電工與電子技術(shù)Ⅱ：第1章 電路的基本概念與基本定律

1、電工學(xué)（電工與電子技術(shù)） 第1章 電路的基本概念與基本定律1.1 電路的作用與組成部分1.2 電路模型1.3 電壓和電流的參考方向1.4 歐姆定律1.5 電源有載工作、開(kāi)路與短路1.6 基爾霍夫定律1.7 電路中電位的概念及計(jì)算本章要求:1.理解電壓與電流參考方向的意義；2. 理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用；3. 了解電路的有載工作、開(kāi)路與短路狀態(tài)，理解 電功率和額定值的意義；4. 會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。第1章 電路的基本概念與基本定律1.1 電路的作用與組成部分 (1) 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換 (2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理放大器揚(yáng)聲器話筒1. 電路的作用 電路是電流的通路，是為了某種需要

2、由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。 發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐.輸電線2. 電路的組成部分電源: 提供電能的裝置負(fù)載: 取用電能的裝置中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器電燈電動(dòng)機(jī)電爐.輸電線直流電源直流電源: 提供能源負(fù)載信號(hào)源: 提供信息2.電路的組成部分放大器揚(yáng)聲器話筒 電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等1. 2 電路模型手電筒的電路模型 為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路, 一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成

3、與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。例：手電筒 手電筒由電池、燈泡、開(kāi)關(guān)和筒體組成。 理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。+R0R開(kāi)關(guān)EI電珠+U干電池導(dǎo)線手電筒的電路模型 電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻Ro； 燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻R； 筒體用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。 開(kāi)關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。 今后分析的都是指電路模型，簡(jiǎn)稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。+R0R開(kāi)關(guān)EI電珠+U干電池導(dǎo)線1.3 電壓和電流的參考方向 物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向1. 電路基本物理量的實(shí)際方向物理

4、量實(shí) 際 方 向電流 I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向電動(dòng)勢(shì)E (電位升高的方向) 電壓 U(電位降低的方向)高電位 低電位 單 位kA 、A、mA、A低電位 高電位kV 、V、mV、VkV 、V、mV、V(2) 參考方向的表示方法電流：Uab 雙下標(biāo)電壓： (1) 參考方向I 在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。Iab 雙下標(biāo)2. 電路基本物理量的參考方向箭 標(biāo)abRI正負(fù)極性+abU U+_+R0E3V注意： 在參考方向選定后,電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。 實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。(3) 實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系I = 0.

5、28AI = 0.28A 電動(dòng)勢(shì)為E =3V方向由負(fù)極指向正極；U+R0E3VU+例: 電路如圖所示。 電流I的參考方向與實(shí)際方向相同，I=0.28A,由流向,反之亦然。 電壓U的參考方向與實(shí)際方向相反, U= 2.8V;即: U = U 電壓U的參考方向與實(shí)際方向相同, U = 2.8V, 方向由指向；2.8V 2.8V1.4 歐姆定律U、I 參考方向相同時(shí)U、I 參考方向相反時(shí)RU+IRU+I 表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：(1) 式前的正負(fù)號(hào)由U、I 參考方向的關(guān)系確定； (2) U、I 值本身的正負(fù)則說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向 之間的關(guān)系。 通常取 U、I 參考方向相同。U = I R U = I

6、R 解: 對(duì)圖(a)有, U = IR 例: 應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。對(duì)圖(b)有, U = IRRU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A電流的參考方向與實(shí)際方向相反電壓與電流參考方向相反電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性。 遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻，它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù)。I/AU/Vo線性電阻的伏安特性線性電阻的概念： 線性電阻的伏安特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。1.5 電源有載工作、開(kāi)路與短路開(kāi)關(guān)閉合, 接通電源與負(fù)載負(fù)載端電壓U = IR 1. 電壓電流關(guān)系1.5.1 電源有載工作(1) 電流的大小由負(fù)載決定。 (2) 在電源有內(nèi)阻時(shí)，I U 。

7、或 U = E IR0電源的外特性EUI0 當(dāng) R0R 時(shí)，則U E ，表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電源的端電壓變化不大，即帶負(fù)載能力強(qiáng)。R0ER+IU+ 開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。負(fù)載端電壓U = IR1.5.1 電源有載工作或 U = E IR0UI = EI I2R0P = PE P負(fù)載取用功率電源產(chǎn)生功率內(nèi)阻消耗功率(3) 電源輸出的功率由負(fù)載決定。負(fù)載大小的概念: 負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加(電壓一定)。R0ER+I 1. 電壓電流關(guān)系 2. 功率與功率平衡U+3. 電源與負(fù)載的判別 U、I 參考方向不同，P = UI 0，電源； P = UI 0，負(fù)載。U、I 參考方向相同，P =

8、UI 0，負(fù)載； P = UI 0，電源。 (1) 根據(jù) U、I 的實(shí)際方向判別(2) 根據(jù) U、I 的參考方向判別電源： U、I 實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出， （發(fā)出功率） 負(fù)載： U、I 實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。 （吸收功率）例: 已知:電路中U=220V，I=5A，內(nèi)阻R01= R02= 0.6。求: (1) 電源的電動(dòng)勢(shì)E1和負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)E2 ； (2) 說(shuō)明功率的平衡關(guān)系。R01E1UI+R02E2+解：(1) 對(duì)于電源 U= E1-U1= E1-IR01 則 E1= U +IR01 = 220+50.6=223V 同理 U= E2+U2= E2+IR02 則

9、E2= U -IR02 = 220-50.6 = 217V(2)由實(shí)際方向可知， E1發(fā)出功率，其余原件吸收功率。 P發(fā) =E1 I = 223 5=1115W P吸= E2 I +I2R01+I2R02=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6=1115W 功率守恒 電氣設(shè)備的額定值 額定值: 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值 1. 額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性； 2. 額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。 例：一只220V, 60W的白熾燈, 接在220V的電源上，試求通過(guò)電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時(shí)的電阻。如果每晚工作3h(小時(shí))，問(wèn)一個(gè)月消耗多少電能? 注意：電氣設(shè)備工作時(shí)的

10、實(shí)際值不一定都等于其額定值，要能夠加以區(qū)別。解: 通過(guò)電燈的電流為電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載)： I IN ，P IN ，P PN (設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經(jīng)濟(jì)合理安全可靠) 在220V電壓下工作時(shí)的電阻一個(gè)月用電W = Pt = 60W(3 30) h = 0.06kW 90h = 5.4kWh特征: 開(kāi)關(guān) 斷開(kāi)1.5.2 電源開(kāi)路I = 0電源端電壓 ( 開(kāi)路電壓 )負(fù)載功率U0 = EP = 01. 開(kāi)路處的電流等于零； I = 02. 開(kāi)路處的電壓 U 視電路情況而定。電路中某處斷開(kāi)時(shí)的特征:I+U有源電路IRoR+ -EU0+ -電源外部端

11、子被短接1.5.3 電源短路 特征:電源端電壓負(fù)載功率電源產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻消耗掉短路電流（很大）U = 0 PE = P = IR0P = 01.短路處的電壓等于零； U = 02.短路處的電流 I 視電路情況而定。電路中某處短路時(shí)的特征:I+U有源電路IRRo+ -E 1. 6 基爾霍夫定律支路：電路中的每一個(gè)分支。 一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱為支路電流。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)?；芈罚河芍方M成的閉合路徑。I1I2I3123ba+-E2R2+ -R3R1E1例1：支路：ab、bc、ca、 （共6條）回路：abda、abca、 adbca、adca、dcbd、acdba、adcba

12、（共7 個(gè)）結(jié)點(diǎn)：a、 b、c、d (共4個(gè)）adbcE+GR3R4R2I2I4IGI1I3IR11.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL定律)1定律 即: 入= 出 在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。 實(shí)質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)?；? = 0 （代數(shù)和）對(duì)結(jié)點(diǎn) a：I1+I2 = I3或 I1+I2I3= 0 基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。ba+-E2R2+ -R3R1E1I1I2I3 電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。2推廣I =?例:I = 0IA + IB + IC = 02+_+_I51156V12VIAI

13、BICAIBCIABACBIC廣義結(jié)點(diǎn) 在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。1.6.2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律)1定律即： U = 0 在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。對(duì)回路1：對(duì)回路2： E1 = I1 R1 +I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 12 基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。I1I2I3ba+-E2R2+ -R3R1E11列方程前標(biāo)注回路循行方向； 電位升 = 電

14、位降 E2 =UBE + I2R2 U = 0 I2R2 E2 + UBE = 02應(yīng)用 U = 0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號(hào)的確定： 如果規(guī)定電位降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。3. 開(kāi)口電壓可按回路處理 注意：1對(duì)回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_例：對(duì)回路abda：對(duì)回路acba：對(duì)回路bcdb：R6I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0I4 R4 + I3 R3 E = 0對(duì)回路 adbca，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校?I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0應(yīng)用 U = 0列方程對(duì)回路 cadc，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校?I2

15、R2 I1 R1 + E = 0adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I1.7 電路中電位的概念及計(jì)算電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓，記為“VX” 。 通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。1. 電位的概念 電位的計(jì)算步驟: (1) 任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零； (2) 標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算； (3) 計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。某點(diǎn)電位為正，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。2. 舉例 求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd 。解：設(shè) a為參考點(diǎn)， 即Va=0VVb=Uba= 106= 60VVc=Uca = 420 = 80 VV

16、d =Uda= 65 = 30 V設(shè) b為參考點(diǎn)，即Vb=0VVa = Uab=106 = 60 VVc = Ucb = E1 = 140 VVd = Udb =E2 = 90 Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 VUab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V 結(jié)論：(1)電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選取的不同，電路中 各點(diǎn)的電位也將隨之改變；(2) 電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考 點(diǎn)的不同而變， 即與零電位參考點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)。借助電位的概念可以簡(jiǎn)化電路作圖bca204A610AE290VE1140V56Ad+90V205+140V6cd2kA+I12kI26V(b)例1: 圖示電路，計(jì)算開(kāi)關(guān)S 斷開(kāi)和閉合時(shí)A點(diǎn) 的電位VA解: (1)當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)(2) 當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),電路 如圖（b）電流 I2 = 0，電位 VA = 0V 。電流 I1 = I2 = 0，電位 VA = 6V 。2k+6VA2kSI2I1(a)電流在閉合路徑中流通例2： 電路如下圖所示，(1) 零電位參考點(diǎn)在哪里？畫(huà)電路圖表示出來(lái)。(2) 當(dāng)電位器RP的滑動(dòng)觸點(diǎn)向下滑動(dòng)時(shí)，A、B兩