電路的作用與組成部分

電路的作用與組成部分第一頁，共六十三頁，2022年，8月28日本章要求: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用；3.了解電路的有載工作、開路與短路狀態(tài)，理解電功率和額定值的意義；4.會計算電路中各點的電位。第1章電路的基本概念與基本定律第二頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.1

電路的作用與組成部分

(1)實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉換(2)實現(xiàn)信號的傳遞與處理放大器揚聲器話筒1.電路的作用電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設備或電路元件按一定方式組合而成。

發(fā)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐...輸電線第三頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.電路的組成部分電源:

提供電能的裝置負載: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)電機升壓變壓器降壓變壓器電燈電動機電爐...輸電線第四頁，共六十三頁，2022年，8月28日直流電源直流電源:

提供能源信號處理：放大、調諧、檢波等負載信號源:

提供信息2.電路的組成部分放大器揚聲器話筒電源或信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路工作；由激勵所產生的電壓和電流稱為響應。第五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路的組成：電源，負載和中間環(huán)節(jié)電源：將非電能轉換成電能的裝置，

例如：發(fā)電機、干電池負載：將電能轉換成非電能的裝置例如：電動機、電爐、燈中間環(huán)節(jié)：連接電源和負載的部分，起傳輸和分配電能的作用。例如：輸電線路第六頁，共六十三頁，2022年，8月28日簡單電路：S電源中間環(huán)節(jié)負載E第七頁，共六十三頁，2022年，8月28日復雜電路：

第八頁，共六十三頁，2022年，8月28日發(fā)電機電燈電動機電爐升壓變壓器降壓變壓器輸電線電源中間環(huán)節(jié)負載第九頁，共六十三頁，2022年，8月28日我們常將具有一定功能的電路視為一個系統(tǒng)。對一個系統(tǒng)而言，電源（或信號源）的作用稱為激勵，由激勵引起的結果（如某個元件上的電流、電壓）稱為響應。激勵和響應的關系就是作用和結果的關系，往往對應著輸入與輸出的關系。第十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

分析“電路”問題的

核心點任何電路，都是在電動勢、電壓或電流的作用下進行工作的，對于電路的分析和計算就是要討論電壓、電動勢和電流狀態(tài)以及它們之間的關系。即討論響應的狀態(tài)及與激勵的關系電第十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.2

電路模型（circuitmodel)

為了便于用數學方法分析電路,一般要將實際電路模型化，用足以反映其電磁性質的理想電路元件或其組合來模擬實際電路中的器件，從而構成與實際電路相對應的電路模型。實際電路都是根據人們的需要將實際的電路元件或器件搭接起來，以完成人們的預想要求。如發(fā)電機、變壓器、電動機、電阻器及電容器等，但是，實際元器件的電磁特性十分復雜。為便于對電路的分析和數學描述，常將實際元器件理想化（即模型化）第十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日理想電路元件：在一定條件下，突出其主要電磁性，忽略次要因素，將實際電路元件理想化（模型化）。電路模型：由理想電路元件所組成的電路，就是實際電路的電路模型。第十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日手電筒的電路模型例：手電筒R+RoE–S+U–I電池導線燈泡開關手電筒由電池、燈泡、開關和筒體組成。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。第十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日手電筒的電路模型R+RoE–S+U–I電池導線燈泡開關電池是電源元件，其參數為電動勢E和內阻Ro；

燈泡主要具有消耗電能的性質，是電阻元件，其參數為電阻R；

筒體用來連接電池和燈泡，其電阻忽略不計，認為是無電阻的理想導體。

開關用來控制電路的通斷。今后分析的都是指電路模型，簡稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號表示。第十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路與電路模型實際電路：電路模型：導線開關電池燈泡+R0R開關E干電池電珠S導線開關電池+R0R開關E干電池電珠SI第十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日電阻(resistance)R電感(inductance)L電容(capacitance)C電壓源(voltagesource)電流源(currentsource)Is常用理想元件如下：E第十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路的基本物理量1.電流(current)概念:電荷有規(guī)則的定向運動大小:單位時間通過導體橫截面的電荷量方向:正電荷移動的方向單位:安培(A)

毫安(mA)微安(A)

abSIabi=dq/dt

I=q/t

(直流)第十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.電壓(voltage)

ab兩點間的電壓Uab在數值上等于電場力把單位正電荷從a點移到b點所做的功。abEbaIUabUab=Va-Vb單位：伏特(V) 千伏(kV)毫伏(mV)第十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日3.電位（electricpotential)

電路中某點的電位就是該點到參考點之間的電壓，數值上等于電場力把單位正電荷從該點移到參考點所做的功。參考點用或表示。

Va=Uao第二十頁，共六十三頁，2022年，8月28日4.電動勢（electromotiveforce)abEbaIUab電源的電動勢Eba在數值上等于電場力把單位正電荷從電源的低電位端b經電源內部移到高電位端a所做的功。單位：電動勢與電壓的單位相同。為伏特(V)第二十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.3

電壓和電流的參考方向物理中對基本物理量規(guī)定的方向1.電路基本物理量的實際方向物理量實際方向電流I正電荷運動的方向電動勢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、μA低電位

高電位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV第二十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路分析中的假設正方向（參考方向）問題的提出：在復雜電路中難于判斷元件中物理量的實際方向，電路如何求解？電流方向AB？電流方向BA？U1ABRU2IR第二十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日解決方法(1)在解題前先設定一個正方向，作為參考方向；(3)根據計算結果確定實際方向：若計算結果為正，則實際方向與假設方向一致；若計算結果為負，則實際方向與假設方向相反。(2)根據電路的定律、定理，列出物理量間相互關系的代數表達式；第二十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日(2)參考方向的表示方法電流：Uab

雙下標電壓：

(1)參考方向IE+_在分析與計算電路時，對電量任意假定的方向。Iab

雙下標2.電路基本物理量的參考方向aRb箭標abRI正負極性+–abU

U+_第二十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日實際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負值。(3)

實際方向與參考方向的關系注意：在參考方向選定后，電流(或電壓)值才有正負之分。若I=5A，則電流從a流向b；例：若I=–5A，則電流從b流向a。abRIabRU+–若U=5V，則電壓的實際方向從a指向b；若U=–5V，則電壓的實際方向從b指向a。第二十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日參考方向：人為規(guī)定的方向。關聯(lián)的參考方向：U=IR非關聯(lián)的參考方向：U=-IR

UIUI第二十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日abaaabbbII+-+-+--UU+實際方向實際方向實際極性實際極性I>0I<0U>0U<0(a)(b)(c)(d)第二十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：如圖，設I=1A,則Iab=?(1)+1A(2)-1AabRI第二十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.4

歐姆定律U、I參考方向相同時，U、I參考方向相反時，RU+–IRU+–I

表達式中有兩套正負號：①式前的正負號由U、I

參考方向的關系確定；②

U、I

值本身的正負則說明實際方向與參考方向之間的關系。通常取

U、I

參考方向相同。U=IR

U=–IR第三十頁，共六十三頁，2022年，8月28日解：對圖(a)有,U=IR例：應用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。對圖(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6V

I(a)(b)I–2A第三十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日電路端電壓與電流的關系稱為伏安特性。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。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原點的直線。第三十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.5

電源有載工作、開路與短路開關閉合,接通電源與負載負載端電壓U=IR特征:1.5.1電源有載工作IR0R+

-EU+

-I①

電流的大小由負載決定。②在電源有內阻時，IU?；騏=E–IR0電源的外特性EUI0當

R0<<R時，則UE

，表明當負載變化時，電源的端電壓變化不大，即帶負載能力強。第三十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日開關閉合,接通電源與負載。負載端電壓U=IR特征:

電源有載工作①

電流的大小由負載決定。②在電源有內阻時，IU?；騏=E–IRoUI=EI–I2RoP=PE

–P負載取用功率電源產生功率內阻消耗功率③電源輸出的功率由負載決定。負載大小的概念:

負載增加指負載取用的電流和功率增加(電壓一定)。IR0R+

-EU+

-I第三十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日電源與負載的判別U、I參考方向不同，P=UI

0，電源；

P=UI

0，負載。U、I參考方向相同，P=UI0，負載；

P=UI

0，電源。

1.

根據U、I的實際方向判別2.

根據U、I的參考方向判別電源：

U、I實際方向相反，即電流從“+”端流出，（發(fā)出功率）；負載：

U、I實際方向相同，即電流從“-”端流出。（吸收功率）。第三十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日規(guī)定正方向的情況下電功率的寫法IUP=如果UI方向不一致寫法如何？電壓電流正方向一致aIRUb第三十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日規(guī)定正方向的情況下電功率的寫法aIRUb電壓電流正方向相反P=–UI功率有正負？第三十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日吸收功率或消耗功率（起負載作用）若P0輸出功率（起電源作用）若P0電阻消耗功率肯定為正電源的功率可能為正（吸收功率），也可能為負（輸出功率）功率有正負第三十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日電源與負載的判別:

關聯(lián)的參考方向：P=UI非關聯(lián)的參考方向：P=-UI若P>0

表明元件是吸收功率是負載

若P<0

表明元件是發(fā)出功率是電源

第三十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日含源網絡的功率IU+-含源網絡P=UI電壓電流正方向一致P=–UI電壓電流正方向不一致IU+-含源網絡第四十頁，共六十三頁，2022年，8月28日當計算的P>0

時,則說明U、I的實際方向一致，此部分電路消耗電功率，為負載。

所以，從P的+或-可以區(qū)分器件的性質，或是電源，或是負載。結論在進行功率計算時，如果假設U、I

正方向一致。當計算的P<0

時,則說明U、I的實際方向相反，此部分電路發(fā)出電功率，為電源。第四十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日電氣設備的額定值額定值:電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值電氣設備的三種運行狀態(tài)欠載(輕載)：I<IN

，P<PN(不經濟)

過載(超載)：

I>IN

，P>PN(設備易損壞)額定工作狀態(tài)：I=IN

，P=PN

(經濟合理安全可靠)

1.額定值反映電氣設備的使用安全性；2.額定值表示電氣設備的使用能力。例：燈泡：UN=220V

，PN=60W電阻：RN=100

，PN=1W第四十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：如圖，已知U1=14V,I1=2A,U2=10V,I2=1A,

U3=-4V,I4=-1A,求各方可框電路中的功率，并說明是吸收功率還是發(fā)出功率。342U1I1U3I4I2U21第四十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日解：P1=–U1I1=-14×2=–28W

P2=U2I2=10

×1=10WP3=-U3I1=-(-4)

×2=8WP4=-U2I4=-10

×(-1)=10WP1+P2+P3+P4=(-28)+10+8+10=0驗算：滿足∑P=0:結果正確

第四十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日特征:開關斷開

電源開路I=0電源端電壓

(開路電壓)負載功率U

=U0=EP

=01.開路處的電流等于零；

I

=02.開路處的電壓U視電路情況而定。電路中某處斷開時的特征:I+–U有源電路IRoR+

-EU0+

-第四十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日電源外部端子被短接

電源短路特征:電源端電壓負載功率電源產生的能量全被內阻消耗掉短路電流（很大）U

=0

PE=P=I2R0P

=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。電路中某處短路時的特征:I+–U有源電路IR0R+

-EU0+

-第四十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日【思考與練習】1-5-3額定值為1W、100的碳膜電阻，在使用時電流和電壓不得超過多大值？答：由功率P與電阻R的關系公式P=I2R或P=U2/R可得：電流I=√P/R=(1/100)1/2=0.1A同理：電壓U=√PR=(1×100)1/2=10V第四十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日【思考與練習】1-5-6有一臺直流發(fā)電機，其名牌上標有40kW、230V、174A。試問：什么是發(fā)電機的空載運行、輕載運行、滿載運行和過載運行？負載的大小，一般指什么而言？答：空載運行

指發(fā)電機對外開路，無功率輸出；

輕載運行指發(fā)電機所帶負載取用功率小于或遠小于額定功率的40kW，或輸出電流小于或遠小于174A；

滿載運行

發(fā)電機所帶負載取用功率基本與發(fā)電機額定功率(40kW)相當；

過載運行負載從發(fā)電機取用的功率大于發(fā)電機的額定功率，這種情況對發(fā)電機的運行有較大危害。負載的大小一般指負載從電源取用功率的大小。顯然，此時R愈小負載愈大，反之亦然。第四十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日

1.6

基爾霍夫定律支路：電路中的每一個分支。一條支路流過一個電流，稱為支路電流。結點：三條或三條以上支路的聯(lián)接點?；芈罚河芍方M成的閉合路徑。網孔：內部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E1123第四十九頁，共六十三頁，2022年，8月28日例1：支路：ab、bc、ca、…（共6條）回路：abda、abca、adbca…

（共7個）結點：a、b、c、d

(共4個）網孔：abd、abc、bcd

（共3個）adbcE–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I第五十頁，共六十三頁，2022年，8月28日

基爾霍夫電流定律(KCL定律)

Kirchhoff’scurrentlaw(KCL)

1．定律即:Ｉ入=

Ｉ出

在任一瞬間，流向任一結點的電流等于流出該結點的電流。實質:電流連續(xù)性的體現(xiàn)?；?Ｉ=0I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E1對結點a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結點處各支路電流間相互制約的關系。第五十一頁，共六十三頁，2022年，8月28日電流定律可以推廣應用于包圍部分電路的任一假設的閉合面。2．推廣I=?例:廣義結點I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V第五十二頁，共六十三頁，2022年，8月28日在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數和恒等于零。

基爾霍夫電壓定律（KVL定律)

Kirchhoff’svoltagelaw(KVL)1．定律即：U=0在任一瞬間，從回路中任一點出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個方向上電位升之和等于電位降之和。對回路1：對回路2：

E1=I1R1+I3R3I2R2+I3R3=E2或I1R1+I3R3–E1=0或I2R2+I3R3–E2=0I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E112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系。第五十三頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：電路如圖，應用基爾霍夫電壓定律列出回路方程。++--I3R3E3R2I2E2I1R1解：-I1R1–E2+I2R2+E3–I3R3=0或-I1R1+I2R2–I3R3=E2–E3

第五十四頁，共六十三頁，2022年，8月28日推廣應用于部分電路

R0+-IUEU=E–IR0第五十五頁，共六十三頁，2022年，8月28日1．列方程前標注回路循行方向；

電位升=電位降

E2=UBE+I2R2U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．應用

U=0列方程時，項前符號的確定：

如果規(guī)定電位降取正號，則電位升就取負號。3.開口電壓可按回路處理

注意：1對回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_第五十六頁，共六十三頁，2022年，8月28日例：對網孔abda：對網孔acba：對網孔bcdb：R6I6R6–I3R3+I1R1=0I2R2–

I4R4–I6R6=0I4R4+I3R3–E=0對回路adbca，沿逆時針方向循行：–I1R1+I3R3+I4R4–I2R2=0應用U=0列方程對回路cadc，沿逆時針方向循行：–I2R2–I1R1+E

=0adbcE–+R3R4R1R2I2I4I6I1I3I第五十七頁，共六十三頁，2022年，8月28日1.7

電路中電位的概念及計算電位：電路中某點至參考點的電壓，記為“VX”

。

通常設參考點的電位為零。1.電位的概念電位的計算步驟:

(1)任選電路中某一點為參考點，設其電位為零；

(2)標出各電流參考方向并計算；

(3)計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位。某點電位為正，說明該點電位比參考點高；某點電位為負，說明該點電位比參考點低。第五十八頁，共六十三頁，2022年，8月28日2.舉例求圖示電路中各點的電位:Va、Vb、Vc、Vd

。解：設a為參考點，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca