第1章 電路基礎基本概念和基本定律

1、電路基礎電路基礎 ( (第第3版）版）目 錄第1章 電路的基本概念和基本定律第2章 電路的基本分析方法第4章 正弦交流電路第5章 三相正弦交流電路第3章 電路的基本定理第7章 諧振電路第9章 線性動態(tài)電路分析第11章 異步電動機第10章 磁路與變壓器第8章 非正弦周期電流電路第6章 互感耦合電路 第1章 電路的基本概念和基本定律 老子道：老子道：合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于壘土；千里之行，始于足下。 荀子言：荀子言：不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海。 老師說：老師說：基礎不牢如沙上建塔。這里要講的是電路的基本概念與基本定律。章前絮語 電路和電路模型的概念；電路的基本電路和電路模

2、型的概念；電路的基本物理量；電阻、電源元件的概念；電路的物理量；電阻、電源元件的概念；電路的三種狀態(tài)；基爾霍夫定律；電位分析。三種狀態(tài)；基爾霍夫定律；電位分析。本章教學內容本章教學內容1-1 1-1 電路和電路模型電路和電路模型理解電路和電路模型的概念。重點內容：重點內容： 理想元件電路模型教學要求：教學要求： 1-1 1-1 電路和電路模型電路和電路模型電路：電路：由電器元件按一定方式連接起來的總體，由電器元件按一定方式連接起來的總體，為電流流通提供了路徑。為電流流通提供了路徑。一、電路一、電路實際電路實際電路實際電路視頻或圖片 前者如電力供電電路、電器設備的控制電路等。前者如電力供電電路、

3、電器設備的控制電路等。實現(xiàn)能量的轉換和傳輸實現(xiàn)能量的轉換和傳輸實現(xiàn)信號的傳遞和處理實現(xiàn)信號的傳遞和處理電路的作用：電路的作用： 發(fā)電機發(fā)電機升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電燈電燈電動機電動機電爐電爐.輸電線輸電線 后者如通信電路、測量電路等后者如通信電路、測量電路等。放大放大器器揚聲器揚聲器話筒話筒 理想電路元件理想電路元件：將實際元將實際元/ /器件加以理想化，在一器件加以理想化，在一定條件下忽略其次要電磁性質，用足以表征其主定條件下忽略其次要電磁性質，用足以表征其主要電磁性質的理想化的電路元件來表示。要電磁性質的理想化的電路元件來表示。二、電路模型二、電路模型例如: 電阻元件電阻

4、元件（R）消耗電能 電感元件電感元件（L）儲存磁場能量 電容元件電容元件（C）儲存電場能量 電源元件電源元件（US或或IS）產生電能 電路模型電路模型：由理想電路元件組成的電路。由理想電路元件組成的電路。燈泡燈泡電池電池開關開關負載負載電源電源控制環(huán)節(jié)控制環(huán)節(jié)手電筒電路模型手電筒電路模型電路模型UUSIR+_+_電路圖分為：電路圖分為：原理圖原理圖、裝配圖裝配圖、電路模型圖電路模型圖。 前兩種用于工程中安裝、檢修和調試； 后者用于電路分析。原理圖：原理圖：只表示線路的接法。裝配圖：裝配圖：除表示電路的實際接法外，還畫出有關部分 的裝置與結構，反映出電路的幾何尺寸和各 元件實際形狀。電路模型圖：

5、電路模型圖：由理想電路元件通過一定的連接構成的 圖。常用電路元件符號見表1-1。關于電路圖關于電路圖1-1三、電路的分類三、電路的分類集總參數(shù)電路：集總參數(shù)電路：l 0, ,相同，相同，i0ab電流的實際方向電流的實際方向電流的參考方向電流的參考方向i0, ,相同，相同，u0+-ab電壓的實際方向電壓的實際方向電壓的參考方向電壓的參考方向u0 ，表示點電位高于參考點電位。說明：參考點參考點的選擇是任意的。參考點的電位為零。工程上常選大地或機殼為參考點。如圖所示，以電路中的0點為參考點，則有 Va=Ua0，Vb=Ub0。電位表示圖電位表示圖R1R2VaVbba0+_ba0a00ba0abVVUU

6、UUUb 對于任意一個二端元件，如圖中的元件A。當正電荷在電場力作用下，從元件A的電壓“+”極端，經元件移到電壓“-”極端，即從高電位端移到低電位端，這時，電場力對正電荷做了功，該元件吸收了電能，如圖a所示。四、電功率與電能四、電功率與電能元件吸收或發(fā)出能量1.電能電能（單位：焦耳J）Aaib+u- - (a) 相反，正電荷從元件A的電壓“-”極經元件移到電壓的“+”極，是外力克服電場力做了功，該元件發(fā)出了電能，如圖b所示。 Aaib+u- -(b)元件吸收或發(fā)出能量twtpdd)(mW101WW,101kWkW,101MW333單位換算：2.2.電功率電功率國際制（SI）中，功率的單位為瓦特

7、，簡稱瓦（W）。p=ui對交流對直流 P=UI定義：單位時間內元件吸收或發(fā)出的電能為該電路的功率功率，用p表示，即u u、i i 方向與方向與 p 的關系：的關系：（1 1）u、i 取關聯(lián)參考方向時，取關聯(lián)參考方向時，p=ui： p0為吸收功率，為吸收功率， p0為吸收功率，為吸收功率， p0為發(fā)出功率；為發(fā)出功率； 所以，從所以，從 P P 的的正正或或負負可以區(qū)分元器件的性質，可以區(qū)分元器件的性質，或是電源，或是負載?；蚴请娫?，或是負載。例例1-1 1-1 如圖所示，已知元件如圖所示，已知元件A的的U=-4V，I=2A；已已知元件知元件B的的U=5V，I=-3A，求元件，求元件A、B的功率

8、是多的功率是多少，并說明是少，并說明是吸收還是發(fā)出功率。吸收還是發(fā)出功率。例1-1電路圖解解: :AaIb+ U - (a) BaIb+ U - (b) (1)對于元件A，U、I為關聯(lián)參考方向PA=UI=-42W=-8W0，元件A發(fā)出功率。(2)對于元件B，U、I為非關聯(lián)參考方向PB=-UI=-（5-3）W=15W0，元件B吸收功率。P1U1I2（-1）W-2W0，說明元件說明元件a a發(fā)出功率發(fā)出功率2W2W。 c b aI+ U1-+ U2 -+ U3-例1-2圖（1）對于元件a，U1、I為關聯(lián)參考方向解解: :例例1-2 1-2 某電路中的一部分如圖所示，三個元件中流某電路中的一部分如圖

9、所示，三個元件中流過相同電流過相同電流I I= -1A= -1A，U U1 1=2V=2V，（，（1 1）求元件）求元件a a的功率的功率P P1 1，并說明是吸收還是發(fā)出功率；（并說明是吸收還是發(fā)出功率；（2 2）若已知元件）若已知元件b b吸吸收功率為收功率為12W12W，元件，元件c c發(fā)出功率為發(fā)出功率為10W10W，求，求U U2 2，U U3 3。（2）元件b的U2、I為關聯(lián)參考方向，且吸收功率，則P2為正值，即P2U2I12W ， 所以所以U U2 2=12/=12/（-1-1）=-12V=-12V c b aI+ U1-+ U2 -+ U3-例1-2圖(3)元件c的U3、I為非

10、關聯(lián)參考方向，且發(fā)出功率，則P3為負值，即P3-U3I-10W， 所以所以U U3 3-10V-10V小結：小結：1.1.實際電路或實際電路元件可以用理想電路元件或理想電路元件組合的電路模型來表示。2.2.電流、電壓均有實際方向和參考方向之分，后者原則上可任意規(guī)定。同一支路二者參考方向有關聯(lián)參考方向和非關聯(lián)參考方向之分，一般無源元件取前者，有源元件取后者。 3.3.判斷元件吸收吸收還是發(fā)出發(fā)出功率，應先根據(jù)其電壓、電流參考方向是否關聯(lián)來正確地表達功率運算式，然后由算出的結果進行判斷。1-3 1-3 電阻元件電阻元件了解線性電阻和非線性電阻的概念掌握歐姆定律會計算電阻元件的功率重點內容重點內容:

11、 : 電阻歐姆定律教學要求教學要求: : 1-3 1-3 電阻元件電阻元件一、電阻一、電阻物體對電流的阻礙作用稱為物體對電流的阻礙作用稱為電阻電阻。單位歐姆（）換算關系：1M=106 1k=103物體對電流的傳導作用稱為物體對電流的傳導作用稱為電導電導。單位西門子（S）電阻與電導的關系：GR1SlR材料的電阻率，因材料的不同而不同二、電阻元件二、電阻元件Riu伏 - 安 特性iu常數(shù)iuRui常數(shù)iuR線性電阻線性電阻非線性電阻非線性電阻1.線性電阻與非線性電阻線性電阻與非線性電阻歐姆定律的表示和記憶：2.2.歐姆定律歐姆定律iuR (線性電阻的電壓電流關系，也稱元件約束）或uiG u=Rii

12、uRi=u/RiuRR=u/iiuR注意注意： 應用歐姆定律時，要注意電壓、電流的參考方向，取關聯(lián)參考方向時，i=u/R；若取非關聯(lián)參考方向，i=-u/R。電阻元件吸收的功率為：RuRip22A3A1030RUI電阻的功率 W90W330UIP由于由于P大于大于N ，該電阻將燒毀。，該電阻將燒毀。RUP2N可見，要使該電阻正常工作，外加電壓不能超過可見，要使該電阻正常工作，外加電壓不能超過20V20V。（1）根據(jù)歐姆定律，電流 （2）電阻功率V20V1040NRPU則：例例1-3 1-3 某一電阻元件為某一電阻元件為1010，額定功率，額定功率P PN N = 40W= 40W，（1 1）當加

13、在電阻兩端電壓為）當加在電阻兩端電壓為30V30V時，該電阻能正常時，該電阻能正常工作嗎？（工作嗎？（2 2）若要使該電阻正常工作，外加電壓）若要使該電阻正常工作，外加電壓不能超過多少伏？不能超過多少伏？解解: :小結小結：1.1.電阻元件是耗能元件。電阻元件是耗能元件?；蚧?.3.電阻消耗的功率電阻消耗的功率 RIRUUIP22u=RiU=RI2.2.歐姆定律歐姆定律 教學內容：教學內容： 電壓源和電流源的概念。教學要求：教學要求： 1.掌握理想電壓源、理想電流源的特點。 2. .初步掌握受控源的概念。教學重點和難點：教學重點和難點： 重點：重點：理想電壓源、理想電流源的特點。 難點：難點：

14、對電源特點的理解。1-4 1-4 電源元件電源元件 1-4 -4 電源元件 1.1.電壓源電壓源 理想電壓源簡稱理想電壓源簡稱電壓源電壓源。其特點是：它兩端的電壓是一個定值Us或是一定的時間函數(shù)us（t），與流過它的電流無關；而流過它的電流由與之相聯(lián)接的外電路共同確定。+u-+us-iOuiUs電壓源模型及直流電壓源的外特性圖 電壓源不能短路伏安特性伏安特性IUUSR RS S越大越大斜率越大斜率越大實際電壓源模型實際電壓源模型UIRS+-UsU=Us-IRs 實際直流電壓源模型及其外特性圖 可見，可見，實際電壓源的內阻越小，其特性越接近于理想電壓源。實際電壓源的內阻越小，其特性越接近于理想電

15、壓源。 2.2.電流源電流源 理想電流源簡稱理想電流源簡稱電流源電流源。其特點是：它向外輸出的電流是定值Is或是一定的時間函數(shù)is（t），而與它的端電壓無關；它的端電壓由與之相聯(lián)接的外電路確定。OuiIs+u-Isi 電流源模型及直流電流源的外特性圖 電流源不能開路實際直流電流源模型及其外特性 可見，可見，實際直流源的內電導越小，內部分流越小，其特性實際直流源的內電導越小，內部分流越小，其特性就越接近理想電流源。就越接近理想電流源。 ISRSUII=Is-GsUs 實際電流源模型實際電流源模型G GS S越小越小曲線越陡曲線越陡IsUIGS伏安特性伏安特性 流過電壓源的電流I=1A。電壓源的電

16、壓、電流為關聯(lián)參考方向，其功率PU=USI=3I=31W=3W0（吸收）（吸收）例例1-4 1-4 電路如圖所示，分析電路各元件的功率。電路如圖所示，分析電路各元件的功率。 +Us=3V - -+U- -Is=1AI例例1-41-4電路圖解解: :電流源的端電壓U=3V。電流源的電壓、電流為非關聯(lián)參考方向，其功率PI= -UIS= -USIS = -31W= -3W0（發(fā)出）（發(fā)出）說明: 電壓源吸收功率，說明此電壓源在該電路中是負載，或許此時在進行充電。 電流源發(fā)出功率，說明此電流源在該電路中是為電路提供電能的電源。例例1-5 1-5 求圖求圖1-22(a)1-22(a)所示電路的最簡等效電

17、路。所示電路的最簡等效電路。 解解: :化簡后的電路如圖1-22(c)所示。3.3.受控源受控源 受控電壓源的電壓和受控電流源的電流不是獨立的，而是受電路中某個電壓或電流控制的。四種受控源的圖形符號下如圖所示：四種受控源的圖形符號下如圖所示：(a)VCVS +u2- -+u1- -+u1- -i1 i2(b)CCVS +u2- -+ri1- -+u1- -i1 i2(d)CCCS +u2- -i1+u1- -i1 i2(c)VCCS +u2- -gu1+u1- -i1 i2線性受控源輸出特性 VCVS：u2=u1VCCS：i2=gu1 CCVS：u2=ri1CCCS：i2=i1三極管的輸入電阻

18、 受控源實際上是有源器件的電路模型，如晶體受控源實際上是有源器件的電路模型，如晶體管、電子管、場效應管、運算放大器等。管、電子管、場效應管、運算放大器等。beibiccibe晶體三極管ibibicRiCCCS受控源ic=ibV2V212s1 IU例例1-6 1-6 圖示電路為圖示電路為VCCSVCCS，已知，已知I I2 2=2=2U U1 1，電流源的，電流源的I Is s=1A=1A，求電壓，求電壓U U2 2。先求出控制電壓U1，從左方電路可知,故有A4A22212 UIV20V45522IU例1-5電路圖I I2Is2 +U1- -5 +U2- -解解: : 理想電壓源的電壓恒定不變，

19、電流隨外電理想電壓源的電壓恒定不變，電流隨外電路而變化。路而變化。 理想電流源的電流恒定不變，電壓隨外電理想電流源的電流恒定不變，電壓隨外電路而變化。路而變化。 實際電源的電路模型有兩種：實際電壓源實際電源的電路模型有兩種：實際電壓源和實際電流源，它們分別為理想電壓源和電阻和實際電流源，它們分別為理想電壓源和電阻串聯(lián)組成、理想電流源和電阻并聯(lián)組成。串聯(lián)組成、理想電流源和電阻并聯(lián)組成。小結小結：了解電路三種狀態(tài)的特點。重點內容重點內容: : 開路、短路、額定工作狀態(tài)教學要求教學要求: : 1-5 1-5 電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài) 1-5 1-5 電路的三種狀態(tài)電路的三種狀態(tài) 一、開路一、開路

20、 電源與負載未構成閉合電路，即電路處于電源與負載未構成閉合電路，即電路處于開路狀態(tài)開路狀態(tài)。 因為實際電流源的內電導因為實際電流源的內電導Gs一般都比較小，其一般都比較小，其開路電壓開路電壓Uoc將很大，會損壞電源設備，所以電流將很大，會損壞電源設備，所以電流源不應處于開路狀態(tài)。源不應處于開路狀態(tài)。 UGsRLIIsS實際電流源開路實際電流源開路 SURsUsIRL實際電壓源開路實際電壓源開路 電源開路時的特征電源開路時的特征I = 0U = US P = 0當開關斷開時，電源處于開路當開關斷開時，電源處于開路( (空載空載) )狀態(tài)。狀態(tài)。SURsUsIRL電路斷開電路斷開 二二. 短路短路

21、 短路短路是指電路的兩不同電位點由于某種原因而是指電路的兩不同電位點由于某種原因而短接在一起的現(xiàn)象短接在一起的現(xiàn)象。 在實際工作中應經常檢查電氣設備和線路的絕緣情況，盡量防止短路事故的發(fā)生。 RLIscUsRs電路的短路故障 電流過大，將燒毀電源！電流過大，將燒毀電源！U = 0I = IS = US/ RS ,很大很大P = 0 PS = P = RSIS2 電源短路時的特征電源短路時的特征 當電源兩端由于某種原因連在一起時，電源當電源兩端由于某種原因連在一起時，電源則被短路。則被短路。 為防止事故發(fā)生，需在電路中接入熔斷器或自為防止事故發(fā)生，需在電路中接入熔斷器或自動斷路器，用以保護電路。

22、動斷路器，用以保護電路。+U-ISUSRSRbcd+_aI三三. 額定工作狀態(tài)額定工作狀態(tài) 電路器件和電氣設備所能承受的電壓和電流有一定的限度，其工作電壓、電流、功率都有一個規(guī)定的正常使用的數(shù)值，這一數(shù)值稱為設備的額定值，電氣設備在額定值工作時的狀態(tài)稱為額額定工作狀態(tài)定工作狀態(tài)。RL+ R0I = USUSRSI電源的外特性曲線電源的外特性曲線當當 RS RL時，時， 則則 U USIUOUU = RLI或或 U = US RSI 電源有載工作狀態(tài)電源有載工作狀態(tài)SURsUsIRL 電源有載工作電源有載工作V20V200001. 0NNNRIUA01. 0A20002 . 0NNNRPI得N2

23、NNNNRIIUP根據(jù)解解: :例例1-71-7 有一個阻值為有一個阻值為2k2k，額定功率為，額定功率為1/5W1/5W的碳的碳膜電阻，試求其額定電流膜電阻，試求其額定電流I IN N和額定電壓和額定電壓U UN N值。值。小結小結： 電路有開路開路、短路短路和有載運行有載運行三種狀態(tài)。有載運行又有輕載、過載和額定工作三種狀態(tài)。選用電路元件時應重點注意其額定值，使電路工作在額定工作狀態(tài)。電路在工作時應防止發(fā)生短路故障。教學內容：教學內容： 1. 1.基爾霍夫電流定律。 2. 2.基爾霍夫電壓定律。教學要求：教學要求： 1.1.熟練掌握基爾霍夫定律的應用和計算。教學重點和難點：教學重點和難點：

24、 重點：重點：基爾霍夫定律的應用及電位分析方法。 難點：難點：對基爾霍夫定律的物理本質的認識。1-6 1-6 基爾霍夫定律基爾霍夫定律1-6 1-6 基爾霍夫定律基爾霍夫定律一一. 幾個有關的電路名詞幾個有關的電路名詞結點：結點：三個或三個以上支路的聯(lián)結點 支路：支路：電路中每一個分支回路：回路：電路中任一閉合路徑網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：內部不含支路的回路稱為網(wǎng)孔網(wǎng)絡：網(wǎng)絡：一般把較復雜的電路稱為網(wǎng)絡_+abcd-支路：支路：abab、adad、 . （共（共6 6條）條）回路：回路：abdaabda、 abcdaabcda、 . （共共7 7 個）個）結點：結點：a a、 b b、 . ( (共共4 4

25、個）個）網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：abdaabda、 bcdbbcdb、 . （共共3 3個）個）內容：任一時刻在電路的任一結點上，所有支路內容：任一時刻在電路的任一結點上，所有支路電流的代數(shù)和恒等于零，即電流的代數(shù)和恒等于零，即 二、基爾霍夫電流定律二、基爾霍夫電流定律I5I4I3I1aI2 I=0054321IIIIIi=0 或（若規(guī)定流入結點的電流為正，流出的為負）整理為 31542IIIII對圖示電路，對結點a有 KCL實際上是電流連續(xù)性原理在電路結點上的實際上是電流連續(xù)性原理在電路結點上的體現(xiàn)，也是電荷守恒定律在電路中的體現(xiàn)。體現(xiàn)，也是電荷守恒定律在電路中的體現(xiàn)。表明： 在任一時刻，流入任一在任一

26、時刻，流入任一結點的電流之和等于流出該結結點的電流之和等于流出該結點的電流之和，即點的電流之和，即i入=i出31542IIIIII5I4I3I1aI2電流定律還可以擴展到電路的任意封閉面。電流定律還可以擴展到電路的任意封閉面。基爾霍夫電流定律的擴展基爾霍夫電流定律的擴展I=0I=?US2US3US1+_RR1R+_+_RI1+I2=I3I1I2I3解解: :解解: :三三. 基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律內容：在任一時刻，沿任一回路各段電壓的代數(shù)內容：在任一時刻，沿任一回路各段電壓的代數(shù)和恒等于零。即和恒等于零。即U=0u=0或或dcbaUs3Us1R4R3R1R2I4I2I1I3繞行方向繞

27、行方向(與繞行方向一致時，該電壓取與繞行方向一致時，該電壓取“+”號，反之取號，反之取“-”號。號。) 0dacdbcabUUUU11s1abRIUU又因為22bcRIUs333cdURIU44daRIU s3s144332211UURIRIRIRI整理得 方程（1）表明：在任一時刻，在任一閉合電路中，所有電在任一時刻，在任一閉合電路中，所有電阻電壓的代數(shù)和等于所有電壓源電壓的代數(shù)和。阻電壓的代數(shù)和等于所有電壓源電壓的代數(shù)和。寫成一般形式IR=Us（列方程（列方程（2）時，若流過電阻的電流參考方向與）時，若流過電阻的電流參考方向與繞行方向一致時，該電阻電壓前面取繞行方向一致時，該電阻電壓前面取

28、“+”號，反號，反之取之取“-”號；若電壓源方向與繞行方向相反，該電號；若電壓源方向與繞行方向相反，該電壓源取壓源取“+”號，反之取號，反之取“-”號。）號。）方程（2）開口電路開口電路基爾霍夫電壓定律的擴展基爾霍夫電壓定律的擴展電位升電位升電位降電位降RIUUabSUS+_RabUabI繞行方向繞行方向例例: :解解: :設電流I1、I2、I3，列KCL方程。A11I得0)2(22I節(jié)點節(jié)點b b：0211I節(jié)點節(jié)點a：A42I得0632II節(jié)點節(jié)點c：2A3I得I110V6A- -2Adcba+5VRI21AI32A122例例1-7電路圖電路圖例例1-8 1-8 某電路中的一個回路，通過某電路中的一個回路，通過a a、b b、c c、d d四四個結點與電路的其他部分相連接，圖中已標注出部個結點與電路的其他部分相連接，圖中已標注出部分已知的元件參數(shù)及支路電流，求未知參數(shù)分已知的元件參數(shù)及支路電流，求未知參數(shù)R R及電及電壓壓U Uacac、U Ubdbd。再按abcda繞行方向，列KVL方程。01022215132IRIIV15V) 4( 22522152acabacIUUUV1V) 2(5 . 3) 4(2232cdbcbdRIIUUUI110V6A