1、第一章 電路的基礎(chǔ)知識,1.1 電路及其主要物理量,1.2 電路的狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值,1.3 基爾霍夫定律,1.4 理想電路元件及實(shí)際電路的兩種電路模型,本章要求: 1.理解電壓與電流參考方向的意義； 2. 理解基爾霍夫定律并能正確應(yīng)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(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。,第一章 電路的基礎(chǔ)知識,11 電路及其主要物理量,一. 電路的概念,電流通過的路徑叫電路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。,手電筒的電路模型,電池,中間環(huán)節(jié),燈泡,一個(gè)完整的電路是由電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)（包括開關(guān)和導(dǎo)線等）三部分按

2、一定方式組成的 。,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,電路各部分的作用,電路按其功能可分為兩類：電力電路、 信號電路。,（2）信號電路實(shí)現(xiàn)信號的傳遞和轉(zhuǎn)換,（1）電力電路實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換,二、電路的主要物理量,電流 其數(shù)值等于單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體某一橫截面的電荷量。 在直流電路中，,1. 電流,電流的方向：規(guī)定正電荷移動的方向?yàn)檎较颉?參考方向：在分析與計(jì)算電路時(shí)，任意假設(shè)的方向。,例：,若 I = 5A，則電流從 a 流向 b；,若 I = 5A，則電流從 b 流向 a 。,實(shí)際方向與參考方向一致，電流值為正值； 實(shí)際方向與參考方

3、向相反，電流值為負(fù)值。,實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系：,電流的單位：kA 、A、mA、A,注意： 在參考方向選定后，電流值才有正負(fù)之分。,2. 電壓,電壓U: 電場力移動單位正電荷所作的功。,電壓U 實(shí)際方向：從高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)。,單 位：kV 、V、mV、V,實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系:,實(shí)際方向與參考方向一致，電壓值為正值； 實(shí)際方向與參考方向相反，電壓值為負(fù)值。,當(dāng)U與I參考方向一致， 稱為關(guān)聯(lián)參考方向 U=RI；,若 U = 5V，則電壓的實(shí)際方向從 a 指向 b；,若 U= 5V，則電壓的實(shí)際方向從 b 指向 a 。,當(dāng)U與I參考方向不一致，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向 U= RI；,電位：電路

4、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。,3. 電位,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，說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高； 某點(diǎn)電位為負(fù)，說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。,舉例,求圖示電路中各點(diǎn)的電位:VA、VB、V0 。,解： 設(shè) O為參考點(diǎn)， 即Vo=0V,VA=UAO= 11= 1V VB=UBO = -11 = -1 V,I,電流 I 1mA,UAB= VA VB = 2 V,UAB= VA VB = 2 V,VA= UAB= 12 = 2V VO

5、= UOB = 11 = 1 V,解： 設(shè) B為參考點(diǎn)， 即VB=0V,結(jié)論：,(1)電位值是相對的，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，不會因參考 點(diǎn)的不同而變， 即與零電位參考點(diǎn)的選取無關(guān)。,借助電位的概念可以簡化電路作圖,例111: 圖示電路，試計(jì)算電路 中B點(diǎn)的電VB,VB = VA-R1I = 9-10 = -1V,解：電流,= 0.1mA,4、電動勢,電動勢 E : 電源力移動單位正電荷所作的功。,實(shí)際方向：由低電位端指向高電位端。,單 位：kV 、V、mV、V,5、電能和電功率,電能 A = UQ = UIt,電功率 P =

6、A/t = UI 單位：瓦特（W） 千瓦（KW）,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 =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 112,某電路中的一段支路含有電源，如圖11（a）所示，支路電阻為R0 = 0.6，測得該電路的端電壓為230V，電路中的電流 I5A，并有關(guān)系 U ER0I，試求：,（

7、1）此有源支路的電動勢； （2）此有源支路在電路中是屬于電源性質(zhì)還是負(fù)載性質(zhì)？ （3）寫出功率平衡關(guān)系式。,解：,（1）因?yàn)?U= ER0I 所以 E = U + R0I = （2300.6 5）233V,（2）由于E U, I的實(shí)際方向如 圖所 示。即U與I的實(shí)際方向相反，屬于電源性質(zhì)。,（3）PE EI 233 51165W,P UI 230 51150 W,P I 2R 5 2 0.6 15W,功率平衡關(guān)系式 PE P P,12 電路的狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值,電路有空載、短路和負(fù)載三種狀態(tài)。,特征:,一、 電路的狀態(tài),（1） 電路中的電流為零，即：I=0 （2）電源的端電壓等于電源的電動

8、勢 即： U1 = E IR0 E （3）電源的功率P1和負(fù)載所吸收的功率P2均為零。,1、空載狀態(tài),電源外部端子被短接,2.短路狀態(tài),1. 短路處的電壓等于零；U = 0 2. 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:,開關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。,U 1= E IRo,特征:,3.負(fù)載工作,UI = EI IRo,P = PE P,負(fù)載 取用 功率,電源 產(chǎn)生 功率,內(nèi)阻 消耗 功率,（1）,（2）,( 3 ),負(fù)載大小的概念: 負(fù)載大小指負(fù)載電流或功率的大小，而不是電阻的大小。,二、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,電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài),欠

9、載(輕載)： I IN ，P PN (不經(jīng)濟(jì)),過載(超載)： I IN ，P PN (設(shè)備易損壞),額定工作狀態(tài)（滿載）： I = IN ，P = PN (經(jīng)濟(jì)合理安全可靠),例題122,某直流電源的額定功率為200W，額定電壓50V，內(nèi)阻0.5，負(fù)載電阻可以調(diào)節(jié)，如圖26所示,試求：,（1）額定狀態(tài)下的電流及負(fù)載電阻； （2）空載狀態(tài)下的電壓； （3）短路狀態(tài)下的電流。,解（1）,（2）,（3）,13 基爾霍夫定律,支路：電路中的每一個(gè)分支。 一條支路流過一個(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)。,一、基爾霍夫電流定律(KCL定律),定律: 在任一瞬間，通過電路中任一結(jié)點(diǎn)

10、的各支 路電流的代數(shù)和恒等于零。,即： K= 0, 實(shí)質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,對結(jié)點(diǎn) a：,I1+ I3 = I2 + I4,或 I1+I3 I2 I4 = 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。,例：,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。,推廣,例 1-3-2,廣義結(jié)點(diǎn),Ib + Ic = Ie,例 1-3-1,I1 I2 = 0,定律 : 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。,二、基爾霍夫電壓定律（KVL定律),即： UK = 0,回路：由支路組成的閉合路徑。,即：-U S1 + I1R1 - I2R

11、2 +US2+ I3R3 = 0,圖中回路ABCA：,UAB + UBC + UCA = 0,1列方程前標(biāo)注回路循行方向；,電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2應(yīng)用 U = 0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號的確定： 如果規(guī)定電位降取正號，則電位升就取負(fù)號。,3. 開口電壓可按回路處理,注意：,對回路1：,試決定圖示的晶體管電路U cb 、U be和Uce之間的關(guān)系。,解：,由于電壓U cb 、U ce 、 U be 構(gòu)成一個(gè)虛擬回路，各級間的電壓滿足基爾霍夫電壓定律。,例133,即： -U cb + U ce U be=0,例134,圖示電

12、路中，已知US1=23V，US2=6V，R1=10，R2=5 ，R3=8 ，R4=10 ，R5=4 ，R6=7 ，R7=1 。 試求電壓UAB。,解：,1-4 理想電路元件及實(shí)際電源的兩種電路模型,一、理想電路元件,理想電路元件理想電阻元件、理想電感元件、理想電容元件和理想電壓源、理想電流源。,1、電阻元件,u = Ri,伏安特性是直線的電阻為 線性電阻。,電阻的單位： 、K 、M,電阻元件總是消耗電功率，故電阻是耗能元件。,2、 電感元件,描述線圈通有電流時(shí)產(chǎn)生磁場、儲存磁場能量的性質(zhì)。,電壓、電流、電動勢的參考方向如圖，則有：,u = -eL,電感元件兩端的電壓，與電流的變化率成正比。電流

13、變化越快，u 和 eL也越大。,在直流電路中，因 di/dt = 0, eL= 0; u= 0,電感元件相當(dāng)于短路。,單位：H、mH、H,電感元件儲能,根據(jù)基爾霍夫定律可得：,將上式兩邊同乘上 i ，并積分，則得：,即電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存在線圈中，當(dāng)電流增大時(shí)，磁場能增大，電感元件從電源取用電能；當(dāng)電流減小時(shí)，磁場能減小，電感元件向電源放還能量。故電感元件為儲能元件。,磁場能,描述電容兩端加電源后，其兩個(gè)極板上分別聚集起等量異號的電荷，在介質(zhì)中建立起電場，并儲存電場能量的性質(zhì)。,當(dāng)電壓u變化時(shí)，在電路中產(chǎn)生電流:,3. 電容元件,電容器極板上儲存的電量q，與外加電壓u成正比。,即： q

14、= Cu,電容元件通過的電流與電壓的變化率成正比。電壓變化越快,i 也越大。,在直流電路中,i=0,電容元件相當(dāng)于開路。,電容元件儲能,將上式兩邊同乘上 u，并積分，則得：,即電容將電能轉(zhuǎn)換為電場能儲存在電容中，當(dāng)電壓增大時(shí)，電場能增大，電容元件從電源取用電能；當(dāng)電壓減小時(shí)，電場能減小，電容元件向電源放還能量。故電容元件為儲能元件。,電場能,根據(jù)：,4、理想電壓源（恒壓源）,伏安特性,特點(diǎn):,(2) 輸出電壓是一定值，恒等于電動勢。 對直流電壓，有 E U 。,(3) 恒壓源中的電流 I 由外電路決定。,(1) 內(nèi)阻R0 = 0,5、理想電流源（恒流源),(2) 輸出電流是一定值， I = I

15、S ；,(3) 恒流源兩端的電壓 U 由外電路決定。,特點(diǎn):,(1) 內(nèi)阻R0 = ；,求圖示電路中理想電流源的端電壓和功率。,解：,例141,恒流源兩端的電壓 U 由外電路決定。,故： U = ( 2 5+6 ) = 16V,P = -16 2 = -32W,理想電流源的電流方向與端電壓方向不一致，故,功率是負(fù)值，表示電流源是提供功率。,二、實(shí)際電源的兩種電路模型,1 . 電壓源模型,(a)電壓源模型與外電路的連接,(b)伏安特性,若 R0 RL ，U US ， 可近似認(rèn)為是理想電壓源。,電壓源是由電動勢 US 和內(nèi)阻 R0 串聯(lián)的電源的電路模型。,U = US R0I,當(dāng)電壓源模型開路時(shí)，I=0, 此時(shí)U = US。,當(dāng)電壓源模型短路時(shí)，U=0, 此時(shí)I=US / R0。,2. 電流源模型,(b)伏安特性,電流源是由電流 IS 和內(nèi)阻 R0 并聯(lián)的電源的電路模型。,由（a）電路可得:,若 R0 RL ，I IS ，可近似認(rèn)為是理想電流源。,（a）電流源模型與外電路的連接,當(dāng)電流源模型開路時(shí)，I=0, 此時(shí)U OC= ISR0。,當(dāng)電流源模型短路時(shí)，U=0, 此時(shí)I = IS 。,3. 電壓源模型與電流源模型的等效變換,由圖a： U = Us IR