第1章電路的基本概念和基本定律

第1章電路的基本概念和基本定律

§1.1電路與電路模型

§1.2電壓、電流及其參考方向

§1.3電路的功和功率

§1.4基爾霍夫定律

§1.5無源電路元件

§1.6有源電路元件*§1.7受控源

§1.8電路的基本狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值后一頁退出本章基本要求1.理解和掌握電路的基本物理量及其應(yīng)用，電壓、電流參考方向的意義，電位和功率的計(jì)算。2.理解和掌握無源電路元件R

、L

、C的伏安特性。3.理解和掌握電壓源、電流源的外特性及實(shí)際有源元件的兩種電路模型。4.理解和掌握電路的基本定律——基爾霍夫定律。5.了解電氣設(shè)備的額定值。前一頁后一頁節(jié)目錄退出一、電路的組成

1.電路：將一些電氣設(shè)備或器件按照一定的方式連接的電流通路。

2.電路的組成：電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)。

§1.1電路與電路模型

電源：提供電能的元件，將非電能轉(zhuǎn)換為電能。負(fù)載：將電能轉(zhuǎn)換為非電能或電信號元件。中間環(huán)節(jié)：連接電源和負(fù)載的導(dǎo)線、開關(guān)。前一頁后一頁節(jié)目錄退出二、電路的功能和分類

1.力能(強(qiáng)電）電路：起傳輸和分配電能的作用。

特點(diǎn)：電壓高，電流和功率大。要求：功率損耗小，電能轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)男矢摺?/p>

2.信號(弱電)電路：起傳遞和處理信號的作用。

特點(diǎn)：電壓低，電流和功率小。

要求：輸出信號強(qiáng)，傳遞信號不失真。前一頁后一頁節(jié)目錄退出

理想電路元件：具有單一性能的電路元件。分類：有源元件和無源元件。有源元件：電壓源和電流源。無源元件：電阻R、電容C、電感L。

電路模型：由理想電路元件組成的電路稱為電路模型。前一頁后一頁節(jié)目錄退出三、電路模型一個(gè)實(shí)際的電感線圈在不同頻率下的電路模型前一頁后一頁節(jié)目錄退出模型化電路分 析前一頁后一頁節(jié)目錄退出四、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)（一）術(shù)語1.結(jié)點(diǎn)：電路中三個(gè)或三個(gè)以上元件的公共連接點(diǎn)。2.支路：由一個(gè)或幾個(gè)電路元件串聯(lián)構(gòu)成的一段無分支電路。3.回路：由一條或多條支路組成的閉合回路。4.網(wǎng)孔：除組成回路本身的支路外，內(nèi)部不包含其他支路的回路。有源支路無源支路前一頁后一頁節(jié)目錄退出（二）網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：比較復(fù)雜的電路。分類：有源網(wǎng)絡(luò)和無源網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)：完成一定功能的復(fù)雜電路。

端鈕端鈕端鈕四端網(wǎng)絡(luò)二端網(wǎng)絡(luò)端口端口端口一端口網(wǎng)絡(luò)二端口網(wǎng)絡(luò)前一頁后一頁節(jié)目錄退出前一頁后一頁節(jié)目錄退出分立元件單管放大電路中規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路前一頁后一頁節(jié)目錄退出[練習(xí)與思考]圖1.1.6有幾個(gè)結(jié)點(diǎn)、幾條支路、幾個(gè)回路和幾個(gè)網(wǎng)孔？圖1.1.6前一頁后一頁節(jié)目錄退出自由電子§1.2電流、電壓及其參考方向一、電流

電流：電荷的定向運(yùn)動(dòng)。

變動(dòng)電流：

直流：

電流的實(shí)際方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。e-+正離子負(fù)離子電極電解液前一頁后一頁節(jié)目錄退出二、電位、電壓和電動(dòng)勢

例：設(shè)c點(diǎn)為參考點(diǎn)，即則：，前一頁后一頁節(jié)目錄退出1.電位任選電路中的一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，參考點(diǎn)用“⊥”符號表示，參考點(diǎn)的電位為零，電路中其它各點(diǎn)的電位是相當(dāng)于參考點(diǎn)的電壓。

定義：2.電壓大?。悍较颍篴→b3.電動(dòng)勢大小：方向：b→a前一頁后一頁節(jié)目錄退出再設(shè)b點(diǎn)為參考點(diǎn)，即則：，三、電壓、電流的參考方向前一頁后一頁節(jié)目錄退出[練習(xí)與思考]3.在圖1.2.4電路中，分別以C、D為參考點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)電位及電壓UAB、UBD。

圖1.2.4[練習(xí)與思考]4.畫出圖1.2.5電路的原電路。

圖1.2.5[練習(xí)與思考]畫出右圖電路的原電路，并計(jì)算A、B點(diǎn)的電位及電壓UAB。解：VA=(5-3)V=2V、

VB=(5-3-4)V=-2VUAB=VA-VB=4V前一頁后一頁節(jié)目錄退出§1.3電路的功和功率負(fù)載吸收或消耗的電能:單位：

1J=1W×1s=1Ws工程單位：1kWh=1000W×3600s(俗稱1度）

功率：單位：前一頁后一頁節(jié)目錄退出[例1.3.1]圖1.3.1電路中：U=5V，I=－2A，試判斷元件A是電源還是負(fù)載？圖1.3.1前一頁后一頁節(jié)目錄退出解：P=UI=5×（－2）=－10W<0

故可以判定元件A為電源。

如果I為＋2A，或箭頭與圖示相反，P=10W，則A為負(fù)載。[練習(xí)與思考]圖1.3.2電路中：US=10V，思考電壓源US供出的功率和電阻消耗的功率各為多少？圖1.3.2前一頁后一頁節(jié)目錄退出功率的判定：前一頁后一頁節(jié)目錄退出§1.4基爾霍夫定律

基爾霍夫定律——是電路理論的核心,

是分析電路的依據(jù)。前一頁后一頁節(jié)目錄退出一、基爾霍夫電流定律（KCL）

KCL是確定連接在同一結(jié)點(diǎn)上的各支路電流之間的關(guān)系定律。結(jié)點(diǎn)B：結(jié)點(diǎn)C：結(jié)點(diǎn)D：結(jié)點(diǎn)A：廣義結(jié)點(diǎn)：前一頁后一頁節(jié)目錄退出圖1.4.3為一NPN晶體管電路符號，可以將其視為一廣義結(jié)點(diǎn)

則：請思考：圖1.4.4中2Ω電阻支路的電流為多少？圖1.4.4圖1.4.3前一頁后一頁節(jié)目錄退出二、基爾霍夫電壓定律（KVL）

KVL描述了電路中任意閉合回路中各部分電壓之間的關(guān)系。

對網(wǎng)孔ABCA：對網(wǎng)孔ACDA：對網(wǎng)孔BDCB：

前一頁后一頁節(jié)目錄退出對不閉合回路：KVL（1）的解釋：沿任一回路繞行一周，電位有升有降，總電位升之和等于總電位降之和。例：圖1.4.5中ABEDA是閉合回路，按順時(shí)針方向循行，其KVL方程為：圖1.4.5KVL（2）的解釋：沿任一回路循行一周，回路中各部分電壓的代數(shù)和等于零。各部分電壓參考方向與循行方向一致取“+”、相反者取“-”。前一頁后一頁節(jié)目錄退出而BCFEB不是閉合回路，其KVL方程為：可得：[練習(xí)與思考]圖1.4.7前一頁后一頁節(jié)目錄退出在圖1.4.7的電路中，已知網(wǎng)孔的KVL方程為：（1）標(biāo)出各元件的參考方向和循行方向;（2）確定U1的電壓值?！?.5無源電路元件前一頁后一頁節(jié)目錄退出一、電阻元件0.25W金屬膜電阻2W金屬膜電阻瓷釉電阻電阻排前一頁后一頁節(jié)目錄退出電位器可調(diào)電阻前一頁后一頁節(jié)目錄退出伏安特性關(guān)系：

功率：取關(guān)聯(lián)參考方向：

伏安特性曲線：

前一頁后一頁節(jié)目錄退出電阻的功率為正值，是耗能元件。空心電感電感線圈二、電感元件前一頁后一頁節(jié)目錄退出環(huán)形電感可調(diào)電感前一頁后一頁節(jié)目錄退出韋安特性關(guān)系：—自感系數(shù)伏安特性：

取關(guān)聯(lián)參考方向：

前一頁后一頁節(jié)目錄退出三、電容元件CBB聚丙烯電容鉭電解電容前一頁后一頁節(jié)目錄退出鋁電解電容前一頁后一頁節(jié)目錄退出

獨(dú)石電容前一頁后一頁節(jié)目錄退出q-u特性關(guān)系：

—電容伏安特性：

關(guān)聯(lián)正方向下：前一頁后一頁節(jié)目錄退出[練習(xí)與思考]2.已知通過R、L、C三個(gè)元件的電流為：前一頁后一頁節(jié)目錄退出

求各元件的端電壓，并畫出與i對應(yīng)的波形。3.上題圖中，在t=T/2時(shí)，i（T/2)=0，u是否為零。1.找出電感元件與電容元件對偶的特征?！?.6有源電路元件

前一頁后一頁節(jié)目錄退出一、電壓源1.(理想)電壓源:

提供一個(gè)恒定不變的電壓。

電壓源輸出電壓與負(fù)載無關(guān)，輸出電流由外電路負(fù)載決定。

前一頁后一頁節(jié)目錄退出2.電壓源模型（實(shí)際電壓源）伏安特性：實(shí)際電壓源輸出電壓、電流都與負(fù)載有關(guān)。

前一頁后一頁節(jié)目錄退出二、電流源1.(理想)電流源：能夠提供恒定不變的電流。電流源輸出電流與負(fù)載無關(guān)，輸出電壓由外電路負(fù)載決定。

前一頁后一頁節(jié)目錄退出2．電流源模型（實(shí)際電流源）伏安特性：

實(shí)際電流源輸出電壓、電流都與負(fù)載有關(guān)。

前一頁后一頁節(jié)目錄退出前一頁后一頁節(jié)目錄退出

三、兩種電源組合模型的等效互換[練習(xí)與思考]2.電流源的外接電阻越大，其端電壓越高，對嗎？3.某實(shí)際電源的外特性為U=10-5I，外接負(fù)載R=2Ω，供出的電流為多少？前一頁后一頁節(jié)目錄退出4.圖1.6.8（a）電路中R

1增大時(shí)，U2如何變化？圖1.6.8（b）電路中R

1增大時(shí)，I2如何變化？1.電壓源與電流源為什么不能等效互換？圖1.6.8（b）圖1.6.8（a）5.圖1.6.9（a）、（b）電路中，哪個(gè)有源元件供出功率？圖1.6.9（a）圖1.6.9（b）6*.圖1.6.10（a）、（b）電路中，哪個(gè)有源元件供出功率？圖1.6.10（a）圖1.6.10（b）前一頁后一頁節(jié)目錄退出*§1.7受控源前一頁后一頁節(jié)目錄退出§1.8電路的基本狀態(tài)和電氣設(shè)備的額定值一、電路的基本狀態(tài)1.通路：根據(jù)KVL

2.開路（空載）開路電壓3.短路短路電流

前一頁后一頁節(jié)目錄退出二、電氣設(shè)備的額定值額定電壓過電壓（電擊穿）額定電流過電流（熱損壞）額定功率

前一頁后一頁節(jié)目錄退出[練習(xí)與思考]2.一只220V、40W的白熾燈與一只220V、100W的白熾燈并聯(lián)，接于220V的電源上，那只亮？為什么？若串聯(lián)呢？3.將一只220V、40W的白熾燈接到220V、1kW的電源上，白熾燈能否正常工作？為什么？前一頁后一頁節(jié)目錄退出1.額定功率相同的兩個(gè)電阻，阻值大的額定電流大還是??？額定電壓大還是?。?/p>

本章學(xué)習(xí)小結(jié)

本章內(nèi)容的重點(diǎn)為電壓、電流的參考方向，元件約束和結(jié)構(gòu)約束以及電壓源、電流源的特性。

1.電壓、電流的參考方向是為分析電路而假設(shè)的。在參考方向下，電壓、電流、功率都是代數(shù)量。在分析計(jì)算電路時(shí)，電壓、電流的參考方向通常采用關(guān)聯(lián)參考方向，即一致方向。如果電路中的某無源元件的電壓、電流的參考方向不關(guān)聯(lián)（相反），則其元件約束方程前加“－”號。如電阻元件的電壓、電流參考方向如圖1.1所示時(shí)，其約束方程為u=－Ri

圖1.1

前一頁后一頁節(jié)目錄退出

2.計(jì)算電路元件消耗的功率時(shí)，要考慮其電壓、電流是否為關(guān)聯(lián)參考方向。是，用p=ui

計(jì)算；否，用

p=-ui

計(jì)算。無論哪種情況，若P>0，說明此電路元件消耗了功率，在電路中的作用為負(fù)載；若P<0，說明此電路元件供出功率，在電路中的作用為電源。

3.電壓源，電流源為本章的難點(diǎn)，尤其是電流源，初學(xué)者總覺得難以理解和掌握。電壓源、電流源都是理想的有源元件。當(dāng)一個(gè)實(shí)際電源的內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻時(shí)，可近似看成電壓源；而當(dāng)它的內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻時(shí)，改變負(fù)載電阻，電源供出的電流變化不大，則可近似看成電流源。前一頁后一頁節(jié)目錄退出

電壓源與電流源為對偶元件，它們都有兩個(gè)基本特性，可以對照理解和掌握。電壓源的端電壓為恒定值或?yàn)橐欢ǖ臅r(shí)變電壓，與它供出的電流無關(guān)，其供出電流由外電路決定；電流源供出的電流為恒定值或?yàn)橐欢ǖ臅r(shí)變電流，與其端電壓無關(guān)，它的端電壓由外電路決定。因此，如果一個(gè)電壓源與一個(gè)電流源串聯(lián)時(shí)，則此支路電流被電流源所確定，而電流源的端電壓要根據(jù)ＫＶＬ列方程確定；如果一個(gè)電壓源與一個(gè)電流源并聯(lián)，則電流源的端電壓被電壓源確定，而電壓源提供的電流要根據(jù)ＫＣＬ確定。前一頁后一頁節(jié)目錄退出例如右圖所示電路

若US1=4V，IS1=2A，IS2=4A，US2=10V，R=2Ω，由于電壓源US1與電流源IS1串聯(lián)，則支路電流為IS1=2A，

而電流源IS2的端電壓被US2確定，即UIS2=