或非獨(dú)立源例1.3（一）計(jì)算圖1.10所示電路中電流源的端電壓U1,5Ω電阻兩端的電壓U2和電流源、電阻、電壓源的功率P

,P

,P

。1

2

35

－＋U2＋＋－2

AU1U3＝3V－圖1.10

例1.3圖例1.3（二）解：U2

5

2

10VU

U

U

10

3

13V123電流源的電流、電壓選擇為非關(guān)聯(lián)參考方向,所P

=U

I=13×2=26W

(發(fā)出)以11

s電阻的電流、電壓選擇為關(guān)聯(lián)參考方向,所以P2=10×2=20W

(接受)電壓源的電流、

電壓選擇為關(guān)聯(lián)參考方向,所以P3=2×3=6W

(接受)教學(xué)方法以實(shí)際電池為例來(lái)闡述電壓源的特點(diǎn)思考題1.直流電壓源的電流是怎樣變化的？2.直流電流源的端電壓怎樣確定？舉例說(shuō)明。1.6

基爾霍夫定律目的與要求1.理解支路、節(jié)點(diǎn)、回路、網(wǎng)孔的定義2.掌握基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)

基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律難點(diǎn)

用基爾霍夫定律分析電路基爾霍夫定律是集中參數(shù)電路的基本定律,它包括電流定律和電壓定律一、相關(guān)名詞（1）支路:電路中流過(guò)同一電流的一個(gè)分支稱為一條支路。（2）節(jié)點(diǎn):三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。(3)

回路:由若干支路組成的閉合路徑,其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過(guò)一次,這條閉合路徑稱為回路。(4)網(wǎng)孔:網(wǎng)孔是回路的一種。將電路畫(huà)在平面上,在回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱為網(wǎng)孔。二、

基爾霍夫電流定律（KCL）（一）1.在集中參數(shù)電路中,任何時(shí)刻,流出（或流入）一個(gè)節(jié)

點(diǎn)的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零,這就是基爾霍夫電流定律,簡(jiǎn)寫(xiě)為KCL。二、

基爾霍夫電流定律（KCL）（二）對(duì)圖1.11

中的節(jié)點(diǎn)a,應(yīng)用KCL則有

i

i

i

0（1.14）1

3

4寫(xiě)出一般式子,為

∑i=0把式（1.14）改寫(xiě)成下式,即

i

=i

+i1

3

4二、

基爾霍夫電流定律（KCL）（三）gS5768i3i4i5baci1i2i621349efd圖1.11

電路實(shí)例二、

基爾霍夫電流定律（KCL）（四）2.在集中參數(shù)電路中,任何時(shí)刻,流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)電流之和。3.

KCL原是適用于節(jié)點(diǎn)的,也可以把它推廣運(yùn)用于電路的任一假設(shè)的封閉面。例如圖1.11所示封閉面S所包圍的電路。i

i

i6

2

1三、

基爾霍夫電壓定律（KVL）（一）1.定義：在集中參數(shù)電路中,任何時(shí)刻,沿著任一個(gè)回路繞行一周,所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零,這就是基爾霍夫電壓定律,簡(jiǎn)寫(xiě)為KVL。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為

u

0（1.16）三、

基爾霍夫電壓定律（KVL）（二）2.

在寫(xiě)出式（1.16）時(shí),先要任意規(guī)定回路繞行的方向,凡支路電壓的參考方向與回路繞行方向一致者,此電壓前面取“+”號(hào),支路電壓的參考方向與回路繞行方向相反者,則電壓前面取“-”號(hào)。在圖1.11中,對(duì)回路abcga應(yīng)用KVL,有u

u

u

u

0abbccgga三、

基爾霍夫電壓定律（KVL）（三）3.如果一個(gè)閉合節(jié)點(diǎn)序列不構(gòu)成回路,例如圖1.11中的節(jié)點(diǎn)序列acga,在節(jié)點(diǎn)ac之間沒(méi)有支路,但節(jié)點(diǎn)ac之間有開(kāi)路電壓uac,

KVL同樣適用于這樣的閉合節(jié)點(diǎn)序列,即有u

u

u

0（1.17）accgga三、

基爾霍夫電壓定律（KVL）（四）4.

將式（1.17）改寫(xiě)為u

u

u

u

uaccggaaggc電路中任意兩點(diǎn)間的電壓是與計(jì)算路徑無(wú)關(guān)的,是單值的。所以,基爾霍夫電壓定律實(shí)質(zhì)是兩