第一章--电路的基本概念和基本定律.ppt

第一章第一章 电电路的基本概念和基本定律路的基本概念和基本定律 第一第一节节 电电路和路和电电路模型路模型第二第二节节 电电路中的主要物理量路中的主要物理量第三第三节节 电电路的基本元件路的基本元件第四第四节节 基基尔尔霍夫定律霍夫定律本章小本章小结结1 1.1-1 1-1 电电路和路和电电路模型路模型 电电路路实际线绕电实际线绕电阻的特征阻的特征理想元件理想元件电电路模型路模型2 2.电电路路电电路是各种路是各种电电气元器件按一定的方式气元器件按一定的方式连连接起来的接起来的总总体。体。电电路的路的组组成：成：1.提供提供电电能的部分称能的部分称为电为电源；源；2.消耗或消耗或转换电转换电能的部分称能的部分称为为负载负载；3.联联接及控制接及控制电电源和源和负载负载的部的部分如分如导线导线、开关等称、开关等称为为中中间环间环节节。3 3.实际线绕电实际线绕电阻的特征阻的特征1.电电阻特征阻特征:有有电电流通流通过时过时，除了，除了对电对电流呈流呈现现阻碍作用阻碍作用;2.电电感特征感特征:有有电电流通流通过时过时,在在导线导线的周的周围产围产生磁生磁场场；3.电电容特征容特征:有有电电流通流通过时过时,在各匝在各匝线线圈圈间间存在存在电场电场。4 4.理想元件理想元件为为了便于了便于对电对电路路进进行分析和行分析和计计算，我算，我们们常把常把实际实际元件加以元件加以近似化、理想化，在一定条件下忽略其次要性近似化、理想化，在一定条件下忽略其次要性质质，用足以，用足以表征其主要特征的表征其主要特征的“模型模型”来表示，即用理想元件来表示。来表示，即用理想元件来表示。例例“电电阻元件阻元件”是是电电阻器、阻器、电电烙烙铁铁、电电炉等炉等实际电实际电路元器路元器件的理想元件，即模型。因件的理想元件，即模型。因为为在低在低频电频电路中，路中，这这些些实实际际元器件所表元器件所表现现的主要特征是把的主要特征是把电电能能转转化化为热为热能。用能。用“电电阻元件阻元件”这样这样一个理想元件来反映消耗一个理想元件来反映消耗电电能的特征。能的特征。“电电感元件感元件”是是线线圈的理想元件；圈的理想元件；“电电容元件容元件”是是电电容器的理想元件。容器的理想元件。5 5.电电路模型路模型由理想元件构成的由理想元件构成的电电路，称路，称为实际电为实际电路的路的“电电路模型路模型”。图图1-2是是图图1-1所示所示实际电实际电路路的的电电路模型。路模型。首首页页6 6.电电电电流及其参考方向流及其参考方向流及其参考方向流及其参考方向电压电压电压电压及其参考方向及其参考方向及其参考方向及其参考方向关关关关联联联联参考方向参考方向参考方向参考方向电动势电动势电动势电动势电电电电功率和功率和功率和功率和电电电电能能能能1-2 1-2 电电路中的主要物理量路中的主要物理量 7 7.电电流的分流的分类类直流直流 （DC）：大小和方向均不随）：大小和方向均不随时间变时间变化的化的电电流。流。直流直流交流交流交流交流 （AC）：大小和方向均随）：大小和方向均随时间变时间变化，且一个周化，且一个周期内的平均期内的平均值为值为零的零的电电流。流。8 8.电电流的定流的定义义和和实际实际方向方向对对于直流，若在于直流，若在时间时间t 内通内通过导过导体横界面的体横界面的电电荷量荷量为为Q，则则电电流流为为对对于交流，若在于交流，若在时间时间dt 内通内通过导过导体横界面的体横界面的电电荷量荷量为为dq，则电则电流瞬流瞬时值为时值为（1-1）电电流的流的实际实际方向方向规规定定为为正正电电荷运荷运动动的方向。的方向。电电流的流的单单位：安培（位：安培（A），千安（），千安（kA）和毫安（）和毫安（mA）。）。9 9.电电流的参考方向的引入流的参考方向的引入 参考方向的引入：参考方向的引入：对对复复杂电杂电路由于无法确定路由于无法确定电电流的流的实际实际方向，或方向，或电电流的流的实际实际方向在不断的方向在不断的变变化，所以我化，所以我们们引入引入了了“参考方向参考方向”的概念。的概念。?1010.电电流参考方向的含流参考方向的含义义1.参考方向是一个假想的参考方向是一个假想的电电流方向。流方向。2.实线实线 参考方向（虚参考方向（虚线线 实际实际方向）。方向）。3.i0，则电则电流的流的实际实际方向与方向与电电流的参考方向一致；流的参考方向一致；i 0，则电则电流的流的实际实际方向和方向和电电流的参考方向相反。流的参考方向相反。1111.电压电压的定的定义义和和实际实际方向方向对对于直流，于直流，电电路中路中A、B两点两点间电压间电压的大小等于的大小等于电场电场力将力将单单位正位正电电荷荷Q从从A点移点移动动到到B点所做的功点所做的功W。即。即对对于交流，于交流，电电路中路中A、B两点两点间电压间电压的大小等于的大小等于电场电场力将力将单单位正位正电电荷荷dq从从A点移点移动动到到B点所做的功点所做的功dw。即。即（1-2）若若电场电场力做正功，力做正功，则电压则电压u 的的实际实际方向从方向从A到到B。电压电压的的单单位：伏特（位：伏特（V），千伏（），千伏（kV）和毫伏（）和毫伏（mV）。）。1212.电电位位 在在电电路中任路中任选选一点一点为电为电位参考点，位参考点，则则某点到参考点的某点到参考点的电压电压就叫做就叫做这这一点（相一点（相对对于参考点）的于参考点）的电电位。当位。当选择选择O点点为为参考参考电电位点位点时时，（1-3）电压电压是是针对电针对电路中某两点而言的，与路径无关。所以有路中某两点而言的，与路径无关。所以有（1-4）电压电压又叫又叫电电位差位差 电压电压的的实际实际方向是由高方向是由高电电位点指向低位点指向低电电位点位点 1313.电压电压参考方向的参考方向的标标注及含注及含义义参考方向是由参考方向是由A点指向点指向B点点 参考高参考高电电位端位端当当u0时时，该电压该电压的的实际实际极性与所极性与所标标的参考极性相同，当的参考极性相同，当u0时时，该电压该电压的的实际实际极性与所极性与所标标的参考极性相反。的参考极性相反。建建议议采用：参考极性采用：参考极性标标注法注法 1414.例例1-1 在如在如图图1-6所示的所示的电电路中，方框泛指路中，方框泛指电电路中的一般元件，路中的一般元件，试试分分别别指出指出图图中各中各电压电压的的实际实际极性极性 解解（1）a图图，a点点为为高高电电位，位，因因u=24V0,所所标实际标实际极性与参考极性相同。极性与参考极性相同。（2）b图图，b点点为为高高电电位，位，因因u=12V0,所所标实际标实际极性与参考极性相反。极性与参考极性相反。（3）c图图，不能确定，不能确定，虽虽然然u=15V0,但但图图中没有中没有标标出参考极性。出参考极性。各各电压电压的的实际实际极性极性1515.关关联联参考方向参考方向 电电流参考方向是从流参考方向是从电压电压的参考高的参考高电电位指向参考低位指向参考低电电位位 关关联联非关非关联联1616.电动势定定义义 电电源内部的局外力（源内部的局外力（电电源力）将正源力）将正电电荷由低荷由低电电位位移向高移向高电电位，使位，使电电源两端具有的源两端具有的电电位差称位差称为电动势为电动势，用符，用符号号e（或（或E）表示。表示。电动势电动势既有大小又有方向（极性）。既有大小又有方向（极性）。电电磁学中磁学中规规定定电电动势动势的的实际实际方向由低方向由低电电位指向高位指向高电电位。位。电动势电动势和和电压电压的的参考方向如参考方向如图图1-9所示。所示。1717.电动势的方向实际实际方向方向参考方向参考方向图图191818.电电功率功率 电电功率是指功率是指单单位位时间时间内，内，电电路元件上能量的路元件上能量的变变化量。即化量。即（1-5）在在电电路中，路中，电电功率功率简简称功率。称功率。它反映了它反映了电电流通流通过电过电路路时时所所传输传输或或转换电转换电能的速率。能的速率。功率的功率的单单位：瓦特（位：瓦特（W），千瓦（），千瓦（kW）和毫瓦（）和毫瓦（mW）1919.功率有大小和正功率有大小和正负值负值 元件元件吸收吸收的功率的功率p0，则该则该元件吸收（或消耗）功率元件吸收（或消耗）功率 p0，则该则该元件元件发发出（或供出（或供给给）功率）功率 2020.例例1-2 试试求如求如图图1-8所示所示电电路中元件吸收的功率。路中元件吸收的功率。解解（1）a图图，所，所选选u、i为为关关联联参考方向，参考方向，元件吸收的功率元件吸收的功率 P=U I=4（3）W=12 W此此时时元件吸收功率元件吸收功率12W，即，即发发出的功率出的功率为为12 W。(2)b图图，所，所选选u、i为为非关非关联联参考方向，参考方向，元件吸收的功率元件吸收的功率 P=U I=（5）3W=15 W此此时时元件吸收的功率元件吸收的功率为为15 W。2121.(3)c图图，u、i为为非关非关联联参考方向，参考方向，P=U I=42 W=8 W即元件即元件发发出的功率出的功率为为8 W。(4)d图图，u、i 为为关关联联参考方向，参考方向，P=U I=（6）（5）W=30 W即元件吸收的功率即元件吸收的功率为为30 W。首首页页2222.电能定定义义 电电能是指一段能是指一段时间时间内内电电路消耗的功率，用路消耗的功率，用W（或（或w）表示。即表示。即若功率随若功率随时间变时间变化，化，则则式中，式中，电压电电压电流流为为关关联联参考方向。参考方向。w0，吸收，吸收电电能；能；w0，表示吸收能量，表示吸收能量，wL 0，表示，表示发发出能量。出能量。若若电电感元件原先未感元件原先未储储能，即能，即i(0)=0，则则 4545.电压电压源源电压电压源是源是实际电实际电源（如干源（如干电电池、蓄池、蓄电电池等）的一种抽象，池等）的一种抽象，是理想是理想电压电压源的源的简简称。称。符号符号伏安特性伏安特性4646.电压源表达式对对恒恒压压源源 电压电压源的伏安关系源的伏安关系为为 4747.电压电压源的两个特点源的两个特点 无无论电论电源是否有源是否有电电流流输输出，出，U=，与，与 无关；无关；开开路路接接外外电电路路 由由 及外及外电电路共同决定。路共同决定。4848.例例电电路如路如图图，已知，已知U s=10 V,求求电压电压源源输输出的出的电电流。流。外外电电路路R有两种情况（有两种情况（1）R=5（2）R=10解解（1）R=5由由电压电压源特性知，源特性知，（2）R=104949.电电流源流源电电流源也是流源也是实际电实际电源（如光源（如光电电池）的一种抽象，是理想池）的一种抽象，是理想电电流流源的源的简简称。称。符号符号伏安特性伏安特性5050.电流源表达式对对恒流源恒流源 电电流源的伏安关系流源的伏安关系为为 5151.电电流源的两个特点流源的两个特点 电电流恒定，即流恒定，即 ，与与输输出出电压电压 U 无关；无关；U 由由 及外及外电电路共同决定。路共同决定。首首页页5252.例1-5 电电路如路如图图a所示所示，若，若,试试求求电电阻阻R吸收的功率和吸收的功率和电电流源流源发发出的功率。出的功率。解解 由于由于电电流源两端的流源两端的电压电压是由外是由外电电路决定的，本路决定的，本题题中中设设其两端的其两端的电压为电压为 故故电电流源流源发发出的功率出的功率为为48W。5353.例1-6 电电路如路如图图a所示所示，若，若,试试求求电电阻阻R的的电压电压 和和电压电压源源发发出的功率。出的功率。解解故故电电流源流源发发出的功率出的功率为为48W。设电设电路的路的电电流流为为I 又由于又由于电压电压源的源的电压电压与与电电流是非关流是非关联联参考方向，所以参考方向，所以5454.1-4 1-4 基基尔尔霍夫定律霍夫定律 电电路分析方法的根本依据路分析方法的根本依据几个有关的几个有关的电电路名路名词词 基基尔尔霍夫霍夫电电流定律（流定律（简简称称KCLKCL）广广义节义节点点基基尔尔霍夫霍夫电压电压定律（定律（简简称称KVLKVL）5555.电电路分析方法的根本依据路分析方法的根本依据 元件的元件的约约束关系束关系 电电路的路的约约束关系束关系:基基尔尔霍夫定律霍夫定律U、i 关关联联参考方向参考方向时时基基尔尔霍夫霍夫电电流定律，即流定律，即KCL基基尔尔霍夫霍夫电压电压定律，即定律，即KVL5656.几个有关的几个有关的电电路名路名词词（1）支路：）支路：电电路中具有两路中具有两个端个端钮钮且通且通过过同一同一电电流的每流的每个分支（至少含一个元件。个分支（至少含一个元件。（2）节节点：点：三条或三条以三条或三条以上支路的上支路的联联接点。接点。（3）回路：）回路：电电路中由若干条支路路中由若干条支路组组成的成的闭闭合路径。合路径。（4）网孔：）网孔：内部不含有支路的回路。内部不含有支路的回路。5757.基基尔尔霍夫霍夫电电流定律（流定律（简简称称KCLKCL）KCL指出：任一指出：任一时时刻，流入刻，流入电电路中任意一个路中任意一个节节点的各点的各支路支路电电流代数和恒等于零，即流代数和恒等于零，即 KCL源于源于电电荷守恒。荷守恒。列方程列方程时时，以参考方向，以参考方向为为依据，若依据，若电电流参考方向流参考方向为为“流入流入”节节点的点的电电流前取流前取“”号，号，则则“流出流出”节节点的点的电电流前取流前取“”号。号。i=0（1-17）5858.例例1-7 在如在如图图1-30所示所示电电路的路的节节点点a处处，已知，已知 =3A，=2A，=4A，=5A，求，求 。解解将将电电流本身的流本身的实际实际数数值值代入上式，得代入上式，得3A（2）A（4）A5A =0据据KCL列方程列方程=14A5959.广广义节义节点点广广义节义节点：任一假点：任一假设设的的闭闭合面合面=0由由KCL得得6060.两套两套“、”符号符号 在公式在公式i=0 中，以各中，以各电电流的参考方向决定流的参考方向决定的的“、”号；号；电电流本身的流本身的“、”值值。这这就是就是KCL定定义义式式中中电电流代数和的真正含流代数和的真正含义义。6161.基基尔尔霍夫霍夫电压电压定律（定律（简简称称KVLKVL）KVL指出：任一指出：任一时时刻，沿刻，沿电电路中的任何一个回路，所有路中的任何一个回路，所有支路的支路的电压电压代数和恒等于零，即代数和恒等于零，即 KVL源于能量守恒原理。源于能量守恒原理。列方程列方程时时，先任意，先任意选择选择回路的回路的绕绕行方向，当回路中的行方向，当回路中的电压电压参参考方向与回路考方向与回路绕绕行方向一致行方向一致时时，该电压该电压前取前取“”号，否号，否则则取取“”号。号。（1-18）u=06262.例例1-8 在如在如图图1-32所示所示电电路中，已知路中，已知 =3V，=4V，=2V。试应试应用用KVL求求电压电压 和和 。解解方法一方法一 步步骤骤一：任意一：任意选择选择回路的回路的绕绕行方向，行方向，并并标标注于注于图图中中步步骤骤二：据二：据KVL列方程。当回路中列方程。当回路中的的电压电压参考方向与回路参考方向与回路绕绕行方向一行方向一致致时时，该电压该电压前取前取“”号，否号，否则则取取“”号。号。回路回路：回路回路：6363.步步骤骤三：将各已知三：将各已知电压值电压值代入代入KVL方程，得方程，得回路回路：回路回路：两套两套“、”符号：符号：在公式在公式u=0 中，各中，各电压电压的参考方向与回路的的参考方向与回路的绕绕行方向行方向是否一致决定的是否一致决定的“、”号；号；电压电压本身的本身的“、”值值。这这就是就是KVL定定义义式中式中电压电压代数代数和的真正含和的真正含义义。6464.方法二方法二利用利用KVL的另一种形式，用的另一种形式，用“箭箭头头首尾首尾衔衔接法接法”，直接求回路，直接求回路中惟一的未知中惟一的未知电压电压，其方法如，其方法如图图1-25所示。所示。回路回路：回路回路：将已知将已知电压电压与未知与未知电压电压的的参考方向箭参考方向箭头头首尾首尾衔衔接接6565.例例1-9 电电路如路如图图1-34所示，所示，试试求求 的表达式。的表达式。解解 6666.例例1-11 电电路如路如图图1-36a所示，所示，试试求开关求开关S断开和断开和闭闭合两种合两种情况下情况下a点的点的电电位。位。解解 图图1-36a图图是是电电子子电电路中的一种路中的一种习惯习惯画法，画法，图图1-36a可改画可改画为图为图1-36b.6767.（1）开关）开关S断开断开时时据据KVL（2+15+3）k =（5+15）V 由由“箭箭头头首尾首尾衔衔接法接法”得得 6868.或或 2）开关）开关S闭闭合合时时首首页页6969.小小结结 一、研究一、研究电电路的一般方法路的一般方法理想理想电电路元件是指路元件是指实际电实际电路元件的理想化模型。由理想路元件的理想化模型。由理想电电路路元件构成的元件构成的电电路，称路，称为电为电路模型。在路模型。在电电路理路理论论研究中，都用研究中，都用电电路模型来代替路模型来代替实际电实际电路加以研究。路加以研究。二、二、电压电压、电电流的参考方向流的参考方向电电路路图图中所中所标标注的均是参考方向，并以参考方向注的均是参考方向，并以参考方向为为依据列方依据列方程。程。电压电压的参考极性用的参考极性用“、”标标注，注，电电流的参考方向用流的参考方向用“”标标注。当注。当u(或或 i)0时时，表明，表明实际实际方向与参考方向一致，方向与参考方向一致，否否则则相反。相反。7070.三、功率三、功率当元件的当元件的 u、i 选选关关联联参考方向参考方向时时，p=ui当元件的当元件的 u、i 选选非关非关联联参考方向参考方向时时，p=-ui若若p0,则该则该元件元件为为耗能元件；若耗能元件；若p0，则为则为供能元件。供能元件。电电路中功率是平衡的，即路中功率是平衡的，即四、四、电电阻元件、阻元件、电电容元件、容元件、电电感元件的感元件的u、i关系关系当元件的u、i选关联参考方向时，u=R i 四、四、电电阻元件、阻元件、电电容元件、容元件、电电感元件的感元件的u、i 关系关系当元件的当元件的u、i 选选关关联联参考方向参考方向时时，对对于于线线性性电电阻元件、阻元件、电电感元件和感元件和电电容元件，容元件，R、L、C均均为为常数。常数。u =R i 7171.五、基五、基尔尔霍夫定律霍夫定律KCL：i=0以以电电流流i的参考方向的参考方向为为依据列方程，流入依据列方程，流入节节点的点的电电流前取流前取“”，否，否则则取取“”。KVL：u=0以以电压电压u的参考方向的参考方向为为依据列方程，当依据列方程，当u的参考方向与的参考方向与绕绕行行方向一致方向一致时时，该电压该电压前取前取“”，否，否则则取取“”。7272.