第1講電路的基本物理量、參考方向、理想元件

1、電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)電子教案電子教案 授課班級(jí)：港口授課班級(jí)：港口1103班班 授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院授課教師：廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 梁能梁能 課程性質(zhì)課程性質(zhì) 電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)是高等學(xué)校理工科非電類專是高等學(xué)校理工科非電類專業(yè)必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。業(yè)必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電工和電子技術(shù)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電工和電子技術(shù)必要的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，了解電工和必要的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，了解電工和電子技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展概況，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從電子技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展概況，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事與本

2、專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)等工作打下一定的基礎(chǔ)。事與本專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)等工作打下一定的基礎(chǔ)。 1.1 1.1 電路的基本物理量電路的基本物理量1.2 1.2 電路中的參考方向電路中的參考方向1.3 1.3 理想電路元件理想電路元件1.4 1.4 基爾霍夫定律基爾霍夫定律1.5 1.5 支路電流法支路電流法1.6 1.6 疊加原理疊加原理1.7 1.7 戴維寧定理戴維寧定理111 電路模型電路模型 為了分析研究實(shí)際電氣裝置的需要和方便，常采為了分析研究實(shí)際電氣裝置的需要和方便，常采用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其組合近似用模型化的方法，即用抽象的理想元件及其組合近似地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與

3、實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。電路模型。 具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義用來模擬某一電磁現(xiàn)象的元件，具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義用來模擬某一電磁現(xiàn)象的元件，稱為理想元件。常用理想元件有：電阻、電感、電容、稱為理想元件。常用理想元件有：電阻、電感、電容、電壓源、電流源、受控源。電壓源、電流源、受控源。1. 1 電路的基本物理量電路的基本物理量RCLPRC+DT 用理想元件的組合取代實(shí)際電路元器件和設(shè)用理想元件的組合取代實(shí)際電路元器件和設(shè)備所得的理想電路，稱為模型電路。通常所說的備所得的理想電路，稱為模型電路。通常所說的電路分析，就是對(duì)由理想元件組成的模型電路進(jìn)電路分析，就是對(duì)由理

4、想元件組成的模型電路進(jìn)行分析。行分析。下圖是一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)際電路。它由下圖是一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)際電路。它由3部分組成：部分組成：（1）是提供電能的能源，簡(jiǎn)稱電源；）是提供電能的能源，簡(jiǎn)稱電源；（2）是用電裝置，統(tǒng)稱其為負(fù)載，它將電能轉(zhuǎn)換）是用電裝置，統(tǒng)稱其為負(fù)載，它將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量；為其他形式的能量；（3）是連接電源與負(fù)載傳輸電能的金屬導(dǎo)線，簡(jiǎn)）是連接電源與負(fù)載傳輸電能的金屬導(dǎo)線，簡(jiǎn)稱導(dǎo)線。電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線是任何實(shí)際電路稱導(dǎo)線。電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線是任何實(shí)際電路都不可缺少的都不可缺少的3個(gè)組成部分。個(gè)組成部分。S12一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)際電路一個(gè)最簡(jiǎn)單的實(shí)際電路 3例：例：手電筒的電路模型

5、手電筒的電路模型oRS+-RUE+-IUSU+-SI干電池：干電池：是是電源元件，電源元件，其參數(shù)為電其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)和內(nèi)電阻電阻Ro。電珠：電珠：是電阻是電阻元件，其參數(shù)元件，其參數(shù)為電阻為電阻R。筒體筒體( (包括開關(guān)包括開關(guān)) )：是連接干電池與電珠的中間環(huán)節(jié)，：是連接干電池與電珠的中間環(huán)節(jié)，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是一無電阻的理想導(dǎo)體。其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是一無電阻的理想導(dǎo)體。USRRS 電路模型圖電路模型圖將實(shí)際電路中各個(gè)部件用其模將實(shí)際電路中各個(gè)部件用其模型符號(hào)表示而畫出的圖形。型符號(hào)表示而畫出的圖形。一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路模型圖一個(gè)最簡(jiǎn)單的電路模型圖 112 電流與電壓電流與電

6、壓（1）電流）電流 電路中帶電粒子的規(guī)則移動(dòng)形成電流。帶電粒子電路中帶電粒子的規(guī)則移動(dòng)形成電流。帶電粒子簡(jiǎn)稱為電荷，導(dǎo)電物質(zhì)分子失去電子帶正電荷，得到簡(jiǎn)稱為電荷，導(dǎo)電物質(zhì)分子失去電子帶正電荷，得到電子帶負(fù)電荷。電子帶負(fù)電荷。tqtidd)( 將單位時(shí)間內(nèi)通過某導(dǎo)體橫截面積的電量稱為將單位時(shí)間內(nèi)通過某導(dǎo)體橫截面積的電量稱為電流強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱為電流，用電流強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱為電流，用i表示，即：表示，即： 其中，其中，q為電量，是所帶電荷的多少，在國際單位為電量，是所帶電荷的多少，在國際單位制中用庫侖（制中用庫侖（C）表示，且）表示，且1庫侖為庫侖為6.241018個(gè)電子個(gè)電子所帶的電量。所帶的電量。t為時(shí)間

7、，在國際單位制中用秒（為時(shí)間，在國際單位制中用秒（s）表）表示。示。i為電流在國際單位制中用安培（為電流在國際單位制中用安培（A）表示。）表示。 在中國，習(xí)慣上規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯脑谥袊?，?xí)慣上規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。若電流的數(shù)值和方向均不隨時(shí)間變化，則實(shí)際方向。若電流的數(shù)值和方向均不隨時(shí)間變化，則稱為恒定電流或直流；若電流的數(shù)值和方向隨時(shí)間變稱為恒定電流或直流；若電流的數(shù)值和方向隨時(shí)間變化，則稱為時(shí)變電流或交變電流，簡(jiǎn)稱交流?；瑒t稱為時(shí)變電流或交變電流，簡(jiǎn)稱交流。tqtidd)(（2）電壓）電壓 電路中單位電荷由電路中單位電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)所獲得或失點(diǎn)時(shí)所

8、獲得或失去的能量，就稱為電壓，用去的能量，就稱為電壓，用u表示，即：表示，即： 其中，其中，w為電荷獲得或失去的能量，在國際單位為電荷獲得或失去的能量，在國際單位制中用焦耳（制中用焦耳（J）表示。）表示。q為電量，單位為庫侖為電量，單位為庫侖（C）。電壓在國際單位制中用伏特（）。電壓在國際單位制中用伏特（V）表示。）表示。qwtvdd)(實(shí)際方向：實(shí)際方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向。向。1. 2. 1 電流的方向電流的方向參考方向（正方向）：參考方向（正方向）：任意選定的方向。任意選定的方向。Iab 雙下標(biāo)：雙下標(biāo)：表示方法：表示方法：I箭頭：

9、箭頭：baIR1. 2. 2 電壓的方向電壓的方向?qū)嶋H方向：實(shí)際方向：高電位端指向低電位端。高電位端指向低電位端。參考方向（正方向）：參考方向（正方向）：任意選定的方向。任意選定的方向。Uab 雙下標(biāo)：雙下標(biāo)：1. 2. 3 電動(dòng)勢(shì)的方向電動(dòng)勢(shì)的方向?qū)嶋H方向：實(shí)際方向：電源內(nèi)部由低電位端指向高電位端。電源內(nèi)部由低電位端指向高電位端。電動(dòng)勢(shì)與電壓的關(guān)系：電動(dòng)勢(shì)與電壓的關(guān)系：方向相反，數(shù)值相等。方向相反，數(shù)值相等。表示方法：表示方法：正負(fù)極性：正負(fù)極性：a+-bsU實(shí)際方向與參考方向一致，電流實(shí)際方向與參考方向一致，電流( (或電壓或電壓) )值為正值；值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流實(shí)際方

10、向與參考方向相反，電流( (或電壓或電壓) )值為負(fù)值。值為負(fù)值。1. 2. 4 實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系若若 I = 6A，則電流實(shí)際方向?yàn)閺?，則電流實(shí)際方向?yàn)閺腶流向流向b；例：例：若若 I = - -6A，則電流實(shí)際方向?yàn)閺?，則電流實(shí)際方向?yàn)閺腷流向流向a。I參考方向參考方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向?qū)嶋H方向baR參考方向選定后電流參考方向選定后電流( (或電壓或電壓) )值才有正負(fù)之分。值才有正負(fù)之分。 若若 U = 6V，則電壓的實(shí)際方向?yàn)閺模瑒t電壓的實(shí)際方向?yàn)閺腶指向指向b， 實(shí)際方向與參考方向一致；實(shí)際方向與參考方向一致；若若 U= - -6V，則電壓的實(shí)際

11、方向?yàn)閺模瑒t電壓的實(shí)際方向?yàn)閺腷指向指向a，實(shí)際方向與參考方向相反。實(shí)際方向與參考方向相反。實(shí)際方向?qū)嶋H方向參考方向參考方向baRU+-+-1. 若電壓與電流參考方向相同，則為若電壓與電流參考方向相同，則為關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向；1. 2. 5 關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向2. 反之，則為反之，則為非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向。電路中如未作特殊聲明均采用關(guān)聯(lián)參考方向。電路中如未作特殊聲明均采用關(guān)聯(lián)參考方向。U = IRR+-IU U = - - IRR+-IU例例1.2.2 如圖，如圖，U1=- -6V，U2=4V，試問，試問Uab等于多少伏？等于多少伏？解：解：

12、21abUUUV1046例例1.2.1 如圖，如圖，Uab=- -5V，試問，試問a，b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電位高兩點(diǎn)哪點(diǎn)電位高？解：解：a點(diǎn)電位低，點(diǎn)電位低，b點(diǎn)電位高。點(diǎn)電位高。U1U2ab+-+-ab理想電路元件理想電路元件理想有源元件理想有源元件理想無源元件理想無源元件電電壓壓源源電電流流源源電電阻阻元元件件電電容容元元件件電電感感元元件件 US I U US 定值定值USU O I 電壓源的特點(diǎn)：電壓源的特點(diǎn)：輸出電流輸出電流 I 不是定值，與輸出電壓和外電路的情況有關(guān)。不是定值，與輸出電壓和外電路的情況有關(guān)。可提供一個(gè)固定的電壓可提供一個(gè)固定的電壓 US ，稱為，稱為源電壓源電壓。輸出電壓輸出

13、電壓 U 等于源電壓等于源電壓 US ，是由其本身所確定的定值，是由其本身所確定的定值，與輸出電流和外電路的情況無關(guān)。與輸出電流和外電路的情況無關(guān)。IS U I IS定值定值ISU O I 電流源的特點(diǎn)：電流源的特點(diǎn)：輸出電流輸出電流 I 等于源電流等于源電流 IS ，是由其本身所確定的定，是由其本身所確定的定值，與輸出電壓和外電路的情況無關(guān)。值，與輸出電壓和外電路的情況無關(guān)。輸出電壓輸出電壓 U 不是定值，與輸出電流和外電路的情況有關(guān)。不是定值，與輸出電流和外電路的情況有關(guān)。源電流源電流可提供一個(gè)固定的電流可提供一個(gè)固定的電流 IS ，稱為，稱為源電流源電流。 當(dāng)電壓源和電流源的電壓和電流實(shí)

14、際方向如上圖時(shí)，當(dāng)電壓源和電流源的電壓和電流實(shí)際方向如上圖時(shí)， 它們輸出（產(chǎn)生）電功率，起它們輸出（產(chǎn)生）電功率，起電源電源作用。作用。 US I U IS U I US I U IS U I 當(dāng)電壓源和電流源的電壓和電流實(shí)際方向如上圖時(shí)，當(dāng)電壓源和電流源的電壓和電流實(shí)際方向如上圖時(shí)， 它們?nèi)∮茫ㄏ模╇姽β?，起它們?nèi)∮茫ㄏ模╇姽β剩鹭?fù)載負(fù)載作用。作用。1. 電阻元件電阻元件當(dāng)電路的某一部分只存在電當(dāng)電路的某一部分只存在電能的消耗而沒有電場(chǎng)能和磁能的消耗而沒有電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的儲(chǔ)存，這一部分電路場(chǎng)能的儲(chǔ)存，這一部分電路可用可用電阻元件電阻元件來代替。來代替。 R i u R =ui（ ） 線

15、性電阻與非線性電阻線性電阻與非線性電阻 P = UI = RI2 =U2R 電阻消耗的功率電阻消耗的功率 電阻圖片電阻圖片水泥電阻水泥電阻線繞電阻線繞電阻碳膜電阻碳膜電阻可變電阻可變電阻壓敏電阻壓敏電阻功率電阻功率電阻2電感元件電感元件 電感線圈是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元器件，通常用理想電感線圈是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的元器件，通常用理想電感元件作為實(shí)際電感線圈的模型。實(shí)際電感線圈電感元件作為實(shí)際電感線圈的模型。實(shí)際電感線圈的示意圖如下圖：的示意圖如下圖： 電感元件定義為：一個(gè)二端元件，如果在任一時(shí)電感元件定義為：一個(gè)二端元件，如果在任一時(shí)刻刻t，它的電流，它的電流 i(t) 與它的磁鏈與它的磁鏈(t) 之間的

16、關(guān)系可以用之間的關(guān)系可以用i -平面上的一條曲線來確定，則此二端元件稱為電平面上的一條曲線來確定，則此二端元件稱為電感元件。下圖是線性時(shí)不變電感的特性曲線。感元件。下圖是線性時(shí)不變電感的特性曲線。電感元件的電流電壓關(guān)系可以用下面式子描述：電感元件的電流電壓關(guān)系可以用下面式子描述：dttdiLtudtdtutLit)()()()()( 其中，其中， 為磁通鏈，單位是韋伯（為磁通鏈，單位是韋伯（Wb）；）；i為電流，單位是安培（為電流，單位是安培（A）；）；L為電感（正常為電感（正常數(shù)），單位是亨利（數(shù)），單位是亨利（H），簡(jiǎn)稱亨（），簡(jiǎn)稱亨（H），常），常用用 毫亨（毫亨（mH） 或或 微亨（微

17、亨（H） 作電感的單作電感的單位。位。 1mH=10-3H 1H=10-6H （1）任何時(shí)刻，電感元件兩端的電壓與）任何時(shí)刻，電感元件兩端的電壓與該時(shí)刻的電流變化率成正比。如果通過電感該時(shí)刻的電流變化率成正比。如果通過電感的電流是直流，則的電流是直流，則u=0，電感相當(dāng)于短路。，電感相當(dāng)于短路。 （2）由于電感上的電壓為有限值，故電）由于電感上的電壓為有限值，故電感中的電流不能躍變。感中的電流不能躍變。 3電容元件電容元件 電容器是儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件，通常用只電容器是儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件，通常用只儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的理想電容元件作為實(shí)際電容器儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的理想電容元件作為實(shí)際電容器的模型。的模型。 電

18、容元件電容元件定義為：一個(gè)二端元件，如果在定義為：一個(gè)二端元件，如果在任一時(shí)刻任一時(shí)刻t，它的電荷，它的電荷 q(t) 與它的端電壓與它的端電壓 u(t)之之間的關(guān)系可以用間的關(guān)系可以用 u-q 平面上的一條曲線來確定，平面上的一條曲線來確定，則此二端元件稱為電容元件。則此二端元件稱為電容元件。電容元件及其外特性電容元件及其外特性 其中：其中：q為電荷，單位是庫侖（為電荷，單位是庫侖（c）；）；u為電壓，為電壓，單位是伏特（單位是伏特（v）；）； C為電容（正常數(shù)），單位為法拉（為電容（正常數(shù)），單位為法拉（F），簡(jiǎn)稱），簡(jiǎn)稱法（法（F）。）。 常用的電容單位有微法（常用的電容單位有微法（F）

19、和皮法（）和皮法（pF）。）。 1F =10-6F 1pF=10-12F線性時(shí)不變電容可定義為：線性時(shí)不變電容可定義為：)()(tCutqdtduCdtdqii (t)+-u(t)C4. 電源與負(fù)載的判別電源與負(fù)載的判別U 和和 I 取取非關(guān)聯(lián)參考方向非關(guān)聯(lián)參考方向，若，若P = UI 0，電源；電源； 若若P = UI 0，負(fù)載。負(fù)載。U 和和 I 取取關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向，若，若P = UI 0，負(fù)載；負(fù)載； 若若P = UI 0，電源。電源。 方法一：根據(jù)方法一：根據(jù) U 和和 I 的實(shí)際方向判別的實(shí)際方向判別方法二：根據(jù)方法二：根據(jù) U 和和 I 的參考方向判別的參考方向判別電源：

20、電源：U和和I 的實(shí)際方向相反，電流從的實(shí)際方向相反，電流從“+”端流出，端流出， 發(fā)出功率；發(fā)出功率；負(fù)載：負(fù)載：U和和I 的實(shí)際方向相同，電流從的實(shí)際方向相同，電流從“+”端流入，端流入， 吸收功率。吸收功率。例：例：下圖所示方框?yàn)殡娐吩?，已知：下圖所示方框?yàn)殡娐吩阎篣AB= 50V，I1=15A，I2=10A，I3=- -5A，試求電路各元件的功率，試求電路各元件的功率，并校驗(yàn)功率是否平衡。并校驗(yàn)功率是否平衡。解：解：UAB = 50VA點(diǎn)為點(diǎn)為“+”，B點(diǎn)為點(diǎn)為“-”I1 = 15AI1實(shí)際方向與參考方向相同，電流從實(shí)際方向與參考方向相同，電流從“+”端出，端出，“1”元件為

21、電源，輸出功率為：元件為電源，輸出功率為：W7505015AB11UIP123ABI1I2I3UAB+-I2 = 10AI2實(shí)際方向與參考方向相實(shí)際方向與參考方向相同，電流從同，電流從“+”端入，端入，“2”元件為負(fù)載，吸收功率為：元件為負(fù)載，吸收功率為：W5005010AB22UIPI3 = - -5AI3實(shí)際方向與參考方向相反，電流從實(shí)際方向與參考方向相反，電流從“+”端入，端入，“3”元件為負(fù)載，吸收功率為：元件為負(fù)載，吸收功率為：W25050)5(AB33UIP可見負(fù)載吸收的功率與電源輸出的功率平衡可見負(fù)載吸收的功率與電源輸出的功率平衡123ABI1I2I3UAB+-例例1.3.1 如

22、圖，方框代表電源或負(fù)載。已知如圖，方框代表電源或負(fù)載。已知 U = 220V，I= - -1A，試問哪些方框是電源，哪些是負(fù)載？，試問哪些方框是電源，哪些是負(fù)載？解：解：（a）+ U-I -U+I+ U-I -U+I（b）（c）（d）(a)圖圖 P = UI = 220( (- -1) ) = - -220W 0，負(fù)載負(fù)載(c)圖圖 P = - -UI = 220( (- -1) ) = 220W 0，負(fù)載負(fù)載(d)圖圖 P = UI = 220( (- -1) ) = - -220W 0，電源電源電位：電位：在電路中任選一點(diǎn)為參考點(diǎn)，且設(shè)在電路中任選一點(diǎn)為參考點(diǎn)，且設(shè)參考點(diǎn)的參考點(diǎn)的電位為零電位為零，則電路中任一點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)到參考，則電路中任一點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。點(diǎn)的電壓。1. 電位的概念電位的概念 在電路圖中參考點(diǎn)常用符號(hào)在電路圖中參考點(diǎn)常用符號(hào)“”標(biāo)明，表示標(biāo)明，表示公共端、接機(jī)殼或接底板。公共端、接機(jī)殼或接底板。 其它各點(diǎn)的電位同它比較，比它高的為正；比其它各點(diǎn)的電位同它比較，比它高的為正；比它低的為負(fù)。它低的為負(fù)。例：例：求圖示電路中各點(diǎn)求圖示電路中各點(diǎn)的電位：的電位：Va、Vb、Vc、Vd及及Ucd 。設(shè)設(shè)a為參考點(diǎn)，為參考點(diǎn)，即即Va = 0V，則則Vb = Uba= - -106 = -