第一章 電路的基本概念與基本定律

《電工技術(shù)》要求：每周交作業(yè)一次，4次不交者取消期末考試資格；無故曠課4次者取消期末考試資格。總學(xué)時(shí)：90學(xué)時(shí)其中實(shí)驗(yàn)：8學(xué)時(shí)主講教師：高娜1/31/20231緒論

電工電子學(xué)是一門研究電能在技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)課，它包括：電工技術(shù)和電子技術(shù)兩部分。電工技術(shù)：電路理論：直流、交流、暫態(tài)、非正弦。磁路和電機(jī)：變壓器、電磁鐵、三相異步電動(dòng)機(jī)及控制。電子技術(shù)：模擬電子線路：半導(dǎo)體器件、分離件放大器、集成運(yùn)放、電源數(shù)字電路：各種門電路、組合電路、時(shí)序電路及555的應(yīng)用電路。1/31/20232一、電工電子學(xué)課程的作用和任務(wù)電工電子學(xué)是研究電工技術(shù)和電子技術(shù)的理論和應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)課程。作為技術(shù)基礎(chǔ)課程，它應(yīng)具有基礎(chǔ)性、應(yīng)用性和先進(jìn)性。

基礎(chǔ)是指基本理論、基本知識(shí)和基本技能。

應(yīng)用是指課程內(nèi)容要理論聯(lián)系實(shí)際，建立系統(tǒng)概念，培養(yǎng)大家分析和解決問題的能力；重視實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。

先進(jìn)性是指電工學(xué)課程內(nèi)容和體系隨著電工技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)不斷更新。1/31/20233二、電工技術(shù)和電子技術(shù)發(fā)展概況

1785年庫侖確定了電荷間的相互作用力，電荷的概念開始有了定量的意義。1826年歐姆發(fā)現(xiàn)了歐姆定律。1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。1834年雅可比制造出第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。

1864年麥克斯韋提出了電磁波理論。

1888年赫茲通過實(shí)驗(yàn)獲得了電磁波，證實(shí)了麥克斯韋提出了電磁波理論。

1895年意大利和俄國(guó)分別進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)，從而為無線電技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。1/31/20234未來的發(fā)展是《量子工學(xué)》

1883年愛迪生發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)。1904年弗萊明發(fā)明了電子二極管。1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管。

1958年生產(chǎn)出集成電路（到現(xiàn)在已經(jīng)是超大規(guī)模集成電路）。現(xiàn)在的集成電路線寬是0.3um，可望達(dá)到0.01um（30個(gè)原子的寬度）。1/31/20235三、課程的學(xué)習(xí)方法

2、上課注意聽講，下課要看除教材外的其它參考書及做適當(dāng)?shù)牧?xí)題。解題前，要對(duì)所學(xué)內(nèi)容基本掌握；解題時(shí)，要看懂題意，注意分析，用哪個(gè)理論和公式以及解題步驟也都要清楚。習(xí)題做在本子上，要書寫整潔，圖要標(biāo)繪清楚，答數(shù)要注明單位。1、重點(diǎn)放在物理概念和基本分析法。3、要重視實(shí)踐技能的培養(yǎng)。1/31/20236第一部分電路基礎(chǔ)

電路基礎(chǔ)是研究電路基本規(guī)律的一門學(xué)科，它是一門具有豐富內(nèi)容的學(xué)科，它的理論和方法，在其它領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。已知輸出輸入的條件，求元件參數(shù)和電路結(jié)構(gòu)。電路基礎(chǔ)：電路分析：電路綜合：已知電路結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)，求電路中的電流、電壓和功率。1/31/20237下面我們看一個(gè)例題，USR+RLUSRRLILUS1-US1?不會(huì)求的原因是電路中出現(xiàn)了兩個(gè)回路，我們對(duì)電路結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系不了解，所以不會(huì)求。求圖示電路中的電流。US2R21/31/20238第一章電路的基本概念與基本定律1.1電路與電路模型1.2電路的主要物理量1.3電路的三種工作狀態(tài)

1.4電壓源和電流源及其等效變換1.5基爾霍夫定律1/31/20239§1.1電路與電路模型教學(xué)目的：理解電路的概念、組成及分類重點(diǎn):電路的作用和組成難點(diǎn)：電路的作用和組成1/31/202310

一、電路的組成1．電路：電流流通的路徑稱為電路。電池負(fù)載開關(guān)2．組成：（1）電源：提供能量。（2）負(fù)載：消耗能量。（3）中間環(huán)節(jié)：連接電源和負(fù)載的導(dǎo)線及控制元件。1/31/202311（1）電能的傳輸與轉(zhuǎn)換。

3．作用發(fā)電機(jī)升壓變壓器降壓變壓器用戶負(fù)載如：輸配電電路。1/31/202312（2）信息的傳輸與處理。放大器話筒揚(yáng)聲器如：各種信息處理電路等。1/31/202313二、電路模型所謂電路模型就是指一個(gè)實(shí)際元件在特定的條件下，所表現(xiàn)的主要的電磁特性，而忽略其次要因素，如R、L、C等。這種表示的參數(shù)，我們稱為集總參數(shù)。電池負(fù)載開關(guān)開關(guān)++--ER0UR

實(shí)際電路都是由一些實(shí)際的元器件所組成。在分析電路時(shí)，我們要對(duì)實(shí)際電路建立數(shù)學(xué)模型—電路模型。1/31/202314§1.2電路的基本物理量

教學(xué)目的：掌握電路的基本物理量（電壓、電流的定義和參考方向參功率的計(jì)算）重點(diǎn):了解電路中的參考點(diǎn)的意義，掌握電位的計(jì)算難點(diǎn)：參考方向

1/31/202315一.電流

電流是由電荷的定向移動(dòng)而形成的。當(dāng)金屬導(dǎo)體處于電場(chǎng)之內(nèi)時(shí)，自由電子要受到電場(chǎng)力的作用，逆著電場(chǎng)的方向作定向移動(dòng)，這就形成了電流。其大小和方向均不隨時(shí)間變化的電流叫恒定電流，簡(jiǎn)稱直流。電流的強(qiáng)弱用電流強(qiáng)度來表示，對(duì)于恒定直流，電流強(qiáng)度I用單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電量Q來表示，即1/31/202316電流的單位是A(安［培］)。在1秒內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷為1C(庫侖)時(shí)，其電流則為1A。

計(jì)算微小電流時(shí),電流的單位用mA(毫安)、μA(微安）或nA(納安），其換算關(guān)系為：

1mA=10-3A，1μA=10-6A，1nA=10-9A習(xí)慣上，規(guī)定正電荷的移動(dòng)方向表示電流的實(shí)際方向。在外電路，電流由正極流向負(fù)極；在內(nèi)電路，電流由負(fù)極流向正極。1/31/202317

二.電壓電場(chǎng)力把單位正電荷從電場(chǎng)中點(diǎn)A移到點(diǎn)B所做的功WAB稱為A、B間的電壓,用UAB表示，即

UAB=

電壓的單位為V(伏［特］)。如果電場(chǎng)力把1C電量從點(diǎn)A移到點(diǎn)B所作的功是1J(焦耳)，則A與B兩點(diǎn)間的電壓就是1V。

計(jì)算較大的電壓時(shí)用kV(千伏），計(jì)算較小的電壓時(shí)用mV(毫伏）。其換算關(guān)系為：1/31/202318

1kV=103V，1mV=10-3V

電壓的實(shí)際方向規(guī)定為從高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)，即由“+”極指向“－”極，因此，在電壓的方向上電位是逐漸降低的。電壓總是相對(duì)兩點(diǎn)之間的電位而言的，所以用雙下標(biāo)表示，一個(gè)下標(biāo)(如A)代表起點(diǎn)，后一個(gè)下標(biāo)(如B)代表終點(diǎn)。電壓的方向則由起點(diǎn)指向終點(diǎn)，有時(shí)用箭頭在圖上標(biāo)明。1/31/202319三.電動(dòng)勢(shì)

為了維持電路中有持續(xù)不斷的電流，必須有一種外力，把正電荷從低電位處（如負(fù)極B）移到高電位處（如正極A）。在電源內(nèi)部就存在著這種外力。如圖1.4所示，外力克服電場(chǎng)力把單位正電荷由低電位B端移到高電位A端，所做的功稱為電動(dòng)勢(shì)，用E表示。電動(dòng)勢(shì)的單位也是V。如果外力把1C的電量從點(diǎn)B移到點(diǎn)A，所做的功是1J，則電動(dòng)勢(shì)就等于1V。

1/31/202320圖1-4電動(dòng)勢(shì)

電動(dòng)勢(shì)的方向規(guī)定為從低電位指向高電位，即由“－”極指向“+”極。1/31/202321

電壓和電流的參考方向++--ER0UR+-E1R1R-+E2R2II一.電流的參考方向－電流的實(shí)際方向?yàn)檎姾傻倪\(yùn)動(dòng)方向。（1）為什么要引入?yún)⒖挤较?？a）復(fù)雜電路很難確定電流的實(shí)際方向。b）交流電路中，電流本身就是交變的。（2）參考方向的選擇：原則上是任意的，實(shí)際和電壓的參考方向一起選。參考方向的表示方法：a）箭頭；

b）雙下標(biāo)。電流正負(fù)的意義：

負(fù)——表示參考方向和實(shí)際方向相反。正——表示參考方向和實(shí)際方向一致。1/31/202322-4Vc)正負(fù)號(hào)。二.電壓和電動(dòng)勢(shì)的參考方向5V4ΩIL+-Uab1Ω1A4V-1Aa)箭頭；b)雙下標(biāo)；

那么，在一個(gè)電路中，電流和電壓的參考方向應(yīng)該怎樣選擇呢？1/31/202323§1.3電路的三種工作狀態(tài)教學(xué)目的：了解電路的通路、開路和短路狀態(tài)；了解電源的有載、空載和短路狀態(tài)重點(diǎn):

電路空載，短路，有載的特點(diǎn)難點(diǎn)：電路空載，短路，有載的特點(diǎn)1/31/202324主要討論電路中電流、電壓和功率方面的內(nèi)容。一、電源有載工作R0EURabcd++--IR0EURabcd++--I

所謂有載工作狀態(tài)，是指電源與負(fù)載相連通，構(gòu)成一個(gè)電流的回路。E—電動(dòng)勢(shì)U—端電壓R0—電源內(nèi)阻R—負(fù)載1/31/2023251、電壓與電流

電源的伏安特性是指電源對(duì)外供電時(shí)，其端電壓U和流過其中電流I的關(guān)系。此種關(guān)系也稱電源的外特性。U=E-R0IUI0E電源的外特性曲線理想電源的外特性曲線U=ER0EURabcd++--I1/31/2023262、功率及功率平衡因?yàn)椋篣=E-R0I所以各項(xiàng)同乘電流后可得功率平衡式：

可以看出電源產(chǎn)生的功率和電路中所有消耗的功率是平衡的。

R0EURabcd++--I式中：P為電源輸出功率；PE為電源產(chǎn)生功率；△P為內(nèi)阻損耗的功率。PE=P+△P功率的單位是瓦特（W）或千瓦（KW）。U

=E

-R0I

P=PE-△P

III1/31/202327電源與負(fù)載的判別方法元件I+-UP=UI關(guān)聯(lián)方向＜0電源＞0負(fù)載元件I-+U非關(guān)聯(lián)方向＜0電源＞0負(fù)載1/31/202328例題5V4ΩI+-Uab1Ω1A4VER0RU0試求電路中各元件的功率，并驗(yàn)證功率平衡。解：1/31/202329

（5）當(dāng)R=RO時(shí)，電源輸出功率為最大（最大功率傳輸）。幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：（1）功率與電壓的平方成比，即電壓增大1倍，P增大4倍。（2）P=UI為關(guān)聯(lián)方向的關(guān)系式。（3）在關(guān)聯(lián)方向下功率大于0為耗能，小于0為放能（電源與負(fù)載的判別）。（4）對(duì)于獨(dú)立電路來說∑P≡0。1/31/202330特征R0EURabcd++--II=0P=0U=E=U0（開路電壓）二、電源開路（引伸為支路電流為零）1/31/202331

特征R0EURabcd++--IU=0I=IS=E/R0PE=△P=R0I2，P=0短路通常是一種嚴(yán)重事故，應(yīng)該盡力預(yù)防。三、電源短路1/31/202332§1.4電壓源與電流源及其等效變換

教學(xué)目的：熟悉電源的外特性及實(shí)際電源模型重點(diǎn):電壓源與電流源等效變換難點(diǎn)：等效變換原則、條件及注意事項(xiàng)1/31/202333例題:求圖示電路的電流I。I+--+6V4V23641I=？下面我們講解求解電路的另外一種解題方法。1/31/2023343．性質(zhì)：一、電壓源

如果一個(gè)二端元件在任一時(shí)刻，在任何電路中，其端電壓總能保持為某一給定的時(shí)間函數(shù)，而與通過它的電流無關(guān)。2．符號(hào)：+-USE+-uSe1．定義：（2）流過us的電流與外電路有關(guān)。（1）us與外電路無關(guān)；1/31/202335注意式中u與i為關(guān)聯(lián)方向4．電源的外特性（1）理想電壓源的外特性

（2）有內(nèi)阻時(shí)的外特性0uSi5．功率p=ui=＞0吸收功率＜0釋放功率1/31/202336二、電流源如果一個(gè)二端元件在任一時(shí)刻，任何電路中，其流過元件的電流總能保持為某一給定的時(shí)間函數(shù)而與其兩端的電壓無關(guān)。1．定義：2．符號(hào)：ISIs稱為電流源的電激流3．性質(zhì)：（1）Is與外電路無關(guān)；（2）u與外電路有關(guān)。1/31/2023375．功率：4．外特性：（1）理想電流源的外特性

（2）有內(nèi)阻時(shí)的外特性0uSi注意式中u與i為關(guān)聯(lián)方向p=ui=＞0吸收功率＜0釋放功率1/31/202338理想電壓源與電流源的串并聯(lián)1．電壓源的串聯(lián)+-UI+++---US1US2US3+-UIUS+-US=US1＋

US2－US3注意電源的極性1/31/2023392．電壓源的并聯(lián)只有電壓源的電壓相等時(shí)才成立。++--US1US2+-US3．電流源的串聯(lián)只有電流源的電流相等時(shí)才成立。ISIS1IS21/31/2023404．電流源的并聯(lián)+-UIIS1IS2+—UIISIS=IS1+IS2注意電流源的極性1/31/2023415．電流源和電壓源的串聯(lián)+-UI+++---US1US2IS3+-UIIS3+-等效為電流源+-UI+-IS3網(wǎng)絡(luò)1/31/2023426．電流源和電壓源的并聯(lián)+-UIIS1US+-+—UIUS+-等效為電壓源+-UIUS+-網(wǎng)絡(luò)1/31/202343三、電壓源與電流源的等效變換R0+-UIISUS=R0ISIS=US/R0

R0+-UI+-US使用注意事項(xiàng)：（1）理想電源不能變換。（2）注意參考方向。（3）串聯(lián)時(shí)變?yōu)殡妷涸矗⒙?lián)時(shí)變?yōu)殡娏髟?。?）只對(duì)外部等效，對(duì)內(nèi)不等效。1/31/202344例：求圖示電路中的I。3326416V2A4V++--I解：326416V2A4V++--I326412A4V+-I2A1/31/202345326412A4V+-I2A22414V+-I4A2414V+-I+-28V414V+-I+-48V1/31/202346441I2A1A21I3A1I+-26VI=2A414V+-I+-48V解題規(guī)則：并聯(lián)變?yōu)殡娏髟?；串?lián)變?yōu)殡妷涸础?/31/202347例：求圖示電路中的U。++++----154410V5V15V5V5A+-U1/31/202348++++----154410V5V15V5V5A+-U+++--4415V5V5A+-U+-4420V5A+-U445A5A+-U25A5A+-UU=0V1/31/202349++++----154410V5V15V5V5A+-U例：求圖示電路中的U。+-1/31/202350§1.4基爾霍夫定律

教學(xué)目的：掌握電路的基本定律----

基爾霍夫定律重點(diǎn):基爾霍夫定律的應(yīng)用難點(diǎn)：基爾霍夫定律的推廣1/31/202351基爾霍夫（德國(guó)物理學(xué)家）

除了歐姆定律外，分析與計(jì)算電路的基本定律，還有基爾霍夫電流定律(KCL)和電壓定律(KVL)?；鶢柣舴螂娏鞫蓱?yīng)用于結(jié)點(diǎn)，基爾霍夫電壓定律應(yīng)用于回路。++--E1E2R2R1R3I1I2I3cabd1/31/2023525．網(wǎng)絡(luò)：指較多元件組成的電路。一、名詞解釋++--E1E2R2R1R3I1I2I3cabd

1．支路：電路中的每一分支稱為支路（流過同一電流）。流過支路的電流稱為支路電流。2．結(jié)點(diǎn)：支路的交叉稱為結(jié)點(diǎn)。3．回路：一條或多條支路所組成的閉合電路。4．網(wǎng)孔：不含支路的回路。1/31/2023531．定義：在任一時(shí)刻，任一結(jié)點(diǎn)上的所有支路電流的代數(shù)和恒為零。即∑I=0；或∑I入=∑I出

二、KCL（電流定律）

I1+I2-I3=0或-I1-I2+I3=0也可寫成：

I1+I2=I3

（入）（出）2．注意正負(fù)號(hào)的取法（兩套符號(hào)）++--E1E2R2R1R3I1I2I3cabd1/31/2023543．推廣到廣義結(jié)點(diǎn)上使用，任一閉合面。IAIBICIABIBCICAABCIC=ICA-IBC將三式相加得：

IA+IB+IC=0或∑I=0IA=IAB-ICAIB=IBC-IABIA+IB+IC=0【證明】1/31/202355圖示電路中，已知I1=11mA，I4=12mA，I5=6mA。求I2，I3和I6。I1R1R2R3I2I3I4I5I6例題：解：I3=I1－I5=11－6=5（mA)I2=I3－I4=5－12=－7（mA)I6