第1讲电路的基本物理量、参考方向、理想元件

1、电工与电子技术电工与电子技术电子教案电子教案 授课班级：港口授课班级：港口1103班班 授课教师：广东海洋大学信息学院授课教师：广东海洋大学信息学院 梁能梁能 课程性质课程性质 电工与电子技术电工与电子技术是高等学校理工科非电类专是高等学校理工科非电类专业必修的一门技术基础课程。业必修的一门技术基础课程。 教学目标教学目标 通过本课程的学习，使学生获得电工和电子技术通过本课程的学习，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

2、专业有关的工程技术等工作打下一定的基础。事与本专业有关的工程技术等工作打下一定的基础。 1.1 1.1 电路的基本物理量电路的基本物理量1.2 1.2 电路中的参考方向电路中的参考方向1.3 1.3 理想电路元件理想电路元件1.4 1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.5 1.5 支路电流法支路电流法1.6 1.6 叠加原理叠加原理1.7 1.7 戴维宁定理戴维宁定理111 电路模型电路模型 为了分析研究实际电气装置的需要和方便，常采为了分析研究实际电气装置的需要和方便，常采用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其组合近似用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其组合近似地代替实际的器件，从而构成了与

3、实际电路相对应的地代替实际的器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。电路模型。 具有严格数学定义用来模拟某一电磁现象的元件，具有严格数学定义用来模拟某一电磁现象的元件，称为理想元件。常用理想元件有：电阻、电感、电容、称为理想元件。常用理想元件有：电阻、电感、电容、电压源、电流源、受控源。电压源、电流源、受控源。1. 1 电路的基本物理量电路的基本物理量RCLPRC+DT 用理想元件的组合取代实际电路元器件和设用理想元件的组合取代实际电路元器件和设备所得的理想电路，称为模型电路。通常所说的备所得的理想电路，称为模型电路。通常所说的电路分析，就是对由理想元件组成的模型电路进电路分析，就是对由理

4、想元件组成的模型电路进行分析。行分析。下图是一个最简单的实际电路。它由下图是一个最简单的实际电路。它由3部分组成：部分组成：（1）是提供电能的能源，简称电源；）是提供电能的能源，简称电源；（2）是用电装置，统称其为负载，它将电能转换）是用电装置，统称其为负载，它将电能转换为其他形式的能量；为其他形式的能量；（3）是连接电源与负载传输电能的金属导线，简）是连接电源与负载传输电能的金属导线，简称导线。电源、负载、连接导线是任何实际电路称导线。电源、负载、连接导线是任何实际电路都不可缺少的都不可缺少的3个组成部分。个组成部分。S12一个最简单的实际电路一个最简单的实际电路 3例：例：手电筒的电路模型

5、手电筒的电路模型oRS+-RUE+-IUSU+-SI干电池：干电池：是是电源元件，电源元件，其参数为电其参数为电动势动势 E 和内和内电阻电阻Ro。电珠：电珠：是电阻是电阻元件，其参数元件，其参数为电阻为电阻R。筒体筒体( (包括开关包括开关) )：是连接干电池与电珠的中间环节，：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。其电阻忽略不计，认为是一无电阻的理想导体。USRRS 电路模型图电路模型图将实际电路中各个部件用其模将实际电路中各个部件用其模型符号表示而画出的图形。型符号表示而画出的图形。一个最简单的电路模型图一个最简单的电路模型图 112 电流与电压电流与电

6、压（1）电流）电流 电路中带电粒子的规则移动形成电流。带电粒子电路中带电粒子的规则移动形成电流。带电粒子简称为电荷，导电物质分子失去电子带正电荷，得到简称为电荷，导电物质分子失去电子带正电荷，得到电子带负电荷。电子带负电荷。tqtidd)( 将单位时间内通过某导体横截面积的电量称为将单位时间内通过某导体横截面积的电量称为电流强度，简称为电流，用电流强度，简称为电流，用i表示，即：表示，即： 其中，其中，q为电量，是所带电荷的多少，在国际单位为电量，是所带电荷的多少，在国际单位制中用库仑（制中用库仑（C）表示，且）表示，且1库仑为库仑为6.241018个电子个电子所带的电量。所带的电量。t为时间

7、，在国际单位制中用秒（为时间，在国际单位制中用秒（s）表）表示。示。i为电流在国际单位制中用安培（为电流在国际单位制中用安培（A）表示。）表示。 在中国，习惯上规定正电荷运动的方向为电流的在中国，习惯上规定正电荷运动的方向为电流的实际方向。若电流的数值和方向均不随时间变化，则实际方向。若电流的数值和方向均不随时间变化，则称为恒定电流或直流；若电流的数值和方向随时间变称为恒定电流或直流；若电流的数值和方向随时间变化，则称为时变电流或交变电流，简称交流。化，则称为时变电流或交变电流，简称交流。tqtidd)(（2）电压）电压 电路中单位电荷由电路中单位电荷由A点移动到点移动到B点时所获得或失点时所

8、获得或失去的能量，就称为电压，用去的能量，就称为电压，用u表示，即：表示，即： 其中，其中，w为电荷获得或失去的能量，在国际单位为电荷获得或失去的能量，在国际单位制中用焦耳（制中用焦耳（J）表示。）表示。q为电量，单位为库仑为电量，单位为库仑（C）。电压在国际单位制中用伏特（）。电压在国际单位制中用伏特（V）表示。）表示。qwtvdd)(实际方向：实际方向：正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向。向。1. 2. 1 电流的方向电流的方向参考方向（正方向）：参考方向（正方向）：任意选定的方向。任意选定的方向。Iab 双下标：双下标：表示方法：表示方法：I箭头：

9、箭头：baIR1. 2. 2 电压的方向电压的方向实际方向：实际方向：高电位端指向低电位端。高电位端指向低电位端。参考方向（正方向）：参考方向（正方向）：任意选定的方向。任意选定的方向。Uab 双下标：双下标：1. 2. 3 电动势的方向电动势的方向实际方向：实际方向：电源内部由低电位端指向高电位端。电源内部由低电位端指向高电位端。电动势与电压的关系：电动势与电压的关系：方向相反，数值相等。方向相反，数值相等。表示方法：表示方法：正负极性：正负极性：a+-bsU实际方向与参考方向一致，电流实际方向与参考方向一致，电流( (或电压或电压) )值为正值；值为正值；实际方向与参考方向相反，电流实际方

10、向与参考方向相反，电流( (或电压或电压) )值为负值。值为负值。1. 2. 4 实际方向与参考方向的关系实际方向与参考方向的关系若若 I = 6A，则电流实际方向为从，则电流实际方向为从a流向流向b；例：例：若若 I = - -6A，则电流实际方向为从，则电流实际方向为从b流向流向a。I参考方向参考方向实际方向实际方向实际方向实际方向baR参考方向选定后电流参考方向选定后电流( (或电压或电压) )值才有正负之分。值才有正负之分。 若若 U = 6V，则电压的实际方向为从，则电压的实际方向为从a指向指向b， 实际方向与参考方向一致；实际方向与参考方向一致；若若 U= - -6V，则电压的实际

11、方向为从，则电压的实际方向为从b指向指向a，实际方向与参考方向相反。实际方向与参考方向相反。实际方向实际方向参考方向参考方向baRU+-+-1. 若电压与电流参考方向相同，则为若电压与电流参考方向相同，则为关联参考方向关联参考方向；1. 2. 5 关联参考方向与非关联参考方向关联参考方向与非关联参考方向2. 反之，则为反之，则为非关联参考方向非关联参考方向。电路中如未作特殊声明均采用关联参考方向。电路中如未作特殊声明均采用关联参考方向。U = IRR+-IU U = - - IRR+-IU例例1.2.2 如图，如图，U1=- -6V，U2=4V，试问，试问Uab等于多少伏？等于多少伏？解：解：

12、21abUUUV1046例例1.2.1 如图，如图，Uab=- -5V，试问，试问a，b两点哪点电位高两点哪点电位高？解：解：a点电位低，点电位低，b点电位高。点电位高。U1U2ab+-+-ab理想电路元件理想电路元件理想有源元件理想有源元件理想无源元件理想无源元件电电压压源源电电流流源源电电阻阻元元件件电电容容元元件件电电感感元元件件 US I U US 定值定值USU O I 电压源的特点：电压源的特点：输出电流输出电流 I 不是定值，与输出电压和外电路的情况有关。不是定值，与输出电压和外电路的情况有关。可提供一个固定的电压可提供一个固定的电压 US ，称为，称为源电压源电压。输出电压输出

13、电压 U 等于源电压等于源电压 US ，是由其本身所确定的定值，是由其本身所确定的定值，与输出电流和外电路的情况无关。与输出电流和外电路的情况无关。IS U I IS定值定值ISU O I 电流源的特点：电流源的特点：输出电流输出电流 I 等于源电流等于源电流 IS ，是由其本身所确定的定，是由其本身所确定的定值，与输出电压和外电路的情况无关。值，与输出电压和外电路的情况无关。输出电压输出电压 U 不是定值，与输出电流和外电路的情况有关。不是定值，与输出电流和外电路的情况有关。源电流源电流可提供一个固定的电流可提供一个固定的电流 IS ，称为，称为源电流源电流。 当电压源和电流源的电压和电流实

14、际方向如上图时，当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时， 它们输出（产生）电功率，起它们输出（产生）电功率，起电源电源作用。作用。 US I U IS U I US I U IS U I 当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时， 它们取用（消耗）电功率，起它们取用（消耗）电功率，起负载负载作用。作用。1. 电阻元件电阻元件当电路的某一部分只存在电当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁能的消耗而没有电场能和磁场能的储存，这一部分电路场能的储存，这一部分电路可用可用电阻元件电阻元件来代替。来代替。 R i u R =ui（ ） 线

15、性电阻与非线性电阻线性电阻与非线性电阻 P = UI = RI2 =U2R 电阻消耗的功率电阻消耗的功率 电阻图片电阻图片水泥电阻水泥电阻线绕电阻线绕电阻碳膜电阻碳膜电阻可变电阻可变电阻压敏电阻压敏电阻功率电阻功率电阻2电感元件电感元件 电感线圈是储存磁场能量的元器件，通常用理想电感线圈是储存磁场能量的元器件，通常用理想电感元件作为实际电感线圈的模型。实际电感线圈电感元件作为实际电感线圈的模型。实际电感线圈的示意图如下图：的示意图如下图： 电感元件定义为：一个二端元件，如果在任一时电感元件定义为：一个二端元件，如果在任一时刻刻t，它的电流，它的电流 i(t) 与它的磁链与它的磁链(t) 之间的

16、关系可以用之间的关系可以用i -平面上的一条曲线来确定，则此二端元件称为电平面上的一条曲线来确定，则此二端元件称为电感元件。下图是线性时不变电感的特性曲线。感元件。下图是线性时不变电感的特性曲线。电感元件的电流电压关系可以用下面式子描述：电感元件的电流电压关系可以用下面式子描述：dttdiLtudtdtutLit)()()()()( 其中，其中， 为磁通链，单位是韦伯（为磁通链，单位是韦伯（Wb）；）；i为电流，单位是安培（为电流，单位是安培（A）；）；L为电感（正常为电感（正常数），单位是亨利（数），单位是亨利（H），简称亨（），简称亨（H），常），常用用 毫亨（毫亨（mH） 或或 微亨（微

17、亨（H） 作电感的单作电感的单位。位。 1mH=10-3H 1H=10-6H （1）任何时刻，电感元件两端的电压与）任何时刻，电感元件两端的电压与该时刻的电流变化率成正比。如果通过电感该时刻的电流变化率成正比。如果通过电感的电流是直流，则的电流是直流，则u=0，电感相当于短路。，电感相当于短路。 （2）由于电感上的电压为有限值，故电）由于电感上的电压为有限值，故电感中的电流不能跃变。感中的电流不能跃变。 3电容元件电容元件 电容器是储存电场能量的元件，通常用只电容器是储存电场能量的元件，通常用只储存电场能量的理想电容元件作为实际电容器储存电场能量的理想电容元件作为实际电容器的模型。的模型。 电

18、容元件电容元件定义为：一个二端元件，如果在定义为：一个二端元件，如果在任一时刻任一时刻t，它的电荷，它的电荷 q(t) 与它的端电压与它的端电压 u(t)之之间的关系可以用间的关系可以用 u-q 平面上的一条曲线来确定，平面上的一条曲线来确定，则此二端元件称为电容元件。则此二端元件称为电容元件。电容元件及其外特性电容元件及其外特性 其中：其中：q为电荷，单位是库仑（为电荷，单位是库仑（c）；）；u为电压，为电压，单位是伏特（单位是伏特（v）；）； C为电容（正常数），单位为法拉（为电容（正常数），单位为法拉（F），简称），简称法（法（F）。）。 常用的电容单位有微法（常用的电容单位有微法（F）

19、和皮法（）和皮法（pF）。）。 1F =10-6F 1pF=10-12F线性时不变电容可定义为：线性时不变电容可定义为：)()(tCutqdtduCdtdqii (t)+-u(t)C4. 电源与负载的判别电源与负载的判别U 和和 I 取取非关联参考方向非关联参考方向，若，若P = UI 0，电源；电源； 若若P = UI 0，负载。负载。U 和和 I 取取关联参考方向关联参考方向，若，若P = UI 0，负载；负载； 若若P = UI 0，电源。电源。 方法一：根据方法一：根据 U 和和 I 的实际方向判别的实际方向判别方法二：根据方法二：根据 U 和和 I 的参考方向判别的参考方向判别电源：

20、电源：U和和I 的实际方向相反，电流从的实际方向相反，电流从“+”端流出，端流出， 发出功率；发出功率；负载：负载：U和和I 的实际方向相同，电流从的实际方向相同，电流从“+”端流入，端流入， 吸收功率。吸收功率。例：例：下图所示方框为电路元件，已知：下图所示方框为电路元件，已知：UAB= 50V，I1=15A，I2=10A，I3=- -5A，试求电路各元件的功率，试求电路各元件的功率，并校验功率是否平衡。并校验功率是否平衡。解：解：UAB = 50VA点为点为“+”，B点为点为“-”I1 = 15AI1实际方向与参考方向相同，电流从实际方向与参考方向相同，电流从“+”端出，端出，“1”元件为

21、电源，输出功率为：元件为电源，输出功率为：W7505015AB11UIP123ABI1I2I3UAB+-I2 = 10AI2实际方向与参考方向相实际方向与参考方向相同，电流从同，电流从“+”端入，端入，“2”元件为负载，吸收功率为：元件为负载，吸收功率为：W5005010AB22UIPI3 = - -5AI3实际方向与参考方向相反，电流从实际方向与参考方向相反，电流从“+”端入，端入，“3”元件为负载，吸收功率为：元件为负载，吸收功率为：W25050)5(AB33UIP可见负载吸收的功率与电源输出的功率平衡可见负载吸收的功率与电源输出的功率平衡123ABI1I2I3UAB+-例例1.3.1 如

22、图，方框代表电源或负载。已知如图，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？，试问哪些方框是电源，哪些是负载？解：解：（a）+ U-I -U+I+ U-I -U+I（b）（c）（d）(a)图图 P = UI = 220( (- -1) ) = - -220W 0，负载负载(c)图图 P = - -UI = 220( (- -1) ) = 220W 0，负载负载(d)图图 P = UI = 220( (- -1) ) = - -220W 0，电源电源电位：电位：在电路中任选一点为参考点，且设在电路中任选一点为参考点，且设参考点的参考点的电位为零电位为零，则电路中任一点的电位等于该点到参考，则电路中任一点的电位等于该点到参考点的电压。点的电压。1. 电位的概念电位的概念 在电路图中参考点常用符号在电路图中参考点常用符号“”标明，表示标明，表示公共端、接机壳或接底板。公共端、接机壳或接底板。 其它各点的电位同它比较，比它高的为正；比其它各点的电位同它比较，比它高的为正；比它低的为负。它低的为负。例：例：求图示电路中各点求图示电路中各点的电位：的电位：Va、Vb、Vc、Vd及及Ucd 。设设a为参考点，为参考点，即即Va = 0V，则则Vb = Uba= - -106 = -