電工電子 電路的基本概念與基本定律

第一章電路的基本概念與基本定律第一節(jié)電路模型及組成第二節(jié)電路物理量及電流和電壓的參考方向第三節(jié)

電路元件及其伏安特性關(guān)系第四節(jié)

電路的基本定律第五節(jié)

電壓和電位的區(qū)別本章要求1.理解電壓與電流參考方向的意義；2.掌握電路中所用各種元件的伏安特性關(guān)系及主要技術(shù)參數(shù)；3.掌握基爾霍夫電壓和電流定律，會計算簡單電路的電壓和電流；4.會計算電路中各點的電位。第一節(jié)電路模型及組成

各種各樣的電器元件或部件按一定的方式聯(lián)接起來組成了電氣設(shè)備與裝置。這些電器元件及其聯(lián)接方式就構(gòu)成了實際電路。（3）連接部分：通常由金屬導(dǎo)線組成。作用是將電源和負(fù)載連接起來使電路能正常工作。1.電路按組成分類（1）電源部分:提供電能或電信號的電器裝置。作用是向電路元件提供工作時所必須的電壓、電流或功率。（2）負(fù)載部分：消耗電能的電器裝置。作用是將電源提供電能轉(zhuǎn)換成其它形式的能量。電源負(fù)載實體電路中間環(huán)節(jié)

與實體電路相對應(yīng)、由理想元件構(gòu)成的電路圖，稱為實體電路的電路模型。電路模型負(fù)載電源開關(guān)連接導(dǎo)線SRL+

U–IUS+_R0

電路可以實現(xiàn)電能的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。電力系統(tǒng)中：電子技術(shù)中：

電路可以實現(xiàn)電信號的傳遞、存儲和處理。2.電路按功能分類3.電路中的理想元件在電路理論中對實際電器裝置或電路元件進(jìn)行理論抽象后常用的理想元件分有無源和有源兩大類,主要有RC+

US–電阻元件只具耗能的電特性電容元件只具有儲存電能的電特性理想電壓源輸出電壓恒定，輸出電流由它和負(fù)載共同決定理想電流源輸出電流恒定，兩端電壓由它和負(fù)載共同決定L電感元件只具有儲存磁能的電特性IS無源二端元件

有源二端元件

白熾燈的電路模型可表示為：

實際電路器件品種繁多，其電磁特性多元而復(fù)雜，采取模型化處理可獲得有意義的分析效果。如iR

R

L消耗電能的電特性可用電阻元件表征產(chǎn)生磁場的電特性可用電感元件表征由于白熾燈中耗能的因素遠(yuǎn)大于產(chǎn)生磁場的因素，因此L可以忽略。

理想電路元件是實際電路器件的理想化和近似，其電特性單一、確切，可定量分析和計算。白熾燈電路第二節(jié)電路物理量及電流和電壓的參考方向一.電路物理量

電路理論中涉及到的物理量主要有電流、電壓、電荷、磁通、磁通鏈、功率和能量，其中電流、電壓、功率和能量最為常用。下面就這幾個常用的物理量的定義、數(shù)學(xué)表達(dá)式和計量單位做一介紹。

1.電流定義：電流是電荷有規(guī)則的運動形成的。規(guī)定正電荷流動的方向為電流的方向。計算：電流強度為單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。

當(dāng)電流強度與時間無關(guān)時，稱為直流電流，用I表示。電流強度通常簡稱為電流，單位為A（安培）。

2.電壓定義：在電場中將單位正電荷從電路中一點移動到另一點時電場力所做的功。規(guī)定電壓的方向為從高電位指向低電位。計算：電場力對單位正電荷作的功。

當(dāng)電壓與時間無關(guān)時，稱為直流電壓，用U表示。電壓的單位為V（伏特）。3.能量和功率能量定義:在到的時間內(nèi)，電場力將單位正電荷由A點移動到B點時所做的功，用

表示。將電流的計算公式代入有能量的單位為J（焦耳）。

日常生產(chǎn)和生活中，電能（或電功）也常用度作為量綱：1度=1KW?h=1KV?A?h1度電=1000W的電爐加熱1小時；100W的電燈照明10小時；40W的電燈照明25小時。功率定義：單位時間內(nèi)能量的變化率，即

功率的單位為W（瓦特）。

電功率反映了電路元器件能量轉(zhuǎn)換的本領(lǐng)。如100W的電燈表明在1秒鐘內(nèi)該燈可將100J的電能轉(zhuǎn)換成光能和熱能；電機1000W表明它在一秒鐘內(nèi)可將1000J的電能轉(zhuǎn)換成機械能。思考題1、某用電器的額定值為“220V，100W”，此電器正常工作10小時，消耗多少焦耳電能？合多少度電？2、一只標(biāo)有“220V，60W”的電燈，當(dāng)其兩端電壓為多少伏時電燈能正常發(fā)光？正常發(fā)光時電燈的電功率是多少？若加在燈兩端的電壓僅有110伏時，該燈的實際功率為多少瓦？額定功率有變化嗎？

3、把一個電阻接在6伏的直流電源上，已知某1分鐘單位時間內(nèi)通過電阻的電量為3個庫侖，求這1分鐘內(nèi)電阻上通過的電流和電流所做的功各為多少？3A，1080J3600000J，1度電220V，60W；15W，不變。二.電壓和電流的參考方向

在求解電路方程時，必須人為設(shè)定電流的流動方向，稱之為電流的參考方向。當(dāng)計算結(jié)果為正時，電流的參考方向就是電流的實際流向。當(dāng)計算結(jié)果為負(fù)時，表明電流的實際流向與參考方向相反。圖中實線表示電流的參考方向，虛線表示電流的實際流向。電流的參考方向也可用表示。1.電流的參考方向（參考流向）2.電壓的參考方向（參考極性）

同樣，在求解電路方程時，必須人為設(shè)定電壓的極性，稱之為電壓的參考方向。當(dāng)計算結(jié)果為正時，電壓的參考方向就是電壓的實際極性。當(dāng)計算結(jié)果為負(fù)時，表明電壓的實際極性與參考方向相反。當(dāng)然，電壓的參考方向也可用表示。3.關(guān)聯(lián)參考方向

電路中每個元件的電流參考流向或電壓參考極性是相互獨立的，可分別設(shè)定。但為了分析電路中其它變量或性質(zhì)，一般將電流和電壓的參考方向設(shè)為一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。例如，當(dāng)元件的電流和電壓參考方向設(shè)為關(guān)聯(lián)參考方向時，根據(jù)計算結(jié)果就可判斷元件是消耗功率還是提供功率。當(dāng)＞0，消耗功率＜0，提供功率注意：這里和的乘積必須是實際計算后的帶符號的和。思考題1.在電路分析中，引入?yún)⒖挤较虻哪康氖鞘裁矗?.應(yīng)用參考方向時，你能說明“正、負(fù)”、“加、減”及“相同、相反”這幾對詞的不同之處嗎？電路分析中引入?yún)⒖挤较虻哪康氖牵簽榉治龊陀嬎汶娐诽峁┓奖愫鸵罁?jù)。

應(yīng)用參考方向時，“正、負(fù)”是指在參考方向下，電壓、電流數(shù)值前面的正負(fù)號，如某電流為“－5A”，說明其實際方向與參考方向相反，某電壓為“＋100V”，說明該電壓實際方向與參考方向一致；“加、減”指參考方向下電路方程式中各量前面的加、減號；“相同”是指電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向，“相反”指的是電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)。

第三節(jié)電路元件及其伏安特性關(guān)系

電路元件是對實際電器裝置進(jìn)行抽象后得到的最基本的理想元件,其電磁特性可用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述。一.電阻元件

凡是以消耗電能為主要電磁特性的實際電器裝置或元件從理論上都可以抽象成理想電阻元件。功率

≥0，表明電阻始終消耗功率，是一種無源元件。注意：我們在討論元件的電磁性質(zhì)時，主要是研究元件的外特性，也就是元件二端的電壓與元件中流過的電流之間的關(guān)系，由于電壓用伏特作單位，而電流用安培作單位，故元件的這種外特性又稱之為元件的伏安特性關(guān)系。

對線性電阻，當(dāng)其電壓和電流采用關(guān)聯(lián)參考方向時，線性電阻二端的電壓和電流之間的關(guān)系服從歐姆定律，即稱為電阻元件的電阻，單位是Ω（歐姆）。電阻元件消耗的功率為

電阻的主要技術(shù)參數(shù):1/8W，1/4W，1/2W，1W，2W，5W，10W……

（c）額定功率

（b）阻值誤差

（a）標(biāo)稱電阻值

Ω(歐)、KΩ(千歐)、

MΩ(兆歐)，電阻元件的分類按制作材料：碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻。按用途：通用電阻、精密電阻、高壓電阻、高阻電阻。按形狀：圓柱形電阻、片狀電阻、排狀電阻等。電阻器---四引線精密線繞電阻器金屬膜電阻器電阻電位器（可調(diào)電阻器）色環(huán)電阻的標(biāo)注色環(huán)顏色棕紅橙黃綠蘭紫灰白黑金銀代表數(shù)值1234567890±5%±10%

凡是能夠以儲存電場能量為主要電磁特性的實際電器裝置或元件從理論上都可抽象成理想電容元件。而實際電容元件從構(gòu)成上來說，都是由二塊平行金屬板、中間放入不同絕緣介質(zhì)（云母、瓷介、聚苯乙烯、滌綸、鉭、鈮、鈦等材料）所構(gòu)成。當(dāng)二塊金屬板上加上電壓時，就會在金屬板上分別聚集起等量的正負(fù)電荷，從而在絕緣介質(zhì)中建立電場并具有電場能量，當(dāng)把電壓移去，電荷仍然保留在極板上，電場和電場能量繼續(xù)存在。二電容元件

研究以現(xiàn)，電容二塊金屬板上聚集的電荷與電容二端所加的電壓成正比，用公式表示為式中稱為電容，單位為F（法拉）。當(dāng)電容二端的電荷或電壓隨時間變化時，就會形成電流電容的主要技術(shù)參數(shù)6.3V、10V、16V、25V、36V、50V、100V、160V、250V、400V

…

等電容標(biāo)注有數(shù)值法和色環(huán)法.另外,電解電容是有極性的電容,在使用時極性不能接錯.（3）額定電壓

（2）電容值誤差

（1）標(biāo)稱電容值

，，F(xiàn)（法）、μF（微法）、pF（皮法），1F=106μF，1μF=106pF由此可見，電容元件的伏安特性關(guān)系是一導(dǎo)數(shù)關(guān)系，要求解電容的電壓和電流的關(guān)系需要求解微分方程。圖1膽電容。圖2燈具電容器。圖3MKPH電容。圖4MET電容。圖5，10PEI電容，圖6，膽貼片電容。圖7MPE電容。圖8貼片電容。圖11軸向電解電容器。圖12MPP電容圖1PPN電容。圖2PET電容。圖3MEA電容圖4MPB電容。圖5PPT電容。圖6MPT電容。圖7電解電容器。圖8MET電容。圖9MKPH電容。圖10，11電機用電容。圖12MKS電容。

凡是能夠以儲存磁場能量為主要電磁特性的實際電器裝置或元件從理論上都可抽象成理想電感元件。而實際電感元件從構(gòu)成上來說，都是采用金屬導(dǎo)線繞制的線圈。三.電感元件定義：磁鏈為線圈的匝數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)，線性電感元件的自感磁鏈與線圈中通過的電流成正比，即

稱為線圈的自感系數(shù)或簡稱電感，單位是H（亨利）。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)電感元件中的磁鏈或電流隨時間發(fā)生變化時，電感二端會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，即

電感可以儲存磁場能量,所以它是一種儲能元件,同時它不能釋放出多于儲存的能量,因此也是一種無源元件.

電感在實際使用時通常是用漆包線繞制在某種形狀的物體上,根據(jù)物體的性質(zhì)可分為線性電感和非線性電感.同樣，電感元件的伏安特性關(guān)系也是一導(dǎo)數(shù)關(guān)系。

電感的主要技術(shù)參數(shù)0.5A、1A、2A、5A、10A等（c）額定電流

（b）電感誤差

（a）標(biāo)稱電感

H（亨）、mH（毫亨）、μH（微亨），，線性電感的是常數(shù)，而非線性電感的不是常數(shù)，而是一個變量。電感通常是用漆包線繞制在某種形狀的物體上所形成的。按繞制物體的性質(zhì)可分為線性電感和非線性電感。若物體是非鐵磁物質(zhì)則是線性的，否則是非線性的。四.電壓源和電流源

1.電壓源

理想電壓源的性質(zhì)（1）輸出電壓不隨外電路參數(shù)的變化而變化（2）輸出電流隨外電路參數(shù)的變化而變化電壓源有直流電壓源和交流電壓源之分。發(fā)電機、干電池、蓄電池等通常用電壓源模型(理想電壓源和一個電阻元件相串聯(lián)的形式)表示；

2.電流源

理想電流源的性質(zhì)（1）輸出電流不隨外電路參數(shù)的變化而變化。（2）輸出電壓隨外電路參數(shù)的變化而變化。電流源有直流電流源和交流電流源之分。光電池或晶體管的輸出端等通常用電流源模型(理想電流源和一個內(nèi)阻相并聯(lián)的形式)表示。柴油機組汽油機組蓄電池

各種形式的電源設(shè)備圖無論是電壓源還是電流源在一般情況下是向電路提供電能的，即根據(jù)關(guān)聯(lián)參考方向的定義，當(dāng)電源的端電壓和通過電源的電流的實際計算結(jié)果為非關(guān)聯(lián)參考方向時，即

≤0表示電壓源或電流源向電路提供功率。若≥0表示電壓源或電流源吸收功率，即處于被充電狀態(tài)。這里所介紹的電壓源和電流源稱之為獨立電源。思考題電路由哪幾部分組成？試述電路的功能？為何要引入?yún)⒖挤较颍繀⒖挤较蚝蛯嶋H方向有何聯(lián)系與區(qū)別？何謂電路模型？理想電路元件與實際元器件有何不同？如何判斷元件是電源還是負(fù)載？

第四節(jié)電路的基本定律在介紹電路基本定律基爾霍夫定律之前，首先介紹幾個基本概念：回路：由支路組成的閉合路徑。

支路：組成電路的每一個二端元件稱為一條支路，實際上只要是幾個二端元件串聯(lián)在一起、且通過同一電流的電路都是同一條支路。

結(jié)點：不同支路的連接點，但實際上由三條及以上支

路的連接點才是真正意義上的結(jié)點。只有二條支路的連接點為簡單結(jié)點。

一.基爾霍夫電流定律（KCL）

基爾霍夫電流定律指出：任何時刻，對任何一個結(jié)點，連接該節(jié)點的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零。

同樣也可以說,任何時刻，對任何一個節(jié)點,流入該節(jié)點的電流等于流出該節(jié)點的電流。這種特性稱之為電流流動的連續(xù)性。

實際上基爾霍夫電流定律還適用于由幾個結(jié)點組成的閉合曲面，可以將這個閉合曲面稱為廣義結(jié)點。二.基爾霍夫電壓定律（KVL）

基爾霍夫電壓定律指出：任何時刻，沿任何一回路，組成該回路的所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零。

在寫上式前，應(yīng)首先指定回路的繞行方向，當(dāng)支路電壓或元件電壓的參考方向與繞行方向一致時，該電壓前取“＋”號，否則取“－”號。在上圖回路1中

基爾霍夫電壓定律不僅適用于閉合回路，也適合于不閉合的路徑。如上圖回路3：

KCL和KVL分別對支路電流和支路電壓進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)約束，由于這二個定律僅與元件的相互連接方式有關(guān)，而與元件本身的性質(zhì)無關(guān)，即與元件約束無關(guān)，因此，無論元件是線性還是非線性，時變還是時不變，這二個定律始終成立。

例1-1圖示電路中，已知

，

，

V，

V，試求電阻

二端的電壓?；芈?回路2結(jié)點a

將各元件參數(shù)代入上式，并解出上述聯(lián)立方程有

解:各支路電流和電壓的參考方向如圖所示。根據(jù)歐姆定律和KVL、KCL，有

第五節(jié)電壓和電