第1章电路的基本概念与基本定律

第1章电路的基本概念1本章要求1.了解电路模型概念，掌握电路基本物理量的参考方向。2.掌握欧姆定律。4.掌握电路基本元件的电压电流关系、功率和能量。本章要求5.掌握基尔霍夫电流定律和电压定律。3.理解电路的工作状态。2主要内容1.1电路的构成与作用1.2电路的基本物理量1.4电路的工作状态1.5基尔霍夫定律主要内容1.3欧姆定律3电路是电流的通路。主要由三部分组成：电源、负载和中间控制环节。1.1电路的构成与作用

1电路的构成

1.1电路的构成与作用负载中间环节电源非电能→电能开关、继电器、变压器、输电线和保护装置等电能→非电能4

2电路的作用

（1）实现电能的传输和转换。实现电能的传输，输送给各用电设备。将电能转换成光能、热能和机械能等。（2）实现信号的传递和处理。1.1电路的构成与作用51.1电路的构成与作用3电路模型

在一定条件下，只考虑实际电路元件(电气设备)的主要电磁性能，忽略次要因素，近似地用理想电路元件来描述。61.1电路的构成与作用理想电路元件主要有四种：

理想电阻元件理想电感元件理想电容元件理想电源元件这些元件可以分别由相应的性能参数表征。用理想电路元件描述实际电路的主要电磁性能，就构成了实际电路的电路模型。71.1电路的构成与作用充电电池是电源元件，参数为电动势E和内阻R0；充电手电筒:

由充电电池、LED灯泡、开关和连接线组成。

手电筒的电路模型LED灯泡是电阻元件，参数为电阻R；导线和开关连接电池和灯泡的中间环节。81.1电路的构成与作用激励（电源提供的电动势、电流）响应（负载端的电压和电流）电路分析注意：在本课程中，绝大部分是进行电路分析。9电路设计1.2

电路的基本物理量

1电路基本物理量的实际方向

1.2电路的基本物理量物理量实际方向电流I正电荷运动的方向电动势E(电位升高的方向)

电压U(电位降低的方向)高电位

低电位

单位kA、A、mA、μA低电位

高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV电位V（有参考点）10指电荷在电场力的作用下进行的定向移动。描述电场力对电荷做功的能力。电压Uab在数值上等于电场力把单位正电荷从电场内的a点经外电路移到b点所做的功。将单位正电荷从a点移到无穷远（无穷远处电位为零）所做的功，称为a点的电位。用于衡量电源力对电荷做功的能力。电动势Eba在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的低电位端b经电源内部移到高电位端a所做的功。电流的参考方向表示:用箭头（或双下标）。在分析和计算电路时，需要先假定电流的参考方向，然后计算电流。

2电流

电流的计算结果若为正值，说明电流的实际方向和参考方向一致；若为负值，说明电流的实际方向和参考方向相反。1.2电路的基本物理量11电位用符号V加下标表示。在电路中选择一点为参考点（设该点电位为零）。电位是相对的，所以电路中某点电位的大小，与参考点的选择有关。

3电位

在计算电压时，也要先假定一个电压的参考方向，然后进行计算。电压的计算结果为正值，说明电压的实际方向和参考方向相同；电压为负值，说明电压的实际方向和参考方向相反。

4电压

1.2电路的基本物理量12电压的参考方向表示：用“+”“-”或者双下标。在分析计算电路时，要先假定电源电动势的参考方向。若电动势的实际方向与参考方向相同，则为正值；若电动势的实际方向与参考方向相反，则为负值。

4.电动势

电动势的参考方向用“+”“-”表示。1.2电路的基本物理量13

【例1.1】在如图所示电路中，已知

，电阻R两端的电压为2.8V，通过的电流为0.28A，求在不同参考方向下电压、电流的值。电压的参考极性与实际极性相反，为负值

解：在电路图上所标的电流、电压和电动势的方向，都是参考方向。

注意：假定的参考方向尽量和实际方向一致。

电压U的参考极性与实际极性一致，为正值1.2电路的基本物理量电流I

的参考方向与实际方向一致，为正值电流的参考方向与实际方向相反，为负值141.3欧姆定律1.3欧姆定律1826年，德国科学家欧姆提出了欧姆定律：

流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。欧姆定律的表达式为

注意:(1)反映了电路中电阻两端电压和通过电流的约束关系。

(2)不仅反映了电阻电压和电流的大小关系，而且体现了电压和电流的参考方向关系。151.4电路的工作状态

1有载工作状态

1.4电路的工作状态

(1)电压和电流关系

根据欧姆定律：电压的外特性曲线：电源内阻一般很小，当时，。16

(2)功率与功率平衡

所以：电路的功率平衡式在一个电路中，电源产生的功率与负载取用的功率和内阻上损耗的功率是平衡的。1.4电路的工作状态单位时间内消耗的电能为电功率，计为p(t)或p。或在直流的情况下，有17因为：简写为：电路中的电阻元件总是消耗电能，永远是负载。对于电源元件则不一定。

(3)电源与负载的判断

1.4电路的工作状态

按实际方向判断！18有源负载！

【例1.2】

A、B、C三个电路元件如图所示。如果电路元件是电池，它在电路中的作用是电源还是负载？并计算各电路元件的功率。1.4电路的工作状态19

解：对元件A，电流从高电位流向低电位，吸收功率成为负载。功率为对元件B，电流从低电位流向高电位，发出功率成为电源。功率为1.4电路的工作状态对元件C，电流从低电位流向高电位，发出功率成为电源。功率为20当开关断开时，电源处于开路状态。当电源开路时,

2开路状态

1.4电路的工作状态当电源的两端由于某种原因而连在一起时，电源发生短路。

3短路状态

21

4电气设备的额定值

额定值是电气设备制造企业为了使产品能在给定的工作条件下正常运行，而规定的正常允许值。

例如：电灯的额定电压为220V、额定功率为60W。1.4电路的工作状态

1.电气设备工作时，其电压、电流和功率的实际值不一定绝对等于它们的额定值，但应当接近；

注意：额定电压、额定电流和额定功率用UN、IN和PN表示。

2.在一定电压下，电源输出的功率取决于负载的大小。221.5基本电路元件1.5基本电路元件消耗电能储存电场能量储存磁场能量产生电能无源元件——

有源元件

依据其物理性质、从能量转换的角度来分析，电路元件包括以下几类：

1电阻

1.5基本电路元件

(1)电压和电流关系

根据欧姆定律：电阻用R表示。电阻的单位：欧姆(Ω)、千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)。线性电阻的伏安特性曲线：24

(2)功率和能量

假设u和i的参考方向相同，则电阻上的功率为电阻上消耗的电能W>0，电阻是耗能元件。1.5基本电路元件25

2电感

(1)电压和电流关系

每匝线圈产生的磁通φ，N匝线圈所产生的磁通为Ψ，称为磁链。

线性电感元件的参数

L称为电感（系数），其大小为磁通和磁链的单位：韦伯[韦](Wb)，电感的单位是亨利[亨](H)、毫亨(mH)。1.5基本电路元件26当电感元件中磁通φ或电流i

发生变化时，电感元件中的感应电动势为电感元件的电压电流关系为注意：电感元件对直流可视为短路。1.5基本电路元件27电感吸收（存储）的电能为

在整个能量转换过程中，电感元件不消耗能量，它仅是储能元件。1.5基本电路元件28

(2)功率和能量

在电压和电流参考方向相同时，电感元件的功率为

3电容

(1)电压和电流关系

电荷q和极板间电压u的比值作为电容元件的参数，称为电容C。电容的单位：法拉[法](F)、微法(μF)或皮法(pF)。当电容元件两端电压发生变化时，通过电容的电流为1.5基本电路元件29注意：电容元件对直流相当于开路。

(2)功率和能量

在电压和电流参考方向相同时，电容元件的功率为电容吸收的能量为1.5基本电路元件30在整个能量转换过程中，电容元件不消耗能量，它仅是储能元件。

4电源任何一个实际电源既可以用电压源表示，也可以用电流源表示。

(1)电压源一个电动势E和一个内阻串联来，称为电压源模型，简称电压源。1.5基本电路元件31根据电路，可得电压源开路时，、；短路时，、。

电压源的外特性当时，输出电压U恒等于电动势E，电流I

就完全由负载电阻RL决定——理想电压源。1.5基本电路元件32两点确定一条直线实际上理想电压源是不存在的。但是，当时，则内阻上压降，于是，可以认为是理想电压源。1.5基本电路元件

理想电压源（恒压源）的特点:①输出电压是恒定的；②输出电流由负载的大小确定;③凡与理想电压源并联的元件两端的电压均等于理想电压源的电压.两端除以R0，可得设，其电路模型为

(2)电流源对电压源公式即：电流源用电流IS和电阻R0并联表示，称为电流源模型，简称电流源。

当(相当于R0断开)时，电流I

恒等于IS，电压U则由负载电阻RL决定——理想电流源。电流源开路时，、；短路时，、。电流源的外特性1.5基本电路元件35两点确定一条直线实际上不存在理想电流源。但是，当时，则，可以认为是理想电流源。1.5基本电路元件36

理想电流源（恒流源）的特点:①输出电流是恒定的；②输出电压由负载的大小确定;③凡与理想电流源串联的元件,其电流均等于理想电流源的电流.1.6基尔霍夫定律1.6基尔霍夫定律1845年，德国物理学家基尔霍夫提出了基尔霍夫定律。电路的三个概念：支路：流过同一电流的分支。三条支路：baf、fc和def。结点：三条或者三条以上支路的交点。两个结点：点f

和点c。回路：电路中由一条或者多条支路所组成的闭合路径。三个回路：abcfa、cdefc和abcdefa。网孔：内部不含其它支路的回路。两个网孔：abcfa和cdefc。37

1基尔霍夫电流定律1.6基尔霍夫定律内容：在任一瞬时，流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。

基尔霍夫电流定律(简称KCL)，用来确定在结点上的各支路电流关系。对结点f可以写出：基尔霍夫电流定律基于电荷守恒定律和电流的连续性，反映了电路中任一结点处各支路电流间制约关系。381.6基尔霍夫定律广义结点—包围部分电路的假设闭合面。推广：1.6基尔霍夫定律解：对结点a列方程

【例1.3】已知、、、、。求电流、。解得