電路的基本概念與基本定律

關(guān)于電路的基本概念與基本定律第一章電路的基本概念與基本定律1.1

電路和電路模型1.2

電路的基本物理量1.3電阻元件和歐姆定律1.4電壓源和電流源1.6

電路的工作狀態(tài)1.5

基爾霍夫定律第2頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天本章要求: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(kāi)路與短路狀態(tài)，理解電功率和額定值的意義；4.了解實(shí)際電源的兩種模型；5.會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。第一章電路的基本概念與基本定律第3頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天闡明電路的基本約束關(guān)系元件間聯(lián)接關(guān)系的約束元件自身特性的約束基爾霍夫定律元件伏安特性中心內(nèi)容拓?fù)浼s束電磁約束第4頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天§1.1電路和電路模型

(1)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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5頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天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6頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電源直流電源:

提供能源信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等負(fù)載信號(hào)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(hào)源的電壓或電流稱(chēng)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(chēng)為響應(yīng)。第7頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

各種蓄電池和干電池由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。電源第8頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

汽輪發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。第9頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電動(dòng)機(jī)手電鉆吸塵器負(fù)載

實(shí)際的負(fù)載包括電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)工具和家用電器等等。第10頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.電路模型手電筒的電路模型

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(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。例：手電筒R+RoE–S+U–I電池導(dǎo)線燈泡開(kāi)關(guān)

手電筒由電池、燈泡、開(kāi)關(guān)和筒體組成。第11頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天手電筒的電路模型R+RoE–S+U–I電池導(dǎo)線燈泡開(kāi)關(guān)

電池：是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì)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；

中間環(huán)節(jié)：用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。

開(kāi)關(guān)：用來(lái)控制電路的通斷。

今后分析的都是指電路模型，簡(jiǎn)稱(chēng)電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。第12頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電路參數(shù)

實(shí)際電路的形式和作用是多種多樣的。但不論哪一種實(shí)際電路，隨著電流的通過(guò)，電路中總是進(jìn)行著電能與其它形式的能量相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程。三種基本的能量過(guò)程：電場(chǎng)儲(chǔ)能磁場(chǎng)儲(chǔ)能能量損耗

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13頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天磁場(chǎng)儲(chǔ)能能量損耗電場(chǎng)儲(chǔ)能電阻電容電感電路參數(shù)分布參數(shù)電路集中參數(shù)電路第14頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天§1.2電路的基本物理量

物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向一、電路基本物理量的實(shí)際方向+–abUEI物理量實(shí)際方向單位關(guān)系式電流I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向kA、AmA、μAkV、VmV、μV電壓U(電位降低的方向)高電位

低電位kV、VmV、μV電動(dòng)勢(shì)E(電位升高的方向)低電位

高電位kV、VmV、μV電位V電路中某節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)間的電壓第15頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)參考方向的表示方法電流：Uab

雙下標(biāo)電壓：(1)參考方向IUs+_

在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。Iab

雙下標(biāo)二、電路基本物理量的參考方向aRb箭標(biāo)abRI正負(fù)極性+–abUU+_第16頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(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17頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電位：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。三、電位

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(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。第18頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

例1：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

=4×20=80VVd

=Uda=6×5=30V

設(shè)b為參考點(diǎn)，即Vb=0VVa

=Uab=10×6=60VVc

=Ucb=Us1=140VVd

=Udb=Us2=90V

bac20

4A6

10AUs290V

Us1140V5

6A

dUab

=10×6=60VUcb

=Us1=140VUdb

=Us2=90V

Uab

=10×6=60VUcb

=Us1=140VUdb

=Us2=90V

第19頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

結(jié)論：(1)電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選取的不同，電路中

各點(diǎn)的電位也將隨之改變；(2)電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考

點(diǎn)的不同而變，即與零電位參考點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)。借助電位的概念可以簡(jiǎn)化電路作圖bca20

4A6

10AUs290V

Us1140V5

6A

d+90V20

5

+140V6

cd第20頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天例2:

圖示電路，計(jì)算開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)和閉合時(shí)A點(diǎn)的電位VA解:(1)當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)(2)當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),電路如圖（b）電流I2=0，電位VA=0V

。電流I1=I2=0，電位VA=6V

。電流在閉合路徑中流通2K

A+I12k

I2–6V(b)2k

+6VA2k

SI2I1(a)第21頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天四、電路元件的功率1.電功率功率的單位：W(瓦特)能量的單位：J(焦耳)單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)力所做的功。第22頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.電路吸收或發(fā)出功率的判斷

u、i

取關(guān)聯(lián)參考方向P=ui表示元件吸收的功率P>0

吸收正功率(實(shí)際吸收)P<0吸收負(fù)功率(實(shí)際發(fā)出)p=ui

表示元件發(fā)出的功率P>0

發(fā)出正功率(實(shí)際發(fā)出)P<0

發(fā)出負(fù)功率(實(shí)際吸收)

u、i

取非關(guān)聯(lián)參考方向+-iu+-iu第23頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天例：564123I2I3I1++++++—————U6U5U4U3U2U1求：圖示電路中各方框所代表元件消耗或產(chǎn)生的功率。已知：U1

=1V、U2

=-3V、U3

=8VU4

=-4V、U5

=7V、U6

=-3V

I1=2A、I2=1A、I3=-1A解：注：對(duì)一完整的電路，發(fā)出的功率＝消耗的功率，稱(chēng)為能量守恒—第24頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天§1.3電阻元件和歐姆定律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(hào)：①式前的正負(fù)號(hào)由U、I

參考方向的關(guān)系確定；②U、I

值本身的正負(fù)則說(shuō)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，稱(chēng)為關(guān)聯(lián)參考方向。U=IR

U=–IR歐姆定律：流過(guò)電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比第25頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天解：對(duì)圖(a)有,U=IR例：應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。對(duì)圖(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6VI(a)(b)I–2A第26頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電路端電壓與電流的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。

遵循歐姆定律的電阻稱(chēng)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(guò)原點(diǎn)的直線。導(dǎo)體的長(zhǎng)度導(dǎo)體的截面積電阻率第27頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天非線性電阻元件＋－iu

不服從歐姆定律的電阻元，即u–i特性不能用通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線來(lái)表示的電阻元件。電流控電阻元件為單值函數(shù)電壓控電阻元件為單值函數(shù)ui0二極管的伏安特性分類(lèi)第28頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天§1.4電壓源和電流源1、電壓源

電壓源模型由上圖電路可得:U=Us–IR0

若R0=0理想電壓源:U

UsU0=Us

電壓源的外特性IUIRLR0+-UsU+–

電壓源是由理想電壓源Us和內(nèi)阻R0串聯(lián)組成的電路模型。

若R0<<RL，U

Us

，可近似認(rèn)為是理想電壓源。理想電壓源O電壓源第29頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天理想電壓源（恒壓源）例1：(2)輸出電壓是一定值，恒等于電動(dòng)勢(shì)。對(duì)直流電壓，有U

Us。(3)恒壓源中的電流由外電路決定。特點(diǎn):(1)內(nèi)阻R0

=0IUs+_U+_設(shè)

Us=10V，接上RL

后，恒壓源對(duì)外輸出電流。RL

當(dāng)RL=1

時(shí)，U=10V，I=10A

當(dāng)RL=10

時(shí)，U=10V，I=1A外特性曲線IUUsO電壓恒定，電流隨負(fù)載是變化的Us第30頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電壓源的串聯(lián)ab＋－Us1Us2Usn＋－＋－abUs＋－注意:求和是代數(shù)和，注意參考方向是否相同。Us

=Us1+Us2+…+Usn=∑UsK第31頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天＋－abUs1Us2Usn＋－＋－abUS＋－滿足電壓源的并聯(lián)各電源的參考方向相同各電源大小相等第32頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天RabUS＋－電壓源與電阻并聯(lián)＋－ISabUSR電壓源與電阻及電流源并聯(lián)電壓源的并聯(lián)abUS＋－注意：這些并聯(lián)等效都是對(duì)ab端以外的電路等效。第33頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、電流源IRLU0=ISR0

電流源的外特性IU理想電流源OIS

電流源是由電流IS和內(nèi)阻R0并聯(lián)的電源的電路模型。由上圖電路可得:若R0=

理想電流源:I

IS

若R0>>RL，I

IS

，可近似認(rèn)為是理想電流源。電流源電流源模型R0UR0UIS+－第34頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天理想電流源（恒流源)例1：(2)輸出電流是一定值，恒等于電流IS

；(3)恒流源兩端的電壓U由外電路決定。特點(diǎn):(1)內(nèi)阻R0

=

；設(shè)

IS=10A，接上RL

后，恒流源對(duì)外輸出電流。RL當(dāng)RL=1

時(shí)，I=10A，U=10V當(dāng)RL=10

時(shí)，I=10A，U=100V外特性曲線

IUISOIISU+_電流恒定，電壓隨負(fù)載是變化的。第35頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天abIS電流源的并聯(lián)ISnabIS1IS2注意:求和時(shí)是代數(shù)和，注意參考方向是否相同。Is

=Is1+Is2+…+Isn=∑Isk第36頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天abIS1IS2ISnabIS電流源的串聯(lián)滿足各電源的參考方向相同各電源大小相等第37頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天abISR電流源與電阻串聯(lián)電流源與電阻及電壓源串聯(lián)abIS＋－abISRUS電流源的串聯(lián)注意：這些串聯(lián)等效都是對(duì)ab端以外的電路等效。第38頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載負(fù)載端電壓:U=IR

特征:1.負(fù)載狀態(tài)IR0R+

-UsU+

-I①

電流的大小由負(fù)載決定。②在電源有內(nèi)阻時(shí)，I

U

?；騏=Us–IR0電源的外特性UsUI0

當(dāng)

R0<<R時(shí)，則U

Us

，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)?！?.5電路的狀態(tài)第39頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天UI=UsI–I2RoP=Ps

–

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)載增加是指(電壓一定)時(shí)，負(fù)載取用的電流和功率的大小。IR0R+

-UsU+

-功率：①

電流的大小由負(fù)載決定。②在電源有內(nèi)阻時(shí)，I

U

。電源的外特性UsUI0第40頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電源與負(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41頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電氣設(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(guò)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42頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天＋－10V5AN1N2例：計(jì)算二端網(wǎng)絡(luò)N1和N2的電功率解：PN1=10×5=50W網(wǎng)絡(luò)N1吸收的電功率：PN2=－10×5=－50W網(wǎng)絡(luò)N2

發(fā)出的電功率：網(wǎng)絡(luò)N1

吸收的電功率=網(wǎng)絡(luò)N2

放出的電功率功率守恒。第43頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天特征:

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)2.開(kāi)路狀態(tài)I=0電源端電壓

(開(kāi)路電壓)負(fù)載功率U

=U0=EP

=01.開(kāi)路處的電流等于零；

I

=02.開(kāi)路處的電壓U視電路情況而定。電路中某處斷開(kāi)時(shí)的特征:I+–U有源電路IRoR+

-EU0+

-第44頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天電源外部端子被短接3、短路狀態(tài)

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

Ps=

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+

-UsU0+

-第45頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天§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(guò)一個(gè)電流，稱(chēng)為支路電流。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)?；芈罚河芍方M成的閉合路徑。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路。I1I2I3ba+-Us2R2+-R3R1Us1123第46頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天例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)）adbcUs–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I第47頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天1．基爾霍夫電流定律即:

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)。或:Ｉ=0I1I2I3ba+-Us2R2+-R3R1Us1對(duì)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48頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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。推廣：I=?例:廣義結(jié)點(diǎn)I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2

+_+_I5

1

1

5

6V12V第49頁(yè),共54頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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