第一章電路的基本概念和定律

1、1.1 電路和電路模型電路和電路模型 1.2 電流電壓及其參考方向電流電壓及其參考方向 1.3 電功率和電能電功率和電能 1.4 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律 1.5 電壓源和電流源電壓源和電流源 1.6 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 第第1章章 電路的基本概念和基本定律電路的基本概念和基本定律1.1 電路和電路模型電路和電路模型目的與要求目的與要求1 了解電路和電路模型的概念2 理解電源、負(fù)載的定義重點(diǎn)重點(diǎn) 與難點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：重點(diǎn)：電源、負(fù)載難點(diǎn)：難點(diǎn)：電路模型1.1.1 電路電路(一）一） 1. 電路是電流的流通路徑, 它是由一些電氣設(shè)備 和元器件按一定方式連接而成的。復(fù)雜的電路呈網(wǎng)狀

2、, 又稱網(wǎng)絡(luò)。 電路和網(wǎng)絡(luò)這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是通用的。2. 電路的一種作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。另一種作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。1.1.1 電路（二）電路（二）3. 電源：電路中提供電能或信號(hào)的器件 負(fù)載：電路中吸收電能或輸出信號(hào)的器件干電池開關(guān)小燈泡(a)S(b)RiRUs圖1.1 電路的組成1.1.2 理想電路元件理想電路元件1.在一定條件下對(duì)實(shí)際器件加以理想化, 只考慮其中起主要作用的某些電磁現(xiàn)象。 2.理想電路元件是一種理想化的模型, 簡(jiǎn)稱為電路元件。電阻元件是一種只表示消耗電能的元件; 電感元件是表示其周圍空間存在著磁場(chǎng)而可以儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元件; 電容元件是表示其周圍空間存在著電場(chǎng)而可以儲(chǔ)存電

3、場(chǎng)能量的元件等。 3.對(duì)具有兩個(gè)引出端的元件, 稱為二端元件; 對(duì)具有兩個(gè)以上引出端的元件, 稱為多端元件。 1.1.3 電路模型電路模型 實(shí)際電路可以用一個(gè)或若干個(gè)理想電路元件經(jīng)理想導(dǎo)體連接起來模擬, 這便構(gòu)成了電路模型。教學(xué)方法教學(xué)方法 鼓勵(lì)學(xué)生自己找出日常生活中的電源負(fù)載，幫助學(xué)生理解電源、負(fù)載的定義。思考題思考題 1.什么叫電路模型？建立電路模型時(shí)應(yīng)注意什么 問題？ 2.電工基礎(chǔ)課研究的主要對(duì)象是什么？1.2 電流、電流、 電壓及其參考方向電壓及其參考方向目的與要求目的與要求1. 理解電流、 電壓的參考方向2. 會(huì)判斷電流、 電壓的實(shí)際方向 重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)重點(diǎn) 電流、 電壓的

4、參考方向 難點(diǎn)難點(diǎn) 1.參考方向與實(shí)際方向間的關(guān)系 2.兩點(diǎn)間電位與電壓的關(guān)系1.2.1 電流及其參考方向（一）電流及其參考方向（一）1.電流：帶電粒子（電子、離子等）的定向運(yùn)動(dòng), 稱為電流。用符號(hào)i表示, 即 dtdqi 2. 電流的實(shí)際方向：正電荷運(yùn)動(dòng)方向。1.2.1 電流及其參考方向（二）電流及其參考方向（二）3.直流：當(dāng)電流的量值和方向都不隨時(shí)間變化時(shí), 稱為直流電流, 簡(jiǎn)稱直流。 直流電流常用英文大寫字母I表示。tqI 交流：量值和方向隨著時(shí)間按周期性變化的電流, 稱為交流電流,簡(jiǎn)稱交流。常用英文小寫字母i表示。1.2.1 電流及其參考方向（三）電流及其參考方向（三）4.單位：安培,

5、 符號(hào)為A。 常用的單位有千安（kA）, 毫安（mA）, 微安（A）等。AmAA63101011.2.1 電流及其參考方向（四）電流及其參考方向（四）5.在分析與計(jì)算電路時(shí), ?？扇我庖?guī)定某一方向作為電流的參考方向或正方向。(a)(b)(c)(d)i參考方向?qū)嶋H方向iababi參考方向?qū)嶋H方向ibaba圖圖1.2 電流的參考方向電流的參考方向1.2.2 電壓及其參考方向（一）電壓及其參考方向（一）1. 電路中A、 B兩點(diǎn)間的電壓是單位正電荷在電場(chǎng)力的作用下由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所減少的電能, 即式中, q為由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的電荷量, WAB為移動(dòng)過程中電荷所減少的電能。dqdWqWuABABqAB0

6、lim1.2.2 電壓及其參考方向（二）電壓及其參考方向（二）2. 電壓的實(shí)際方向：是使正電荷電能減少的方向。 電壓的SI單位：是伏特, 符號(hào)為V。 常用的單位：千伏（kV）、毫伏（mV）、 微伏（V）等。 1.2.2 電壓及其參考方向（三）電壓及其參考方向（三）3.量值和方向都不隨時(shí)間變化的直流電壓, 用大寫字母U表示。交流電壓, 用小寫字母u表示。(a)(b)uuABBA圖1.3 電壓的參考方向1.2.2 電壓及其參考方向（四）電壓及其參考方向（四）4.若電壓的參考方向與實(shí)際方向一致，電壓為正。 若電壓的參考方向與實(shí)際方向相反，電壓為負(fù)。5.分析電路時(shí)，首先應(yīng)該規(guī)定電流電壓的參考方向。1.

7、2.2 電壓及其參考方向（五）電壓及其參考方向（五）6.元件的電壓參考方向與電流參考方向是一致的, 稱為關(guān)聯(lián)參考方向。iu圖1.4 電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向1.2.3 電位（一）電位（一）1. 在電路中任選一點(diǎn), 叫做參考點(diǎn), 則某點(diǎn)的電位就是由該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。 0aaUV 1.2.3 電位（二）電位（二）2.如果已知a、 b兩點(diǎn)的電位各為 , , 則此兩點(diǎn)間的 電壓bababaabVVUUUUU0000即兩點(diǎn)間的電壓等于這兩點(diǎn)的電位的差 3.參考點(diǎn)不同，各點(diǎn)的電位不同，但兩點(diǎn)間的電壓與參考點(diǎn)的選擇無關(guān)。教學(xué)方法教學(xué)方法通過自學(xué)的方法引入?yún)⒖挤较虻亩x思考題思考題1. 為什么要在電路圖上規(guī)

8、定電流的參考方向？請(qǐng)說明參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系？2.電壓參考方向都有哪些表示方法？1.3 電功率和電能電功率和電能目的與要求目的與要求1. 會(huì)計(jì)算電功率和電能 2. 會(huì)判斷電源、負(fù)載重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)重點(diǎn) 電功率和電能的計(jì)算難點(diǎn)難點(diǎn) 關(guān)聯(lián)參考方向和非關(guān)聯(lián)參考方向下電功率1.功率iupdtdqdqdwdtdwpdqdwudtdqi,定義：傳遞轉(zhuǎn)換電能的速率叫電功率，簡(jiǎn)稱功率， 用p或P表示。2.功率的正負(fù) 如果電流、 電壓選用關(guān)聯(lián)參考方向, 則所得的p應(yīng)看成支路接受的功率, 計(jì)算所得功率為負(fù)值時(shí), 表示支路實(shí)際發(fā)出功率。 如果電流、 電壓選擇非關(guān)聯(lián)參考方向, p應(yīng)看成支路發(fā)出的功率, 即

9、計(jì)算所得功率為正值時(shí), 表示支路實(shí)際發(fā)出功率; 計(jì)算所得功率為負(fù)值時(shí), 表示支路接受功率。3.直流功率在直流情況下UIP 功率的單位為瓦特, 簡(jiǎn)稱瓦, 符號(hào)為W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。4.電能的計(jì)算（一）從t0到t時(shí)間內(nèi), 電路吸收（消耗）的電能為ttpdtW0)(0ttPW直流時(shí)， 有4.電能的計(jì)算（二）JhkW63106 . 33600101 所有元件接受的功率的總和為零。這個(gè)結(jié)論叫做“電路的功率平衡”。 例例1.1（一）（一）圖圖1.5所示為直流電路, U1=4V, U2=-8V, U3=6V, I=4A, 求各元件接受或發(fā)出的功率P1、 P2和P3, 并求

10、整個(gè)電路的功率P。U1IU2U3P1P2P3圖 1.5 例1.1圖例例1.1（二）（二）解解 ： P1的電壓參考方向與電流參考方向相關(guān)聯(lián), 故P1=U1I=44=16W (接受16W)P2和P3的電壓參考方向與電流參考方向非關(guān)聯(lián), 故 P2=U2I=(-8)4=-32W (接受32W)P3=U3I=64=24W (發(fā)出24W)整個(gè)電路的功率P, 設(shè)接受功率為正, 發(fā)出功率為負(fù), 故 P=16+32-24=24W、教學(xué)方法講授法、思考題 1.當(dāng)元件電流，電壓選擇關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，什么情況下元件接受功率？什么情況下元件發(fā)出功率？ 2.有兩個(gè)電源，一個(gè)發(fā)出的電能為1000kW.h,另一個(gè)發(fā)出的電能為5

11、00kW.h。是否可認(rèn)為前一個(gè)電源的功率大，后一個(gè)電源的功率小？1.4 電阻元件和歐姆定律電阻元件和歐姆定律目的與要求目的與要求 1.掌握電阻元件上的歐姆定律2.理解電路短路、開路時(shí)的特點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)重點(diǎn) 歐姆定律、電導(dǎo)難點(diǎn)難點(diǎn) 1.短路、開路 2.應(yīng)用歐姆定律時(shí)正負(fù)號(hào)的確定1.電阻元件（一） 電阻元件是一個(gè)二端元件, 它的電流和電壓的方向總是一致的, 它的電流和電壓的大小成代數(shù)關(guān)系。 電流和電壓的大小成正比的電阻元件叫線性電阻元件。 元件的電流與電壓的關(guān)系曲線叫做元件的伏安特性曲線。 線性電阻元件的伏安特性為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線, 這個(gè)關(guān)系稱為歐姆定律。1.電阻元件（二）Oiu圖

12、 1.6 線性電阻的伏安特性曲線2.歐姆定律iRu 在電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向下, 線性電阻元件的伏安特性如圖1.6所示, 歐姆定律的表達(dá)式為 式中, R是元件的電阻, 它是一個(gè)反映電路中電能消耗的電路參數(shù), 是一個(gè)正實(shí)常數(shù)。 式中電壓用V 表示, 電流用A表示時(shí), 電阻的單位是歐姆, 符號(hào)為。電阻的十進(jìn)倍數(shù)單位有千歐（k）、 兆歐（M）等。(1.7).非線性電阻元件電流和電壓的大小不成正比的電阻元件叫非線性電阻元件。本書只討論線性電阻電路。4.電導(dǎo)令G=1/R, 則式（1.7）變?yōu)閡Gi 式中, G稱為電阻元件的電導(dǎo), 單位是西門子, 符號(hào)為S。如果線性電阻元件的電流和電壓的參考方向不關(guān)聯(lián),

13、 則歐姆定律的表達(dá)式為GuiiRu或(1.8)5.功率222GuRuRiuip 在電流和電壓關(guān)聯(lián)參考方向下, 任何瞬時(shí)線性電阻元件接受的電功率為線性電阻元件是耗能元件。6.焦耳定律dtRudtRipdtWQtttttt00022若電流不隨時(shí)間變化,TRUTRIPTttPWQ220)(以上兩式稱為焦耳定律。如果電阻元件把接受的電能轉(zhuǎn)換成熱能, 則從t0到t時(shí)間內(nèi)。電阻元件的熱量 Q, 也就是這段時(shí)間內(nèi)接受的電能W為7.兩種特殊情況 線性電阻元件有兩種特殊情況值得注意: 一種情況是電阻值R為無限大, 電壓為任何有限值時(shí), 其電流總是零, 這時(shí)把它稱為“開開路路”; 另一種情況是電阻為零, 電流為任

14、何有限值時(shí), 其電壓總是零, 這時(shí)把它稱為“短短路路”。例例1.2有220V, 100 W燈泡一個(gè), 其燈絲電阻是多少？每天用5h, 一個(gè)月（按30天計(jì)算）消耗的電能是多少度？解解 燈泡燈絲電阻為48410022022PUR一個(gè)月消耗的電能為度5115305101003hkWPTW教學(xué)方法 “歐姆定律”在物理課中曾經(jīng)接觸過，這里可采用先自學(xué)的形式，提出問題：電工基礎(chǔ)課中的“歐姆定律” 與物理中的 “歐姆定律” 有何不同？思考題 1.線性電阻元件的伏安關(guān)系是怎樣的? 2 .線性電阻元件接受功率的計(jì)算公式有哪些？1.5 電壓源和電流源電壓源和電流源目的與要求目的與要求理解理想電壓源、理想電流源的特

15、點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)重點(diǎn) 理想電壓源、理想電流源的 特點(diǎn)難點(diǎn)難點(diǎn) 獨(dú)立源、受控源 1. 電壓源是一個(gè)理想二端元件。它具有兩個(gè)特點(diǎn): (1) 電壓源對(duì)外提供的電壓u(t)是某種確定的時(shí)間函數(shù), 不會(huì)因所接的外電路不同而改變, 即u(t)=us(t)。 (2) 通過電壓源的電流i（t）隨外接電路不同而不同。常見的電壓源有直流電壓源和正弦交流電壓源。一、電壓源（一）一、電壓源（一）一、電壓源（二）一、電壓源（二）u(t)0usi(t)(a)us(t)t(b)us(t)t0Um0.5TT(c)Us圖 1.7 電壓源電壓波形一、電壓源（三）一、電壓源（三）0UIUs圖1.8 直流電壓源的伏安特性圖

16、 1.8 是直流電壓源的伏安特性。一、電壓源（四）一、電壓源（四）2.電壓為零的電壓源相當(dāng)于短路。 3.由圖1.7(a)知, 電壓源發(fā)出的功率為 p0時(shí), 電壓源實(shí)際上是發(fā)出功率；p0時(shí), 電壓源實(shí)際上是接受功率。iups1.電流源也是一個(gè)理想二端元件,它有以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)電流源向外電路提供的電流i(t)是某種確定的時(shí)間函數(shù), 不會(huì)因外電路不同而改變, 即i(t)=is, is是電流源的電流。 (2) 電流源的端電壓u(t)隨外接的電路不同而不同。 2.如果電流源的電流is=Is (Is是常數(shù)), 則為直流電流源。二、電流源（一）二、電流源（二）ui(a)is0ui(b)Is圖1.9 電流

17、源及直流電流源的伏安特性二、電流源（三）uip 3.電流為零的電流源相當(dāng)與開路。 4.電流源發(fā)出的功率為 p0, 電流源實(shí)際是發(fā)出功率; p0, 電流源實(shí)際是接受功率。5.電壓源和電流源,稱為獨(dú)立源獨(dú)立源。在電子電路的模型中還常常遇到另一種電源, 它們的源電壓和源電流不是獨(dú)立的, 是受電路中另一處的電壓或電流控制, 稱為受控源或非獨(dú)立源受控源或非獨(dú)立源例例1.3（一）（一）計(jì)算圖 1.10 所示電路中電流源的端電壓U1, 5電阻兩端的電壓U2和電流源、電阻、電壓源的功率P1, P2, P3。 2 AU1U25 U3 3 V圖 1.10 例1.3圖例例1.3（二）（二）VUUUVU1331010

18、253212電流源的電流、電壓選擇為非關(guān)聯(lián)參考方向, 所以P1=U1Is=132=26W (發(fā)出)電阻的電流、電壓選擇為關(guān)聯(lián)參考方向, 所以P2=102=20W (接受)電壓源的電流、 電壓選擇為關(guān)聯(lián)參考方向, 所以P3=23=6W (接受)解：教學(xué)方法以實(shí)際電池為例來闡述電壓源的特點(diǎn) 1.直流電壓源的電流是怎樣變化的？ 2 .直流電流源的端電壓怎樣確定？舉例說明。思考題1.6 基爾霍夫定律基爾霍夫定律目的與要求目的與要求 1.理解支路、節(jié)點(diǎn)、回路、網(wǎng)孔的定義2.掌握基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)重點(diǎn) 基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律難點(diǎn)難點(diǎn) 用基爾霍夫定律分析

19、電路基爾霍夫定律是集中參數(shù)電路的基爾霍夫定律是集中參數(shù)電路的基本定律基本定律, 它包括電流定律和電壓它包括電流定律和電壓定律定律（1）支路支路: 電路中流過同一電流的一個(gè)分支稱為一條支路。（2）節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn): 三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 (3) 回路回路: 由若干支路組成的閉合路徑,其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過一次, 這條閉合路徑稱為回路。 (4) 網(wǎng)孔網(wǎng)孔: 網(wǎng)孔是回路的一種。將電路畫在平面上, 在回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱為網(wǎng)孔。一、相關(guān)名詞一、相關(guān)名詞二、二、 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCL）（一）（一）1.在集中參數(shù)電路中, 任何時(shí)刻, 流出（或流入）一個(gè)節(jié) 點(diǎn)的所有支路電流

20、的代數(shù)和恒等于零, 這就是基爾霍夫電流定律, 簡(jiǎn)寫為KCL。 二、二、 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCL）（二）（二）0431iii（1.14）寫出一般式子, 為i=0把式（1.14）改寫成下式, 即i1=i3+i4對(duì)圖 1.11 中的節(jié)點(diǎn)a, 應(yīng)用KCL則有二、二、 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCL）（三）（三）657892134gi3i4bi5ci2fdei6Sai1圖1.11 電路實(shí)例二、二、 基爾霍夫電流定律（基爾霍夫電流定律（KCL）（四）（四）2.在集中參數(shù)電路中, 任何時(shí)刻, 流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)電流之和。 3. KCL原是適用于節(jié)點(diǎn)的, 也可以

21、把它推廣運(yùn)用于電路的任一假設(shè)的封閉面。例如圖1.11所示封閉面S所包圍的電路。126iii三、三、 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律（KVL）（一）（一） 0u（1.16）1.定義： 在集中參數(shù)電路中, 任何時(shí)刻, 沿著任一個(gè)回路繞行一周, 所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零, 這就是基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律, 簡(jiǎn)寫為KVL。 用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為三、三、 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律（KVL）（二）（二）2. 在寫出式（1.16）時(shí), 先要任意規(guī)定回路繞行的方向, 凡支路電壓的參考方向與回路繞行方向一致者, 此電壓前面取“+”號(hào), 支路電壓的參考方向與回路繞行方向相反者, 則電壓前面取“-”號(hào)。在圖1.11中, 對(duì)回路abcga 應(yīng)用KVL, 有0gacgbcabuuuu三、三、 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律（KVL）（三）（三）0gacgacuuu（1.17）3. 如果一個(gè)閉合節(jié)點(diǎn)序列不構(gòu)成回路, 例如圖1.11中的節(jié)點(diǎn)序列acga,在節(jié)點(diǎn)ac之間沒有支路, 但節(jié)點(diǎn)ac之間有開路電壓uac, KVL同樣適用于這樣的閉合節(jié)點(diǎn)序列, 即有三、三、 基爾霍夫電壓定律（基爾霍夫電壓定律（KVL）（四）（