電工基礎課件第一章

《電工基礎》

第一章電路的基本概念和基本定律主要制作：廖芳

2011年9月第1章主要內(nèi)容知識要點，技能要點，重點、難點1.1電路和電路模型1.2電路的主要物理量1.3電阻元件1.4電路的基本定律1.5電路的工作狀態(tài)1.6獨立電源及其等效變換1.7受控源1.8負載獲得最大功率的條件第1章小結2第1章知識要點［知識要點］1.電路的組成部分及其作用；2.電路的主要物理量和電阻元件特性；3.全電路歐姆定律和基爾霍夫定律；4.電源及其等效變換；5.電路的工作狀態(tài)及負載獲得最大功率的條件。3第1章技能要點［技能要點］1.指針式萬用表與數(shù)字萬用表的結構與使用；2.雙蹤穩(wěn)壓電源的結構和使用；3.基爾霍夫定律在實際電路中的運用；4.電路中的實際元件及其實際電路構成。4第1章重點、難點［重點、難點］1.電路組成及其各部分作用；2.參考方向；3．基爾霍夫定律；4．電源的等效變換。返回51.1電路及電路模型電路及其組成電路模型返回61.1電路及電路模型

1.電路及其組成電路是電流通過的路徑。它主要由電源、負載和中間環(huán)節(jié)三部分構成。（1）電源：提供電能的裝置，它把非電能轉(zhuǎn)換成電能。（2）負載：消耗電能的裝置，它把電能轉(zhuǎn)化成非電能。（3）中間環(huán)節(jié)：是用來連接電源和負載，起傳遞和控制電能的作用。71.1電路及電路模型手電筒實際電路電源內(nèi)部的電路叫做內(nèi)電路，電源之外的部分（負載、開關、連接導線等）叫做外電路。返回81.1電路及電路模型按電路功能不同，電路分為電力電路和信號電路兩大類。

（１）電力電路：指能夠?qū)崿F(xiàn)電能傳輸和轉(zhuǎn)換功能的電路，其特點是：信號強、功率大，屬于強電范疇。

（２）信號電路：指能夠?qū)崿F(xiàn)信號的傳遞、處理和存儲功能的電路，其特點是：信號弱、功率小，屬于弱電范疇。返回91.1電路及電路模型

2.電路模型

用理想元件構成的電路叫電路模型。

下圖為手電筒電路對應的電路模型，其中理想電路元件Us代表干電池，S代表開關，R代表小燈泡。101.1電路及電路模型部分理想電路元件的電路符號：(a)電阻元件(b)電感元件(c)電容元件(d)理想電壓源(e)理想電流源返回111.2電路的主要物理量

電流及其參考方向

電壓、電位、電動勢及其參考方向

電功率返回121.2電路的主要物理量

1.電流及其參考方向

電荷的定向運動形成電流。電流的大小用電流強度I或i來描述，是指單位時間內(nèi)，通過導體橫截面的電量。即或電流的基本單位：安培，簡稱安（A）。電流的常用單位：毫安（mA），微安（μA）;1Ａ＝103mA

＝106μA

131.2電路的主要物理量（1）電流的實際方向：正電荷移動的方向。（2）電流的參考方向：人為規(guī)定的電流方向。（3）實際方向與參考方向的關系：根據(jù)電流的參考方向進行計算時，若計算結果為正值（I＞0），說明電流的實際方向與參考方向相同；若計算結果為負值（I＜0），說明兩者相反。(a)實際方向與參考方向相同(b)實際方向與參考方向相反141.2電路的主要物理量（1）直流電流：方向不隨時間而變化的電流，用大寫字母I表示。（2）交流電流：大小和方向隨時間按一定規(guī)律變化的電流，用小寫字母i表示。（a）直流電流（恒定電流）（b）正弦交流電流返回151.2電路的主要物理量

2.電壓、電位、電動勢及其參考方向

（1）電壓在電場中，單位正電荷從a點移動到b點電場力所作的功，定義為ab兩點間的電壓Uab

。電壓的基本單位：伏特（V）。電壓的常用單位：千伏（KV），毫伏（mV），微伏（μV）。

1V＝103mV＝106μV＝10-3KV161.2電路的主要物理量

電壓的實際方向：從高電位指向低電位。

電壓的參考方向：人為規(guī)定的方向。

關聯(lián)參考方向：在外電路中將電流和電壓的參考方向選擇為一致的方向，稱為關聯(lián)參考方向；否則稱為非關聯(lián)參考方向。171.2電路的主要物理量（2）電位

電位：電路中的某點與電位參考點之間的電壓。

電位參考點（零電位點）的選定：理論上可以任意選定。在電工技術中，常選大地為電位參考點；在電子線路中，一般都把信號的輸入端、輸出端和電源的公共端接在一起（有時將該點與機殼相連），并取該點（通常稱為“地”端）作為電位參考點。要確定電路中的電位，首先要選定電位參考點。

在同一個電路網(wǎng)絡中，只能選擇一個電位參考點。

181.2電路的主要物理量

電位的單位：與電壓的單位相同，伏特（V）。

電位與電壓的關系:在電路中，任意兩點之間的電位之差，稱為這兩點的電壓。電壓也叫電位差。

Uab:指a、b兩點的電壓，方向從a點指向b點。

Ua、Ub:分別為a點和b點的電位?！摺?91.2電路的主要物理量（3）電動勢

電源電動勢的定義：在電源內(nèi)部，外力將單位正電荷由負極移到正極所作的功稱為電源電動勢，用字母E或US表示，其使用單位也是伏特（V）。①電源電動勢的實際方向：從低電位（負極）指向高電位（正極），與電源電壓的實際方向相反。②在電源的內(nèi)部，電流從低電位流向高電位，與電源外部的電流實際流向相反。返回201.2電路的主要物理量

3.電功率（1）電能及其轉(zhuǎn)換電源發(fā)出的電能大?。?/p>

實際工程計算中，電能的單位常常用千瓦·小時（KW·h）來表示，1千瓦·小時俗稱1度電。211.2電路的主要物理量例1.1一盞標稱值為220V/40W的日光燈，每天點亮5小時，問每月（按30天計算）消耗多少度電？若每度電費為0.60元，問每月需付電費多少元？解：220V/40W的日光燈每月消耗的電能為：每月需付的電費為：221.2電路的主要物理量（2）電功率P

單位時間內(nèi)，電路中產(chǎn)生或消耗的電能叫做電功率，簡稱功率。電功率的基本單位：瓦特（W）。常用的單位：千瓦（KW），毫瓦（mW），微瓦（μW）。

1W＝103

mW＝106μW＝10-3KW

在實際運算中，若P>0，則該元件為負載，P為實際消耗的功率；若P<0，則該元件為電源，P是電源發(fā)出的功率。231.2電路的主要物理量例1.2如圖所示，已知電源電動勢US為10V，負載兩端的電壓U為18V，電路中的電流I為2A，求電源電動勢發(fā)出的功率PS，負載電阻吸收的功率PL，電源內(nèi)阻RO消耗的功率。解：電源內(nèi)阻RO消耗的功率：返回241.3電阻元件

電阻的定義

電阻元件的伏安特性

電阻的功率計算返回251.3電阻元件在電路中，電阻主要有分壓、分流、負載（能量轉(zhuǎn)換）等作用，用于穩(wěn)定、調(diào)節(jié)、控制電路中電壓或電流的大小。常用電阻的外形結構及電路符號如圖所示。261.3電阻元件

1.電阻的定義導體對電流運動呈現(xiàn)的阻礙作用叫做電阻，用字母“R”表示。電阻R的基本單位：歐姆（Ω）。常用單位：千歐（KΩ）、兆歐（MΩ）、吉歐（GΩ）等。271.3電阻元件

固定電阻R：其阻值是已知且固定的，可用于電路中分流、分壓，或作為電路的負載。

熱敏電阻：是指其阻值隨溫度的變化而敏感的變化，常用于控制電路中。

電位器（可變電阻）：是指電阻的阻值大小在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，常用于電路的調(diào)試或電子產(chǎn)品的使用調(diào)節(jié)等場合。281.3電阻元件（1）導體的電阻與導體的長度和電阻率成正比，與導體的橫截面積成反比。（2）導體的電阻與溫度有關。溫度每變化1℃時，引起電阻的相對變化量稱為電阻的溫度系數(shù)α。返回291.3電阻元件

2.電阻元件的伏安特性電阻的伏安特性是指電阻兩端電壓與電流之間的關系特性。（1）歐姆定律：流過電阻R的電流I，與電阻兩端的電壓U成正比，與電阻R成反比。或或301.3電阻元件（2）線性電阻及其伏安特性當通過電阻的電流或加在電阻兩端的電壓發(fā)生變化時，電阻的阻值恒定不變（R為常數(shù)），則稱該電阻為線性電阻。線性電阻的伏安特性曲線為一條通過坐標原點的直線。

311.3電阻元件（3）非線性電阻及其伏安特性若電阻與通過它的電流和加在其兩端的電壓有關，即電阻的阻值隨著電流或電壓的變化而變化，這樣的電阻叫做非線性電阻。其伏安特性曲線不是一條通過原點的直線。321.3電阻元件例1.3測得某電路中一電阻兩端的電壓為20V，通過電阻的電流為4mA，求此電阻R的大??；若將電阻兩端的電壓增加到50V，問流過該電阻的電流I是多少？解：根據(jù)歐姆定律電阻R為：當電阻兩端的電壓增加到50V時，流過該電阻的電流I為：

返回331.3電阻元件

3.電阻的功率計算當電壓、電流取關聯(lián)參考方向時，電阻元件上的功率為：

若電壓、電流取非關聯(lián)參考方向時，電阻的功率為：341.3電阻元件例1.4如圖所示電路，已知電源電動勢的電壓US為12V,R1=50Ω，R2=150Ω

，電路中已標出各電流和電壓的參考方向。求電路各元件上的功率，并分析哪些元件在釋放能量，哪些元件在吸收能量，電路能否達到功率平衡。351.3電阻元件解：電路中的電流為：

電路中，U1和I為關聯(lián)參考方向，US與I、U2與I均為非關聯(lián)參考方向，所以:PS<0，說明電源US在釋放功率，P1>0、P2>0說明電阻R1和R2在消耗功率。釋放的功率等于消耗的功率，電路中的功率達到平衡。361.3電阻元件結論：無論電流、電壓如何變化，電阻上的功率P總是大于零，說明電阻總是在消耗功率，所以電阻是耗能元件。返回371.4電路的基本定律

全電路歐姆定律

電路中的名詞術語

基爾霍夫定律

電位的計算返回381.4電路的基本定律

1.全電路歐姆定律全電路是指包含有電源內(nèi)電路和電源以外的外電路的閉合電路。全電路中的電流與電源電壓、電阻之間滿足以下全電路歐姆定律關系：

返回391.4電路的基本定律

2.電路中的名詞術語

（1）支路。由一個或一個以上元件組成的無分支電路叫做支路。

（2）節(jié)點。三條或三條以上支路的聯(lián)接點叫做節(jié)點，又稱結點。

（3）回路。電路中任一閉合路徑叫做回路。

（4）網(wǎng)孔。不能再分割的基本回路叫做網(wǎng)孔。注意：網(wǎng)孔一定是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔；同一電路中，回路通常多于網(wǎng)孔。

401.4電路的基本定律例1.5指出下圖電路中，有多少條支路？多少個節(jié)點？多少個回路？多少個網(wǎng)孔？411.4電路的基本定律解：根據(jù)支路、節(jié)點、回路、網(wǎng)孔的定義可知，該電路有：

5條支路：a1d、a2d、ab、b3c、b4c3個節(jié)點：a、b、c(或d)6個回路：a2d1a、ab3cd2a、b4c3b、ab3cd1a、ab4cd2a、ab4cd1a3個網(wǎng)孔：a2d1a、ab3cd2a、b4c3b返回421.4電路的基本定律

3.基爾霍夫定律基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。基爾霍夫定律描述了電路中各部分電流之間的關系及各部分電壓之間的關系，適用于各種線性及非線性電路的分析運算。431.4電路的基本定律

（1）基爾霍夫電流定律（第一定律）在任一時刻，流入任一節(jié)點的所有電流代數(shù)和恒等于零，即或：在任一時刻，流入任一節(jié)點的電流等于流出該節(jié)點的電流。

列寫基爾霍夫電流方程時，首先要標出各電流的參考方向。441.4電路的基本定律例1.6如圖所示為某電路的一個節(jié)點，已知，求。451.4電路的基本定律解：根據(jù)KCL有:所以:或根據(jù)

,有則中的“-”號，表示的實際方向與參考方向相反。461.4電路的基本定律例1．7找出圖中電路I1、I2與I3的關系。返回471.4電路的基本定律解：根據(jù)基爾霍夫電流定律對節(jié)點1來說，有對節(jié)點2來說，有對節(jié)點3來說，有將上面三個等式相加，得出即，對于閉合面S來說，流入閉合面的電流代數(shù)和也等于零?？梢姡鶢柣舴螂娏鞫煽梢杂糜诠?jié)點，也可以推廣應用于閉合面。481.4電路的基本定律基爾霍夫電流定律KCL的推廣:

在任一時刻，流入任一閉合面的所有電流代數(shù)和恒等于零；或者，在任一時刻，流入任一閉合面的電流等于流出該閉合面的電流。返回491.4電路的基本定律

（2）基爾霍夫電壓定律（第二定律）

在電路中，沿任一回路的各電壓代數(shù)和恒等于零。

列寫基爾霍夫電壓方程的步驟：①標出電壓參考方向。

②選擇回路繞行方向。若電壓參考方向與繞行方向相同，則該電壓前取正號；若電壓參考方向與繞行方向相反，該電壓前取負號。

③根據(jù)列寫基爾霍夫電壓方程。501.4電路的基本定律例1．9列出圖所示電路的電壓方程。解：根據(jù)基爾霍夫電壓定律列寫的電壓方程為：將上式整理得：511.4電路的基本定律基爾霍夫電壓定律的另一種形式是：任一回路中，所有電阻上電壓的代數(shù)和，等于該回路中所有電動勢的代數(shù)和。即

運用上式時應注意，當電流的參考方向與繞行方向相同時，該電阻上電壓取正號，否則取負號；當電動勢的方向與回路繞行方向相同時，該電動勢前取正號，否則取負號。

注意，電動勢的實際方向是從低電位指向高電位。521.4電路的基本定律例1.10如圖所示，已知電源電壓US1=12V,US2=2V,US4=8V,電阻R1=8Ω,R2=R3=R4=2Ω,R5=3Ω,C點為接地點即零電位點。求（1）A點的電位UA。（2）A、B之間的電壓UAB。（3）若選B點為電位參考點，求UA和UAB

。531.4電路的基本定律

解：（1）圖左邊回路選順時針繞行方向，有

則根據(jù)題意，C點為接地點，即零電位點，則∵∴（2）圖右邊回路選逆時針繞行方向，有

541.4電路的基本定律根據(jù)基爾霍夫電壓定律，并在abdc回路中選順時針繞行方向，得出即

（3）若選B點為零電位點，則所以返回551.4電路的基本定律

4.電位的計算（1）電位的計算方法與步驟首先選定電位參考點（即零電位點），然后從要計算的電位點出發(fā)，任選一條路徑到達電位參考點，則該點的電位即等于此路徑上所有電壓的代數(shù)和。

注意，在繞行過程中，所有的電位降取正值，所有的電位升取負值。在繞行過程中，從正極到負極叫電壓降，從負極到正極叫電壓升。返回561.4電路的基本定律例1.11如圖所示，已知US1=12V,US2=-4V,U1=-6V,U2=10V。（1）選擇c點為電位參考點，求電路中a、b、c、d各點的電位及Uab、Ubc、Uad、Udc；（2）若選擇a點為電位參考點，求電路中a、b、c、d各點的電位及Uab、Ubc、Uad、Udc的電壓。571.4電路的基本定律解(1)：選擇C點為電位參考點，則UC=0，按順時針方向繞行，則各點電位和電壓為：581.4電路的基本定律選擇C點為電位參考點，按逆時針方向繞行，則各點電位和電壓為：591.4電路的基本定律

（2）：選擇a點為電位參考點，則Ua=0，按順時針方向繞行，則各點電位和電壓為：601.4電路的基本定律按逆時針方向繞行，各點電位和電壓為：由本例的計算結果可知：電位的大小與所選擇的路徑無關。電位參考點變化時，各點電位發(fā)生變化，但電壓的大小與電位參考點的選擇無關。返回611.4電路的基本定律

（2）電子電路的習慣畫法電子電路中，常常不直接畫出電源的符號和連接線路，而是用電位的形式表示電源的連接位置和極性，其目的是使復雜電子電路看上去更清楚、簡潔，并可一目了然地看出電路中各點電位的高低。621.4電路的基本定律

電子電路的習慣畫法返回631.5電路的工作狀態(tài)

電氣設備的額定值

電路的三種工作狀態(tài)返回641.5電路的工作狀態(tài)

1.電氣設備的額定值

電氣設備和電路元器件正常工作時，相關參數(shù)（電壓、電流、功率等）的允許值稱為額定值。電路中，常用的額定值有額定電壓UN、額定電流IN和額定功率PN，它們之間的關系為:

照明用的白熾燈其銘牌上標出的220V/25W，指的是該白熾燈工作的額定電壓為220V、額定功率為25W。

返回651.5電路的工作狀態(tài)電氣設備和電路元器件在額定狀態(tài)下使用,是最經(jīng)濟合理又安全可靠的，此時電路稱為額定工作狀態(tài)，也稱滿載。若電路參數(shù)超過額定值工作，稱為過載，短時間過載是不可避免的，長時間過載會造成電氣設備和電路元器件的損壞。若電路參數(shù)低于額定值的50%以下工作，稱為輕載，電氣設備不能正常工作。返回661.5電路的工作狀態(tài)

2.電路的三種工作狀態(tài)有載工作狀態(tài)短路狀態(tài)開路狀態(tài)返回有載狀態(tài)短路狀態(tài)開路狀態(tài)671.6獨立電源及其等效變換

電壓源

電流源

電源的等效變換返回681.6獨立電源及其等效變換電源有兩種表示形式：以輸出電壓為主要作用的電壓源以輸出電流為主要作用的電流源返回691.6獨立電源及其等效變換

1.電壓源（1）理想電壓源若電源兩端的電壓恒定，與負載的大小無關時，該電源稱為理想電壓源，又稱為恒壓源。返回（a）理想電壓源的表示符號（b）理想電壓源的伏安特性701.6獨立電源及其等效變換（2）實際電壓源實際電壓源是用理想電壓源與其內(nèi)阻的串聯(lián)來表示的。內(nèi)阻趨于零的電壓源可以認為是理想電壓源。

返回（a）實際電壓源（b）實際電壓源的伏安特性711.6獨立電源及其等效變換

2.電流源（1）理想電流源若電源輸出的電流恒定，與負載的大小無關時，該電源稱為理想電流源，又稱為恒流源。返回（a）理想電流源的表示符號（b）理想電流源的伏安特性721.6獨立電源及其等效變換（2）實際電流源實際電壓源是用理想電流源與其內(nèi)阻的并聯(lián)來表示的。內(nèi)阻無窮大的電流源可以認為是理想電流源。

返回（a）實際電流源（b）實際電流源的伏安特性731.6獨立電源及其等效變換

3.電源的等效變換對外電路來說，無論采用電壓源供電還是電流源供電，只要負載獲得的電壓和電流相同，就認為兩種電源對外電路的作用相同，兩種電源就可以等效。返回741.6獨立電源及其等效變換（1）電壓源等效變換為電流源的條件751.6獨立電源及其等效變換（2）電流源等效變換為電壓源的條件761.6獨立電源及其等效變換（3）電源等效變換的注意事項

①電壓源和電流源的等效是對外電路等效，對電源內(nèi)部是不等效的。

②等效變換中，要注意電壓源電動勢US和電流源IS的方向。即IS的方向是由US的負極流向正極。

③理想電壓源和理想電流源之間不能進行等效變換。返回771.6獨立電源及其等效變換（4）理想電源的簡化運算規(guī)則①幾個理想電壓源串聯(lián)的簡化運算幾個理想電壓源串聯(lián)時，等效電源的大小等于各電壓源的代數(shù)和疊加。返回781.6獨立電源及其等效變換②幾個理想電流源并聯(lián)的簡化運算幾個理想電流源并聯(lián)時，等效電流源的大小等于各個電流源的代數(shù)和疊加。返回791.6獨立電源及其等效變換③理想電壓源和理想電流源串聯(lián)的簡化運算一個理想電壓源和一個理想電流源串聯(lián)時，可以簡化為一個理想電流源支路。返回801.6獨立電源及其等效變換④理想電壓源和理想電流源并聯(lián)的簡化運算一個理想電壓源和一個理想電流源并聯(lián)時，可以簡化為一個理想電壓源支路。返回811.6獨立電源及其等效變例1.12利用電壓源與電流源的等效變換原理，求出圖（a）所示電路的電流I。（a）821.6獨立電源及其等效變解：圖（a）依次變換為圖（b）、圖（c）、圖（d），根據(jù)圖（d）計算出電路的電流I為：（b）(c)(d)831.6獨立電源及其等效變例1.13已知電路如圖（a）所示，試求電路中的電流I。（a）841.6獨立電源及其等效變解：圖（a）依次變換為圖（b）、圖（c）、圖（d），根據(jù)圖（d）計算出電路的電流I為：（b）(c)(d)返回851.7受控源受控源是指不能獨立的為外電路提供電能，其電壓或電流受其它支路的電壓或電流控制的電源。受控源由控制電路和受控電路兩部分構成。受控源可分為電壓控制的電壓源、電壓控制的電流源、電流控制的電壓源和電流控制的電壓源等四種形式。返回861.7受控源

1．電壓控制的電壓源VCVS

受控電壓u2與控制電壓u1的比值叫做電壓轉(zhuǎn)移比μ,也稱電壓放大系數(shù)，是一個無量綱的常數(shù)。返回871.7受控源

2．電壓控制的電流源VCCS

受控電流i2與控制電壓u1的比值叫做轉(zhuǎn)移電導gm，它是一個具有電導量綱（西門子S）的常數(shù)。返回881.7受控源

3．電流控制的電壓源CCVS

受控電壓u2與控制電流i1的比值叫做轉(zhuǎn)移電阻rm，它是一個具有電阻量綱（歐姆Ω）的常數(shù)。返回891.7受控源

4．電流控制的電流源CCCS

受控電流i2與控制電流i1的比值叫做電流轉(zhuǎn)移比β,也稱電流放大系數(shù)，它是一個無量綱的常數(shù)。返回901.7受控源例1.14如圖（a）所示，求電路中的電流I。解：將圖（a）所示電路等效變換成圖（b）所示。列出圖（b）所示電路的電壓方程為:

將上式整理得:返回（a）（b）911.8負載獲得最大功率的條件根據(jù)全電路歐姆定律和電阻功率求解的概念，可以得出負載電阻RL上的功率PL為:返回921.8負載獲得最大功率的條件將功率PL整理得：當負載電阻RL等于電源內(nèi)阻Ro時，負載獲得最大的功率PLmax。這種工作狀態(tài)稱為“匹配”。返回931.8負載獲得最大功率的條件通常把負載吸收的功率PL與電源產(chǎn)生功率PS的比值(用百分比表示)稱為傳輸效率，用η表示。即:

在匹配狀態(tài)下，負載可以獲得最大功率，但其傳輸效率不高，只有50%。返回941.8負載獲得最大功率的條件例1.15如圖（a）所示電路，已知R=6Ω,I=2A。問（1）當R=12Ω時，電流I為多少？（2）R為多大時，它獲得功率最大，其最大功率是多少？返回（a）951.8負載獲得最大功率的條件解：當R=6Ω,I=2A時（1）當R=12Ω時返回

961.8負載獲得最大功率的條件（2）將圖（a）電路進行電源等效變換，得到圖（b）、（c）的電路形式。得出當R=3Ω時，R獲得最大的功率，這時流過R的電流為：

R獲得的最大功率Pmax為：返回97第1章小結

1．電路就是電流通過的路徑。它由電源、負載和中間環(huán)節(jié)三部分構成。用理想電路元件構成的電路稱為電路模型。

2．電荷的定向運動形成電流，電流的實際方向