第一章電路的基本概念與基本定律

1、第一章第一章 電路的基本概念電路的基本概念與基本定律與基本定律第一節(jié)第一節(jié) 電路與電路模型電路與電路模型第二節(jié)第二節(jié) 電路的主要物理量電路的主要物理量第三節(jié)第三節(jié) 電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài)第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源及其等效變換電壓源和電流源及其等效變換第五節(jié)第五節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律第一節(jié)第一節(jié) 電路與電路模型電路與電路模型一、電路 電路電路是人們在生產(chǎn)、生活中為了實現(xiàn)某種需求，把各種是人們在生產(chǎn)、生活中為了實現(xiàn)某種需求，把各種電氣器件按一定的方式連接起來，所構(gòu)成的電流流通路徑。電氣器件按一定的方式連接起來，所構(gòu)成的電流流通路徑。 電路由三部分電路由三部分組成組成：電源、負(fù)載和中間

2、環(huán)節(jié)。：電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)。 電路的主要電路的主要作用作用： 1.1.實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配-如電力系統(tǒng)，如電力系統(tǒng)，龐大的電網(wǎng)從發(fā)電、輸電、變電到配電，送到不同用戶所在龐大的電網(wǎng)從發(fā)電、輸電、變電到配電，送到不同用戶所在地；地； 2.2.實現(xiàn)信號的傳遞和處理實現(xiàn)信號的傳遞和處理，輸入的信號叫激勵（或信號，輸入的信號叫激勵（或信號源），輸出的信號叫響應(yīng)源），輸出的信號叫響應(yīng)-如電視機能通過有線或無線如電視機能通過有線或無線的方式接收電視信號，然后進行轉(zhuǎn)換處理并輸出圖像和聲音。的方式接收電視信號，然后進行轉(zhuǎn)換處理并輸出圖像和聲音。電源電源：電源是把：電源是把其他形

3、式能量轉(zhuǎn)換成電能其他形式能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置，如蓄電的裝置，如蓄電 池、各種發(fā)電機等。池、各種發(fā)電機等。負(fù)載負(fù)載：所有的用電設(shè)備都可以被稱為負(fù)載，它把：所有的用電設(shè)備都可以被稱為負(fù)載，它把電能轉(zhuǎn)換成電能轉(zhuǎn)換成 其他形式的能量其他形式的能量，如電燈、電風(fēng)扇、電動機等。，如電燈、電風(fēng)扇、電動機等。中間環(huán)節(jié)中間環(huán)節(jié)：是指：是指連接電源和負(fù)載連接電源和負(fù)載的部分，例如輸電線、開關(guān)的部分，例如輸電線、開關(guān) 等。等。 二、電路模型二、電路模型 1 1實際電路實際電路 實際電路實際電路有的較簡單，也有的相當(dāng)復(fù)雜，影響電路的有的較簡單，也有的相當(dāng)復(fù)雜，影響電路的內(nèi)外界因素也很多，當(dāng)我們對實際電路進行分析時，常

4、采用內(nèi)外界因素也很多，當(dāng)我們對實際電路進行分析時，常采用模型化模型化的方法，即首先建立實際電路的理想化電路模型，然的方法，即首先建立實際電路的理想化電路模型，然后對此后對此電路模型電路模型進行進行定量分析定量分析，從而得到與實際電路對應(yīng)的，從而得到與實際電路對應(yīng)的結(jié)論。結(jié)論。 2 2電路模型電路模型 在電路的分析計算時，通常要用一個在電路的分析計算時，通常要用一個假定的二端元件假定的二端元件來代替實際元件來代替實際元件，這個二端元件的電磁性質(zhì)應(yīng)該反映實際元，這個二端元件的電磁性質(zhì)應(yīng)該反映實際元件的電磁性質(zhì)，這個假定的二端元件稱為件的電磁性質(zhì)，這個假定的二端元件稱為理想電路元件理想電路元件。 由

5、理想電路元由理想電路元件組成的電路稱為件組成的電路稱為理想電路模型理想電路模型，簡，簡稱稱電路模型電路模型。 把實際電路中把實際電路中的各種元件設(shè)備按的各種元件設(shè)備按其主要物理性質(zhì)分其主要物理性質(zhì)分別用一些理想電路別用一些理想電路元件來表示，構(gòu)成元件來表示，構(gòu)成的電路圖就是電路的電路圖就是電路模型。如圖所示：模型。如圖所示： 理想電路元件簡稱理想電路元件簡稱電路元件電路元件，如有電阻、電感、電容元，如有電阻、電感、電容元件、理想電壓源、理想電流源等。其中電阻元件、電感元件件、理想電壓源、理想電流源等。其中電阻元件、電感元件和電容元件均不產(chǎn)生能量，稱為和電容元件均不產(chǎn)生能量，稱為無源元件無源元件

6、；理想電壓源和理；理想電壓源和理想電流源是電路中提供能量的元件，稱為想電流源是電路中提供能量的元件，稱為有源元件有源元件。 第二節(jié)第二節(jié) 電路的主要物理量電路的主要物理量一、電流一、電流 1. 1.電流的定義電流的定義：在電場的作用下，電荷有規(guī)則的定向移動：在電場的作用下，電荷有規(guī)則的定向移動就形成電流。就形成電流。 2 2電流的大小電流的大?。阂腚娏鲝姸雀拍顏砻枋鲭娏鞯拇笮?，：引入電流強度概念來描述電流的大小，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流強度。單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流強度。 3 3電流的方向電流的方向：電流不僅有大小而且有方向，我們規(guī)定：電流不僅有大小而且有

7、方向，我們規(guī)定正電荷運動的方向為電流的實際方向。正電荷運動的方向為電流的實際方向。dtdqi電電流流實實際際方方向向與與參參考考方方向向 簡單電路中，電流的實際方向容易判斷，但在復(fù)雜簡單電路中，電流的實際方向容易判斷，但在復(fù)雜電路中，往往很難判斷某支路中電流的實際方向。為此，電路中，往往很難判斷某支路中電流的實際方向。為此，在分析與計算電路前，需要假定某一方向作為電流的正在分析與計算電路前，需要假定某一方向作為電流的正方向，稱為方向，稱為參考方向參考方向，所選的電流參考方向是任意設(shè)定，所選的電流參考方向是任意設(shè)定的，與電流的實際方向無關(guān)，的，與電流的實際方向無關(guān)， 選定了電流的參考方向，便可以

8、進行電路的分析計選定了電流的參考方向，便可以進行電路的分析計算，算，當(dāng)電流實際方向與參考方向一致時，計算出來的電當(dāng)電流實際方向與參考方向一致時，計算出來的電流值為正；如果兩者相反，則電流值為負(fù)流值為正；如果兩者相反，則電流值為負(fù)。dqdwuab 二、電壓 1 1電壓的定義電壓的定義：電場力把單位正電荷：電場力把單位正電荷從從a a點移到點移到b b點所點所做的功定義為做的功定義為a a、 b b兩點間的電壓，用兩點間的電壓，用uabuab（uabuab）表示。）表示。 2 2電壓的方向電壓的方向：電壓的方向則由起點指向終點，也可用電壓的方向則由起點指向終點，也可用正負(fù)號表示或以箭頭標(biāo)明。正負(fù)號

9、表示或以箭頭標(biāo)明。 3 3電壓的單位電壓的單位：庫侖：庫侖/ /焦耳焦耳= =伏特伏特關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向 4 4電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向：對某個具體元件，：對某個具體元件，電壓參考極性和電流的參考方向取為一致時，稱為關(guān)聯(lián)參電壓參考極性和電流的參考方向取為一致時，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。在分析電路和電功率的計算中很有意義?？挤较?。在分析電路和電功率的計算中很有意義。vuvaoa1b點電位點電位：vuvbob2 三、電位三、電位 電位的定義電位的定義：在電路中選定一個：在電路中選定一個參考點參考點（注意每次計算（注意每次計算只能選一個相對的參考點

10、），只能選一個相對的參考點），取參考點的電位為零取參考點的電位為零電位，則電位，則電路中電路中某一點與參考點之間的電壓某一點與參考點之間的電壓就被稱為這一點的電位。就被稱為這一點的電位。 電位的單位電位的單位與電壓相同。與電壓相同。 如圖，選如圖，選o o為參考點，為參考點，a a點電位點電位： 電位與電壓關(guān)系的結(jié)論之一電位與電壓關(guān)系的結(jié)論之一：如果已知兩點的電位：如果已知兩點的電位, ,則此則此兩點間的電壓等于它們的電位之差。兩點間的電壓等于它們的電位之差。 電位與電壓關(guān)系的結(jié)論之二電位與電壓關(guān)系的結(jié)論之二：電路中某一點的電位隨參考：電路中某一點的電位隨參考點（零電位點）選擇的不同而不同。但

11、兩點間的電壓不變。點（零電位點）選擇的不同而不同。但兩點間的電壓不變。 電位概念在電子電路中的應(yīng)用：簡化電子線路電位概念在電子電路中的應(yīng)用：簡化電子線路！ 四、電動勢四、電動勢 電動勢是電動勢是衡量外力即非電場力做功能力衡量外力即非電場力做功能力的物理量，電動的物理量，電動勢越大，電源的能力越強。勢越大，電源的能力越強。dqdwe 電動勢的定義：電動勢的定義：外力克服電場力把單位正電荷從電源的外力克服電場力把單位正電荷從電源的負(fù)極（負(fù)極（b b點）搬運到正極（點）搬運到正極（a a點）所做的功，稱為點）所做的功，稱為a a與與b b兩點間兩點間的電動勢。的電動勢。 電動勢的方向電動勢的方向：

12、在電源內(nèi)部，電動在電源內(nèi)部，電動勢的實際方向是正勢的實際方向是正電荷所受外力的方電荷所受外力的方向，從低電位指向向，從低電位指向高電位。高電位。 電動勢的單位電動勢的單位：與電壓相同。與電壓相同。電源內(nèi)部電源內(nèi)部，電壓電壓的實際的實際方向是正電方向是正電荷所受電場荷所受電場力的方向，力的方向，從高指向低從高指向低電位，故電位，故與與電動勢方向電動勢方向相反相反！udqwtqtq)()(0由由于于dtdqi , ,因此因此dttiiuwtt)()(0 電路消耗（或吸收）的功率電路消耗（或吸收）的功率p等于單位時間內(nèi)電路消耗等于單位時間內(nèi)電路消耗（或吸收）的能量。（或吸收）的能量。 即即uidtd

13、wp 功率的單位功率的單位為瓦特（為瓦特（watt），）， 簡稱瓦（簡稱瓦（w）。）。 五、電能和電功率五、電能和電功率 從從t t0 0到到t t的時間內(nèi)，從的時間內(nèi)，從a a到到b b點點電路元件吸收的電能電路元件吸收的電能可根可根據(jù)電壓的定義（據(jù)電壓的定義（a a、 b b兩點的電壓在量值上等于電場力將單兩點的電壓在量值上等于電場力將單位正電荷由位正電荷由a a點移動到點移動到b b點時所做的功）求得，點時所做的功）求得， 即即第三節(jié)第三節(jié) 電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài) 電路有三種狀態(tài)，分別是電路有三種狀態(tài)，分別是空載空載（斷路）狀態(tài)、（斷路）狀態(tài)、短路短路狀態(tài)狀態(tài)和和有載有載（通路）工

14、作狀態(tài)。（通路）工作狀態(tài)。 一、空載狀態(tài)一、空載狀態(tài) 空載狀態(tài)，就是空載狀態(tài)，就是電源與負(fù)載沒有構(gòu)成閉合回路電源與負(fù)載沒有構(gòu)成閉合回路。 二、短路狀態(tài)二、短路狀態(tài) 所謂短路，就是所謂短路，就是電源未經(jīng)負(fù)載而直接連通電源未經(jīng)負(fù)載而直接連通成閉合回路成閉合回路的情況。的情況。 三、有載工作狀態(tài)三、有載工作狀態(tài) 電源與負(fù)載接成閉合回路電源與負(fù)載接成閉合回路，電路便處于有載（通路）工作，電路便處于有載（通路）工作狀態(tài)。狀態(tài)。0ireu 有載工作狀態(tài)下，電源的端電壓有載工作狀態(tài)下，電源的端電壓u u隨輸出電流隨輸出電流i i的變化的變化關(guān)系關(guān)系u =fu =f（i i）稱為）稱為電源的外特性電源的外特性

15、。 外特性方程外特性方程： 電壓電壓隨電流隨電流直線下直線下降，降， 斜率斜率與內(nèi)阻與內(nèi)阻有關(guān)。有關(guān)。外特性曲線：外特性曲線：第四節(jié)第四節(jié) 電壓源和電流源及其等效變換電壓源和電流源及其等效變換lrr 0 實際電源的兩種電路模型：電壓源和電流源。實際電源的兩種電路模型：電壓源和電流源。 一、電壓源一、電壓源 將實際電源用將實際電源用電動勢和電阻串聯(lián)電動勢和電阻串聯(lián)來建模，即為來建模，即為電壓源電壓源。0ireu 在在r0=0r0=0的理想情況下的理想情況下，電壓源被稱為電壓源被稱為恒壓源恒壓源或理想電或理想電壓源壓源。eu 實際電源都會有內(nèi)阻，如果電源的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于負(fù)載等實際電源都會有內(nèi)阻，如果電

16、源的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于負(fù)載等效電阻，即效電阻，即 ，可以將這個電源近似為恒壓源。，可以將這個電源近似為恒壓源。電壓源電壓源理想電壓源理想電壓源伏安特性曲線伏安特性曲線電壓源電壓源理想電壓源理想電壓源000ruirureis 將電壓源的外特性變形為將電壓源的外特性變形為二、電流源二、電流源 可以發(fā)現(xiàn)：電源的可以發(fā)現(xiàn)：電源的輸出電流等于一個恒定電流與一個可變輸出電流等于一個恒定電流與一個可變電流的差電流的差。恒定電流部分等于。恒定電流部分等于電源的短路電流電源的短路電流，可變電流部分，可變電流部分可想象成可想象成輸出電壓在內(nèi)阻上引起的電流輸出電壓在內(nèi)阻上引起的電流。 由此，由此，實際電源可實際電源可以用一

17、個恒以用一個恒定電流和電定電流和電阻阻r0r0的并聯(lián)的并聯(lián)來建模。來建模。 為為電流源。電流源。0r電流源電流源 理想電流源理想電流源 當(dāng)當(dāng) 時電流源被稱為時電流源被稱為恒流源恒流源或理想電流源或理想電流源 的理的理想情況是不存在的，想情況是不存在的，如果實際電源的內(nèi)如果實際電源的內(nèi)阻阻 ，即，即可近似為恒流源?？山茷楹懔髟础?r0rlrr 0sii 電流源電流源理想電流源理想電流源伏安特性曲線伏安特性曲線電流源的電流源的開路電壓開路電壓電壓源模型電壓源模型電流源模型電流源模型 電流源模型與電壓源模型的參數(shù)對比電流源模型與電壓源模型的參數(shù)對比三、電壓源與電流源的等效變換三、電壓源與電流源的等

18、效變換 一個實際的電源，既可以用理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)表一個實際的電源，既可以用理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)表示，示， 也可以用理想電流源與內(nèi)阻并聯(lián)來表示。對于外電路也可以用理想電流源與內(nèi)阻并聯(lián)來表示。對于外電路而言，而言， 如果電源的外特性相同，如果電源的外特性相同， 無論采用哪種模型來計算無論采用哪種模型來計算外電路上的電流、電壓，結(jié)果都會相同。外電路上的電流、電壓，結(jié)果都會相同。 對外電路而言，對外電路而言， 兩種模型是可以等效變換的。兩種模型是可以等效變換的。0ireu0)(riius0ruei0sruii 利用電流源和電壓源的等效變換，可以利用電流源和電壓源的等效變換，可以化簡和求解電路化簡和

19、求解電路。 (1) (1) 把把電壓源變換為電流源電壓源變換為電流源時，電流源中時，電流源中i is s的大小等于原的大小等于原電壓源的短路電流電壓源的短路電流 ，方向與原電壓源的電動勢箭頭方向，方向與原電壓源的電動勢箭頭方向相同電路形式由串聯(lián)改并聯(lián)，內(nèi)阻大小不變。相同電路形式由串聯(lián)改并聯(lián)，內(nèi)阻大小不變。 (2) (2) 把把電流源變換為電壓源電流源變換為電壓源時，電壓源中時，電壓源中e e的大小等于原電的大小等于原電流源的開路電壓流源的開路電壓 ，方向與原電流源方向相同，電路形式，方向與原電流源方向相同，電路形式由并聯(lián)改串聯(lián)，內(nèi)阻大小不變。由并聯(lián)改串聯(lián)，內(nèi)阻大小不變。 (3) (3) 電壓源

20、與電流源的等效變換電壓源與電流源的等效變換只能對外電路等效只能對外電路等效，對內(nèi)對內(nèi)電路不等效電路不等效。等效變換對電源內(nèi)電阻上的電流、電壓及功率計等效變換對電源內(nèi)電阻上的電流、電壓及功率計算都不等效。算都不等效。 (4) (4) 理想電壓源與理想電流源之間不能進行等效變換理想電壓源與理想電流源之間不能進行等效變換。 0re0ris 預(yù)備知識：預(yù)備知識： 1 1、支路：電路中任一、支路：電路中任一段不分叉的電路分支，稱段不分叉的電路分支，稱為支路。為支路。 2 2、節(jié)點：三條或三條、節(jié)點：三條或三條以上支路的連接點稱為節(jié)以上支路的連接點稱為節(jié)點。點。 3 3、回路：電路中任一、回路：電路中任一

21、閉合路徑稱為回路。閉合路徑稱為回路。 4 4、網(wǎng)孔：內(nèi)部不包含、網(wǎng)孔：內(nèi)部不包含支路的回路稱為網(wǎng)孔。支路的回路稱為網(wǎng)孔。基爾霍夫定律基爾霍夫定律電流定律電流定律電壓定律電壓定律支路：支路：bafbaf、bcdbcd、bebe節(jié)點：節(jié)點：b b、e e回路：回路：abefaabefa、bcdebbcdeb和和abcdefaabcdefa網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：abefaabefa、bcdebbcdeb第五節(jié)第五節(jié) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 一、基爾霍夫電流定律（一、基爾霍夫電流定律（kclkcl） 基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律簡稱簡稱kclkcl，反映了電路中的節(jié)點所連接，反映了電路中的節(jié)點所連接的各支

22、路電流之間的相互關(guān)系。的各支路電流之間的相互關(guān)系。 kclkcl的基本內(nèi)容：在任意時刻，的基本內(nèi)容：在任意時刻，流入電路中任一節(jié)點的電流入電路中任一節(jié)點的電流之和恒等于流出該節(jié)點的電流之和流之和恒等于流出該節(jié)點的電流之和， 即：即： ii入入=i=i出出 該定律說明電路中的該定律說明電路中的節(jié)點上不會發(fā)生電荷堆積節(jié)點上不會發(fā)生電荷堆積現(xiàn)象，反現(xiàn)象，反映了映了電流具有連續(xù)性電流具有連續(xù)性。 如將流入節(jié)點的電流前取正號，流出節(jié)點的電流前取負(fù)如將流入節(jié)點的電流前取正號，流出節(jié)點的電流前取負(fù)號，基爾霍夫電流定律也可寫成號，基爾霍夫電流定律也可寫成:i=0:i=0 應(yīng)用上式時也可以約定流出為正、流入為負(fù)

23、，等式依然應(yīng)用上式時也可以約定流出為正、流入為負(fù)，等式依然成立。其物理意義是：流入節(jié)點成立。其物理意義是：流入節(jié)點b b的電流的代數(shù)和恒等于零。的電流的代數(shù)和恒等于零。321iii213iii對上圖節(jié)點對上圖節(jié)點b b列列kclkcl方程：方程：對上圖節(jié)點對上圖節(jié)點e e列列kclkcl方程：方程： ！2 2個節(jié)電的電個節(jié)電的電路只能列出一個獨路只能列出一個獨立的立的kclkcl方程！方程！0231iii 左圖中封閉面左圖中封閉面 的的kclkcl方程：方程： 基爾霍夫電流定律的基爾霍夫電流定律的結(jié)論結(jié)論：對一個具有：對一個具有m m個節(jié)點的電路，個節(jié)點的電路，只能列出（只能列出（m-1m-1

24、）個獨立的）個獨立的kclkcl方程。方程。 基爾霍夫電流定律的基爾霍夫電流定律的推廣推廣：對于包圍幾個節(jié)點的封閉：對于包圍幾個節(jié)點的封閉面，（廣義節(jié)點），根據(jù)電流的連續(xù)原理，電路中面，（廣義節(jié)點），根據(jù)電流的連續(xù)原理，電路中流入一流入一個封閉面的電流等于流出的電流個封閉面的電流等于流出的電流，即流入一個封閉面的電，即流入一個封閉面的電流代數(shù)和等于零。流代數(shù)和等于零。 二、基爾霍夫電壓定律（二、基爾霍夫電壓定律（kvlkvl） 基爾霍夫電壓定律簡稱基爾霍夫電壓定律簡稱kvlkvl，反映了電路中的回，反映了電路中的回路上各段電壓之間的相互關(guān)系，。路上各段電壓之間的相互關(guān)系，。 kvlkvl的的基本內(nèi)容基本內(nèi)容是是: : 在任一時刻，沿任一回路繞行在任一時刻，沿任一回路繞行一周，回路中所有一周，回路中所有電源電動勢（電壓升）的代數(shù)和等電源電動勢（電壓升）的代數(shù)和等于所有電阻電壓降的代數(shù)和于所有電阻電壓降的代數(shù)和，即，即 應(yīng)用應(yīng)用kvlkvl定律時，先假定繞行方向為順時針或逆時定律時，先假定繞行方向為順時針或逆時針，針，當(dāng)電動勢的方向與繞行方向一致當(dāng)電動勢的方向與繞行方向一致時，因沿回路方時，因沿回路方向電位升高，故該電動勢取向電位升高，故該電動勢取正號正號，反之取負(fù)號，反