第1章电路的基本概念与基本定律

1、前言,1,课程性质,本课程,是高等学校理工科非电类专业必修的一门,技术基础课程,2,教学目标,通过本课程的学习，使学生获得电工和电子技术,必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解电工和,电子技术的应用及发展概况，为学习后续课程以及从,事与本专业有关的工程技术等工作打下一定的基础,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,3,学时,多学时,60+20,4,成绩评定,平时（考勤、作业、实验,30,考试,70,5,参考书,少学时,40+16,秦曾煌,主编电工学,第六版上下册,高教,唐介,主编电工学，高教,电工学相关习题解答,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,第,1

2、,章,电路的基本概念与基本定律,1.1,电路的作用与组成部分,1.2,电路模型,1.3,电压和电流的参考方向,1.4,欧姆定律,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.6,基尔霍夫定律,1.7,电路中电位的概念及计算,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,了解电路模型及其理想电路元件的意义；理解电,压、电流参考方向的意义；理解电路基本定律并能正,确应用；了解电源的有载工作、开路与短路状态，并,能理解电功率和额定值的意义；掌握分析与计算简单,直流电路和电路中各点电位的方法,电压和电流的参考方向，基尔霍夫定律，电路中,电位的概念及计算,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页

3、,退,出,本章内容比较简单，无难点,4,学时,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.1,电路的作用与组成部分,电路是电流的通路,它是为了某种需要由某些电,工设备或元件按一定方式组合起来的,1.1.1,电路的作用,实现电能的传输和转换,发电机,电灯,电动机,电炉,升压,变压器,输电线,降压,变压器,典型例子：电力系统,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.1,电路的作用与组成部分,实现信号的传递和处理,话筒,放大器,扬声器,典型例子：扩音机,1.1.2,电路的组成,电源（信号源）、中间环节、负载,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,

4、1.1,电路的作用与组成部分,电源,供应电能,负载,取用电能,电灯,电动机,电炉,发电机,升压,变压器,输电线,降压,变压器,中间环节,传输和分配电能,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.1,电路的作用与组成部分,信号源,提供信号,负载,接受和转换信号,话筒,放大器,扬声器,中间环节,信号处理,激励,电源或信号源的电压或电流，它推动电路工作,响应,由激励在电路各部分产生的电压和电流,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.2,电路模型,为了便于对实际电路进行分析和用数学描述，将,实际元件理想化（或称模型化），即在一定条件下突,出其主要的电磁性质，忽略

5、其次要因素,由一些理想电路元件或其组合所组成的电路，就,是实际电路的,电路模型,它是对实际电路电磁性质的,科学抽象和概括,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容,元件、二极管、三极管和电源元件等,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.2,电路模型,R,R,P,C,C,L,T,D,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.2,电路模型,U,U,S,I,S,例,手电筒的电路模型,筒体,包括开关,是连接干电池与电珠的中间环节,其电阻忽略不计，认为是一无电阻的理想导体,干电池,是,电源元件,其参数为电,动势,E,和内,电阻,R,o,I,E,S,R,o,U,R

6、,制作群,主,页,电珠,是电阻,元件，其参数,为电阻,R,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.3,电压和电流的参考方向,1.3.1,电流的方向,实际方向,正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方,向,I,参考方向（正方向,任意选定的方向,表示方法,箭头,I,a,R,b,制作群,双下标,I,ab,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.3,电压和电流的参考方向,1.3.2,电压的方向,实际方向,高电位端指向低电位端,参考方向（正方向,任意选定的方向,表示方法,正负极性,a,b,U,s,双下标,U,ab,1.3.3,电动势的方向,实际方向,电源内部由低电位端指向高电位端,电动势与电

7、压的关系,方向相反，数值相等,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.3,电压和电流的参考方向,1.3.4,实际方向与参考方向的关系,实际方向与参考方向一致，电流,或电压,值为正值,实际方向与参考方向相反，电流,或电压,值为负值,例,实际方向,参考方向,a,I,R,b,实际方向,若,I,6A,则电流实际方向为从,a,流向,b,若,I,6A,则电流实际方向为从,b,流向,a,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.3,电压和电流的参考方向,参考方向,a,U,R,b,实际方向,若,U,6V,则电压的实际方向为从,a,指向,b,实际方向与参考方向一致,若,U,

8、6V,则电压的实际方向为从,b,指向,a,实际方向与参考方向相反,参考方向选定后电流,或电压,值才有正负之分,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.3,电压和电流的参考方向,1.3.5,关联参考方向与非关联参考方向,若电压与电流参考方向相同，则为,关联参考方向,反之，则为,非关联参考方向,U,I,R,U,I,R,U,IR,U,IR,本书如未作特殊声明均采用关联参考方向,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.3,电压和电流的参考方向,1.3.1,如图,U,ab,5V,试问,a,b,两点哪点电位高,解,a,点电位低,b,点电位高,1.3.2,如图,U,1

9、,-6V,U,2,4V,试问,U,ab,等于多少伏,解,U,ab,U,1,U,2,6,4,10,V,a,U,1,U,2,b,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.4,欧姆定律,欧姆定律,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比,U,R,I,U,单位：欧姆,例,应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻,R,6,V,U,6,V,I,2,A,R,图,a,I,2,A,R,图,b,U,6,解,图,a,R,3,I,2,U,6,3,图,b,R,I,2,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.4,欧姆定律,线性电阻,遵循欧姆定律的电阻称为,线性电阻,它是,一个表示该段电路

10、特性而与电压和电流无关的常数,U,即,R,常数,I,伏安特性曲线,电阻端电,压与电流的关系,线性电阻的伏安特性,是一条过原点的直线,I,A,o,U,V,线性电阻的伏安特性曲线,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.4,欧姆定律,注意,理想状态下，电压表内阻无穷大,电流表内阻无穷小,1.4.4,为了测量某直流电机励磁线圈的电阻,R,采用了,下图所示的“伏安法”。电压表读数为,220V,电流表读,数为,0.7V,试求线圈的电阻。如果在实验时有人误将,电流表当作电压表，并联在电源上，其后果如何？已,知电流表的量程为,1A,内阻,R,o,为,0.4,解,正确连接时，有,U,220

11、,R,R,o,R,0,4,R,313,9,U,I,0,7,220,1,A,错误连接时，有,I,A,550,A,0,4,制作群,主,页,总目录,A,V,R,电流表中游丝将立即被烧断，电流表损坏,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.5.1,电源有载工作,电压与电流,E,I,R,o,R,I,E,S,R,o,U,R,U,E,R,o,I,U,IR,U,E,当电源内阻,R,o,R,时,则,U,E,表明当电流,负载,变动时电源的端电压变动不大,I,O,这说明它带负载能力强,电源的外特性曲线,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与

12、短路,功率与功率平衡,U,E,R,o,I,UI,EI,R,o,I,2,P,P,E,P,电源输出的功率,电源产生的功率,内阻损耗的功率,在一个电路中，电源产生的功率和负载取用的,功率以及内阻上所损耗的功率是平衡的,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,电源与负载的判别,方法一：根据,U,和,I,的实际方向判别,电源,U,和,I,的实际方向相反，电流从,端流出,发出功率,负载,U,和,I,的实际方向相同，电流从,端流入,取用功率,方法二：根据,U,和,I,的参考方向判别,U,和,I,取,关联参考方向,若,P,UI,0,负载,若,P = UI,0,

13、电源,U,和,I,取,非关联参考方向,若,P,UI,0,电源,若,P,UI,0,负载,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,例,下图所示方框为电路元件，已知,U,AB,50V,I,1,15A,I,2,10A,I,3,-5A,试求电路各元件的功率,并校验功率是否平衡,A,解,I,1,I,2,I,3,U,AB,50V,1,2,3,U,AB,A,点为,B,点为,B,I,1,实际方向与参考方向相同，电流从,端出,1,元件为电源，输出功率为,I,1,15A,P,1,I,1,U,AB,15,50,750,W,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页

14、,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,I,2,10A,I,2,实际方向与参考方向相,同，电流从,端入，,2,I,1,元件为负载，吸收功率为,1,A,I,2,2,B,I,3,3,U,AB,P,2,I,2,U,AB,10,50,500,W,I,3,5A,I,3,实际方向与参考方向相反，电流从,端入,3,元件为负载，吸收功率为,P,3,I,3,U,AB,5,50,250,W,可见负载吸收的功率与电源输出的功率平衡,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,额定值与实际值,额定值,电气设备的,额定电压,额定电流,和,额定功,率,及其他标准使用规定值

15、称为电气设备的额定值,分别用,U,N,I,N,P,N,表示,制造厂在制定产品的额定值时，要全面考虑使,用的,经济性,可靠性,及,寿命,等因素，特别要保证设,备的工作温度不超过规定的,容许值,使用时，电压、电流和功率的,实际值,不一定等,于它们的,额定值,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.5.2,电源开路,当开关断开时,电源处于开路,空载,状态，不输出电能,其特征如下,I,E,S,R,o,U,R,I,0,开路电流为零,电源端电压,即开路电压,U,E,R,o,I,等于电源电动势,P,0,负载功率为零,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页

16、,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.5.3,电源短路,I,当电源的两端被短接时,E,其特征如下,R,o,S,U,R,U,0,电源端电压为零,E,I,I,S,短路电流（很大,R,o,2,P,E,P,R,o,I,电源产生的电能全被内阻所消耗,P,0,负载功率为零,短路通常是一种严重事故，应该尽力预防,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.5,电源有载工作、开路与短路,1.5.4,如图，方框代表电源或负载。已知,U,220V,I,1A,试问哪些方框是电源，哪些是负载,I,I,I,I,U,U,U,U,a,b,c,d,解,a,图,P,UI,220,1,220W

17、0,电源,b,图,P,UI,220,1,220W 0,负载,c,图,P,UI,220,1,220W 0,负载,d,图,P,UI,220,1,220W 0,电源,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.6,基尔霍夫定律,I,1,E,1,a,I,2,R,2,R,3,R,1,1,3,I,3,2,E,2,b,支路,电路中的每一个分支,一条支路流过一个电流，称为支路电流,结点,三条或三条以上支路的连接点,如结点,a,b,回路,由支路组成的闭合路径,如回路,1,2,3,网孔,内部不含支路的回路,如网孔,1,2,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.6,基尔霍夫定律

18、,1.6.1,基尔霍夫电流定律,KCL,定律,定律内容,在任一瞬时，流向某一结点的电流之和等于由该,结点流出的电流之和,即,I,I,I,1,R,1,a,I,2,R,2,i,o,对结点,a,I,1,I,2,I,3,I,I,I,0,1,2,3,I,3,R,3,E,1,E,2,即,I,0,任一瞬时，任一结点上,电流的代数和为零,b,基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一结点上,的各支路电流间关系的，体现了,电流的连续性,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.6,基尔霍夫定律,推广应用,KCL,定律可以推广应用于包围部分电路的任,一假设的闭合面,例,I,A,I,AB,I,B,A,I

19、,CA,I,BC,根据,KCL,定律，分别,对,A,B,C,三个结点列电,流方程,I,A,I,AB,I,CA,C,I,C,B,I,B,I,BC,I,AB,I,C,I,CA,I,BC,I,A,I,B,I,C,0,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,广义结点,制作群,1.6,基尔霍夫定律,1.6.2,基尔霍夫电压定律,KVL,定律,定律内容,在任一瞬时，从回路中任意一点出发，沿回路循,行一周，则在此方向上电位降之和等于电位升之和,在任一瞬时，沿任一回路循行方向,顺时针方向,或逆时针方向,回路中各段电压的代数和恒等于零,即,U,0,对回路,3,E,I,R,E,I,R,2,1,1,1,2,

20、2,I,1,I,2,E,1,R,1,I,3,3,R,2,R,3,E,2,E,1,I,1,R,1,I,2,R,2,0,基尔霍夫电压定律是用,E,2,来确定回路中各段电压间关,系的,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.6,基尔霍夫定律,注意,首先要在电路图上标出各支路电流、电压参考方向,及回路循行方向,应用,U,0,列方程时，支路参考方向与循行方向一,致，则支路电压取正；反之，取负,推广应用,推广应用于回路的部分电路,对回路,1,E,1,B,E,2,E,2,U,BE,I,2,R,2,I,2,R,2,E,2,U,BE,0,制作群,主,R,1,R,2,I,2,1,U,BE,E,

21、下一页,退,出,页,总目录,章目录,上一页,1.6,基尔霍夫定律,例,如图，已知,R,2,20k,R,1,10k,E,2,E,1,6V,U,BE,0.3V,求,I,B,I,2,I,1,解,对回路,1,I,2,R,2,E,2,U,BE,0,I,2,0,315,m,A,对回路,2,E,1,I,1,R,1,I,2,R,2,E,2,0,I,1,0,57,m,A,对结点,a,E,1,I,1,a,I,B,I,2,I,1,I,B,I,B,0,255,m,A,制作群,R,1,E,2,2,R,2,B,I,2,1,U,BE,E,上一页,下一页,退,出,主,页,总目录,章目录,1.6,基尔霍夫定律,题,1,如图，求

22、当开关,S,在位置,1,和位置,2,两种情,况下，通过,5k,电阻中,的电流,I,30V,I,I,1,10V,5,k,2,I,S,2,k,S,1,A,10,k,I,2,20V,答案,3,75mA,2.5mA,5,mA,主,页,总目录,章目录,制作群,上一页,下一页,退,出,1.7,电路中电位的概念及计算,1.7.1,电位的概念,电位,在电路中任选一点为参考点，且设,参考点的,电位为零,则电路中任一点的电位等于该点到参考,点的电压,其它各点的电位同它比较，比它高的为正；比,它低的为负,在电路图中参考点常用符号,标明，表示,公共端、接机壳或接底板,制作群,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退

23、,出,1.7,电路中电位的概念及计算,1.7.2,例,c,20,b,设,a,为参考点,即,V,a,0V,则,V,b,U,ba,10,6,60V,V,c,U,ca,4,20 = 80V,U,cd,V,c,V,d,50V,V,d,U,da,6,5 = 30V,求图示电路中各点,的电位,V,a,V,b,E,1,140V,V,c,V,d,及,U,cd,解,a,5,4A,6A,6,10A,d,E,2,90V,设,b,为参考点,即,V,b,0V,则,V,a,U,ab,10,6 = 60V,V,c,U,cb,E,1,140V,U,cd,V,c,V,d,50V,V,d,U,db,E,2,90V,制作群,主,页

24、,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.7,电路中电位的概念及计算,结论,电路中各点电位值随参考点的不同而不同,电位是,相对的,电路中任意两点间电压大小与参考点的选择无关,电压是绝对的,借助电位的概念可以简化电路作图,c,E,1,140V,20,a,5,4A,6A,6,10A,d,c,20,a,5,d,140V,90V,b,E,2,90V,制作群,6,b,主,页,总目录,章目录,上一页,下一页,退,出,1.7,电路中电位的概念及计算,例,1,图示电路，已知,E,1,6V,E,2,4V,R,1,4,R,2,R,3,2,求,A,点电位,V,A,解,I,3,0,E,1,E,1,6,I,1,I,2,1,A,R,1,R,2,4,2,I,1,R,1,I,2,V,A,R,3,I,3,E,2,R,2,I,2,R,2,E,2,0,4,2,1,V,电流在闭合,路径中流通,制作群,I,3,R,3,A,主,页,总目录,章