电路基本概念与定律

1、电路基本概念与定律电路基本概念与定律 第1章 电路的基本概念与定律 第第1讲讲 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 第第1 1章章 电路的基本概念与定律电路的基本概念与定律 1.1 1.1 电路中的物理量电路中的物理量 1.2 1.2 电路元件电路元件 1.3 1.3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 1.11.1 电路中的物理量 电池电池 灯泡灯泡 电流电流 电压电压 电动势电动势 E I RU + _ 电源电源 负载负载 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电路电路 电路就是电流通过的路径电路就是电流通过的路径,以手电筒为例以手电筒为例: E 实际电路元件

2、实际电路元件 电路模型电路模型 开关开关 电池电池电珠电珠 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 又如扩音机又如扩音机, ,其电路示意图为其电路示意图为: : 二二. .电路的作用电路的作用 1.1.电能传输与转换。电能传输与转换。 2. 2.信号的传递与处理。信号的传递与处理。 三三. .电路的基本组成电路的基本组成 以手电筒为例以手电筒为例, ,包括包括: : 电源电源: : 电池电池, ,提供能量。提供能量。 负载负载: : 电珠电珠, , 把电能转化为其他形式的能量把电能转化为其他形式的能量( (光能光能) )。 开关开关: : 控制电路通或断。控制电路通或断。 导线导线: : 筒体筒

3、体, , 输送和分配电能。输送和分配电能。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电流、电压及其参考方向电流、电压及其参考方向 一一. .电流及参考方向电流及参考方向 带电粒子向一个方向移动形成电流。带电粒子向一个方向移动形成电流。 带电粒子如电子带电粒子如电子( (带负电荷带负电荷) )、离子、离子( (可带正或负电荷可带正或负电荷) )、空穴、空穴( (带正电荷带正电荷) )。 电流由其大小与方向来描述。电流由其大小与方向来描述。 1.1.电流的大小电流的大小 用电流强度来表示用电流强度来表示, ,定义为单位时间内通过导体横截面的电荷量。即定义为单位时间内通过导体横截面的电荷量。即: :

4、dt dq i i s 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 在电工技术中有时采用比安培更大的单位千安培在电工技术中有时采用比安培更大的单位千安培( (KA),),电子电子 技术中则采用小电流的单位技术中则采用小电流的单位, ,如毫安如毫安( (mA),),微安微安( ),( ),纳安纳安( (nA) )。 电流强度的单位是安培电流强度的单位是安培( (A) )。当。当dq = = 1C, ,dt = = 1S, ,则则i= =1A。 uA 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 2.2.电流的方向电流的方向 电流的实际方向电流的实际方向 正电荷运动的方向规定为电流的方向正电荷运动的方向规定为电

5、流的方向, ,负电荷形成的电流其方向与负电荷形成的电流其方向与 运动方向相反。运动方向相反。 如图如图, , 带电极板使电荷运动带电极板使电荷运动, ,电荷形成的电流方向为自电荷形成的电流方向为自A到到B, ,这就这就 是电流的实际方向。是电流的实际方向。 + 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电路分析中的假设正方向（参考方向）电路分析中的假设正方向（参考方向） 问题的提出问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？的实际方向，电路如何求解？ 电流方向电流方向 AB？ 电流方向电流方向 BA？ U1 AB R U2 IR 电路基

6、本概念与定律电路基本概念与定律 (1) 在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；在解题前先设定一个正方向，作为参考方向； 解决方法解决方法 (3) 根据计算结果确定实际方向：根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。 (2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；系的代数表达式； 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电流的参考方向电流的参考方向 在较复杂的电路中在较复杂的电路中,

7、 ,某支路某支路abab其实际电流方向在其实际电流方向在 求解前往往很难判断求解前往往很难判断. .但描述电路元件性质和连接但描述电路元件性质和连接 方式规律的公式的列写都与电流的方向有关方式规律的公式的列写都与电流的方向有关 为此在进行分析之前为此在进行分析之前, ,我们必须给各支路的电流我们必须给各支路的电流 一个假定的正方向用箭头表示一个假定的正方向用箭头表示, ,称为电流的参考方向称为电流的参考方向, , 也称为假定方向。也称为假定方向。 电流的参考方向电流的参考方向 A B 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电流的实际方向将根据求解后电流数值的正负电流的实际方向将根据求解后电流数

8、值的正负 以及电流的参考方向来决定以及电流的参考方向来决定, ,电流的大小由电流电流的大小由电流 数值的绝对值来表示。数值的绝对值来表示。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 解：解： (a) (a) 电流电流i i为正值为正值, ,说明实际电流方向与参考方向一说明实际电流方向与参考方向一 致致, ,电流的真实方向为由电流的真实方向为由a a到到b;b; (b) (b) 电流电流i i为负值为负值, ,说明实际方向与参考方向相反说明实际方向与参考方向相反, , 电流的真实方向为由电流的真实方向为由b b到到a a。 例例 指出指出 图图 ( ( a ), ( ), ( b) )中电流的真实方

9、向，电流参考方向中电流的真实方向，电流参考方向 已用箭头表示在图上。已用箭头表示在图上。 a a Ai2 b a b b Ai3 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 3.3.电流的分类电流的分类 电流大小与方向均不变的称为直流电流大小与方向均不变的称为直流(DC);(DC);大小与方向均随时间而改变大小与方向均随时间而改变 的称为交流的称为交流(AC);(AC);除此以外除此以外, ,亦有方向不变而大小随时间而变亦有方向不变而大小随时间而变; ;或者大或者大 小不变小不变, ,而方向随时间而变的电流而方向随时间而变的电流, ,常称为脉冲电流。常称为脉冲电流。 如图（如图（c)c)及（及（d

10、d）所示：）所示： i t t iii t tt tt t I ( (a a) )直直 流流( (b b) )交交 流流( (c c) )单单 向向 脉脉 冲冲( (d d) )双双 向向 脉脉 冲冲 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 二二. .电压及参考极性电压及参考极性 1.1.电压电压 电压就是单位正电荷从电路中的一点移至另一点时电压就是单位正电荷从电路中的一点移至另一点时 电路所吸收或放出的能量。若为吸收能量则称为电压降电路所吸收或放出的能量。若为吸收能量则称为电压降; ; 若为放出能量则称为电压升若为放出能量则称为电压升, ,电压升就是负的电压降。电压升就是负的电压降。 dq d

11、w u 应该指出应该指出, ,有时有时“电压电压”一词就是指电压降用一词就是指电压降用u u表示。表示。 即即: : 式中式中dwdw为电路吸收的能量；为电路吸收的能量；dqdq为通过的电荷。为通过的电荷。 一库仑的正电荷被电路吸收的能量若为一焦耳一库仑的正电荷被电路吸收的能量若为一焦耳, , 则该电路的电压降为一伏特。则该电路的电压降为一伏特。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 2.2.电压参考极性电压参考极性 电路中某两点电路中某两点a a、 b b间间, ,在某一时刻的电压可能是电压降在某一时刻的电压可能是电压降, , 也可能是电压升。这一情况也可能是电压升。这一情况, ,在求解之前

12、也是不知道的在求解之前也是不知道的, , 但描述电路元件性质和连接方式的公式的列写也是与但描述电路元件性质和连接方式的公式的列写也是与 这个电压的极性有关的这个电压的极性有关的, , 所以所以, ,在作电路分析之前在作电路分析之前, ,我们我们 也必须给出一个假定的电压降方向也必须给出一个假定的电压降方向, ,用用“+ +”、 “- -”号表示号表示, , “+ +”号表示高电位端号表示高电位端, ,“- -”表示低电位端表示低电位端, ,称为电压的参称为电压的参 考极性。考极性。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电路中两点间电压的真实极性由求解所得电压数值的正电路中两点间电压的真实极性

13、由求解所得电压数值的正. . 负以及电压的参考极性来确定。如图中负以及电压的参考极性来确定。如图中, ,若若u = 5vu = 5v 则表示则表示a, ba, b两点间电压的大小为两点间电压的大小为5v,5v,且且a a点是高电位端点是高电位端, , b b点是低电位端点是低电位端,a,a到到b b有有5v5v的电压降的电压降; ;若若u = -5v,u = -5v,则则a, ba, b两两 点间电压为点间电压为5v,5v,但但b b点是高电位端点是高电位端, ,或说或说a a到到b b有有5v5v电压升。电压升。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 三三. .关联参考方向关联参考方向 一个

14、元件的电流参考方向和电压参考极性的假定都是任意的。为了一个元件的电流参考方向和电压参考极性的假定都是任意的。为了 方便方便, ,也为了防止混乱也为了防止混乱, ,常采用常采用关联参考方向的标示方法关联参考方向的标示方法,把电压电把电压电 流方向一致起来。流方向一致起来。 如图所示如图所示, ,电流电流i i与电压与电压u u参考方向一致时称为关联，参考方向一致时称为关联， 否则就是非关联。否则就是非关联。 关联的参考方向：一个元件当它的电流参考方向假定以后，其电关联的参考方向：一个元件当它的电流参考方向假定以后，其电 压的参考极性就不再任意假定了，而一定是把电压降的方向取为压的参考极性就不再任

15、意假定了，而一定是把电压降的方向取为 电流的参考方向；或当它的电压的参考极性被假定以后，其电流电流的参考方向；或当它的电压的参考极性被假定以后，其电流 的参考方向就不再任意假定了，的参考方向就不再任意假定了，而一定是把电流的参考方向假定而一定是把电流的参考方向假定 为与电压降的方向一致。为与电压降的方向一致。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 a b cd E 四四. .电位电位 而电路中其它各点对该点的电压就称为相应点的电位。而电路中其它各点对该点的电压就称为相应点的电位。 参考点的电位规定为零。参考点的电位规定为零。 在电路中，特别是在电子电路中，选择一个点作为参考点，在电路中，特别是

16、在电子电路中，选择一个点作为参考点， 如图如图, ,若选若选d d点为参考点，则点为参考点，则a a、 b b、 c c各点的电位为各点的电位为 cdc uu bdb uu ada uu 由电压和电位的概念可知，电路中某两点的电压一定由电压和电位的概念可知，电路中某两点的电压一定 等于该两点间的电位之差，等于该两点间的电位之差， baab uuu caac uuu 在电子仪器中通常选取公共接地点或仪器的外壳作为参在电子仪器中通常选取公共接地点或仪器的外壳作为参 考点，在电路图中考点，在电路图中 符号符号 或或 表示，必须指出，表示，必须指出， 各点电位的大小和正负，与所选参考点有关而某两点之各

17、点电位的大小和正负，与所选参考点有关而某两点之 间的电压却与参考点无关间的电压却与参考点无关 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 五五. .电电 动动 势势 由电源由电源E E和外电路和外电路R R构成的电流通路。在电源两极板电场的作用下构成的电流通路。在电源两极板电场的作用下 正电荷从电极正电荷从电极a a经外电路经外电路R R 流向电极流向电极b,b,流经流经R R 时时, ,正电荷放出能量正电荷放出能量, ,而外电路而外电路R R 吸收能量。电荷的移动使电极吸收能量。电荷的移动使电极a a正电荷减少正电荷减少, ,电位逐渐降低电位逐渐降低, ,电极电极b b因正电荷因正电荷 的增多的增

18、多, ,电位逐渐升高电位逐渐升高, ,其结果是其结果是a a和和b b两电极的电位之差逐渐减小两电极的电位之差逐渐减小, ,电流亦电流亦 逐渐减小。为了维持电流的持续性逐渐减小。为了维持电流的持续性, ,电源应该产生外力电源应该产生外力( (电源力电源力),), 把正电荷从电源负极把正电荷从电源负极( (低电位处低电位处) )重新送到电源正极重新送到电源正极( ( 高电位处高电位处) )。在电池中这种电源力就是化学力。在电池中这种电源力就是化学力, ,对于对于 发电机这种电源力是电磁力发电机这种电源力是电磁力, ,电磁力又由热或机械力电磁力又由热或机械力 转化而来。转化而来。 + + - -

19、E 电电源源 0 R 一个实际电源除了包含电动一个实际电源除了包含电动 势势E,E,还包含内电阻还包含内电阻R R0, 0, 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 物理量的实际正方向物理量的实际正方向 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 物理量正方向的表示方法物理量正方向的表示方法 电池电池 灯泡灯泡 Uab _ + 正负号正负号 a b Uab（高电位在前，高电位在前， 低电位在后）低电位在后） 双下标双下标 箭箭 头头 Uab ab电压电压 + - I R 电流：从高电位电流：从高电位 指向低电位。指向低电位。 I RUab E + _ a b U + _ 电路基本概念与定律电路基本概念

20、与定律 物理量正方向的表示方法物理量正方向的表示方法 I RUab + _ a b U + _ 电压的正方向箭头和正负号是等价的电压的正方向箭头和正负号是等价的, 只用其中之一只用其中之一. I RUab a b U 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 规定正方向的情况下欧姆定律的写法规定正方向的情况下欧姆定律的写法 I与与U的方向一致的方向一致 U=IR a I R U b I与与U的方向相反的方向相反 U=IR a I R U b 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 规定正方向的情况下电功率的写法规定正方向的情况下电功率的写法 功率的概念功率的概念：设电路任意两点间的电压为：设电路任意

21、两点间的电压为 U ,流入此流入此 部分电路的电流为部分电路的电流为 I， 则这部分电路消耗的功率为则这部分电路消耗的功率为: IUP = 如果如果UI方向不一方向不一 致写法如何？致写法如何？ 电压电流正方向一致电压电流正方向一致 a I R U b 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 规定正方向的情况下电功率的写法规定正方向的情况下电功率的写法 a I R U b 电压电流正方向相反电压电流正方向相反 P=UI 功率有正负？功率有正负？ 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 吸收功率或消耗功率（起负载作用）吸收功率或消耗功率（起负载作用）若若 P 0 输出功率（起电源作用）输出功率（起电

22、源作用）若若 P 0 电阻消耗功率肯定为正电阻消耗功率肯定为正 电源的功率可能为正（吸收功率）电源的功率可能为正（吸收功率） ，也可能为负（输出功率），也可能为负（输出功率） 功率有正负功率有正负 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电源的功率电源的功率 I U a b + - P=UI P=UI I U a b + - 电压电流正方向不一致电压电流正方向不一致 电压电流正方向一致电压电流正方向一致 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 含源网络的功率含源网络的功率 I U + - 含源含源 网络网络 P=UI 电压电流正方向一致电压电流正方向一致 P=UI 电压电流正方向不一致电压电流正方

23、向不一致 I U + - 含源含源 网络网络 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 当当 计算的计算的 P 0 时时, , 则说明则说明 U、I 的实际的实际 方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。 所以，从所以，从 P的的 + + 或或 - - 可以区分器件的性质，可以区分器件的性质， 或是电源，或是负载。或是电源，或是负载。 结结 论论 在进行功率计算时，在进行功率计算时，如果假设如果假设 U U、I I 正方向一致正方向一致。 当计算的当计算的 P 0 时时, , 则说明则说明 U、I 的实际方的实际方 向相反，此部分电路发出电功率，为电源。向相

24、反，此部分电路发出电功率，为电源。 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 伏伏 - 安安 特性特性 i u const i u R R i u u i const i u R 线性电阻线性电阻非线性电阻非线性电阻 ( (一一) ) 无源元件无源元件 1. 1. 电阻电阻 R（常用单位：（常用单位： 、k 、M ） 1.2 1.2 电路元件电路元件 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 2.2.电感电感 L L： u i （单位：（单位：H, mH, H） 单位电流产生的磁链单位电流产生的磁链 i NL 线圈线圈 匝数匝数 磁通磁通 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 电感中电流、电压的关系电

25、感中电流、电压的关系 dt di L dt d Ne dt di Leu 当当 Ii (直流直流) 时时,0 dt di 0u 所以所以,在直流电路中电感相当于短路在直流电路中电感相当于短路. i NL u e e i + + 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 3.3.电容电容 C u q C 单位电压下存储的电荷单位电压下存储的电荷 （单位：（单位：F, F, pF） + - +q -q u i 电容符号电容符号 有极性有极性无极性无极性 + _ 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 dt du C dt dq i 电容上电流、电压的关系电容上电流、电压的关系 u q C 当当 Uu (

26、直流直流) 时时,0 dt du 0i 所以所以,在直流电路中电容相当于断路（开路）在直流电路中电容相当于断路（开路） u i C 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 无源元件小结无源元件小结 理想元件的特性理想元件的特性 （u与与 i 的关系）的关系） LCR iRu dt di Lu dt du Ci 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 U R1 R2 L C R1 UR2 U为直流电压时为直流电压时, 以上电路等效为以上电路等效为 注意注意 L、C 在不同电路中的作用在不同电路中的作用 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 1.1.电压源电压源 ( (二二) ) 有源元件有源元件 主

27、要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。主要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。 理想电压源理想电压源 （恒压源）（恒压源） I US + _ a b Uab 伏安特性伏安特性 I Uab US 特点：特点：( (1）无论负载电阻如何变化，输出电）无论负载电阻如何变化，输出电 压不变压不变 （2）电源中的电流由外电路决定，输出功率）电源中的电流由外电路决定，输出功率 可以无穷大可以无穷大 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 恒压源中的电流由外电路决定恒压源中的电流由外电路决定 设设:U=10V I U + _ a b Uab 2 R1 当当R1 、R2 同时接入时：同时接入时： I=1

28、0A R2 2 例例 当当R1接入时接入时 ： I=5A则：则： 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 RS越大越大 斜率越大斜率越大 电压源模型电压源模型 伏安特性伏安特性 I U US U I RS + - US RL U=USIRS 当当RS = 0 时，电压源模型就变成恒压源模型时，电压源模型就变成恒压源模型 由理想电压源串联一个电阻组成由理想电压源串联一个电阻组成 RS称为电源的内阻或输出电阻称为电源的内阻或输出电阻 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 理想电流源理想电流源 （恒流源（恒流源) ) 特点：（特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流

29、流源电流 IS； a b I Uab Is I Uab IS 伏伏 安安 特特 性性 （2）输出电压由外电路决定。）输出电压由外电路决定。 2. 2. 电流源电流源 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 恒流源两端电压由外电路决定恒流源两端电压由外电路决定 I UIsR 设设:IS=1 A R=10 时，时，U=10V R=1 时，时，U=1V则则: 例例 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 IS RS a b Uab I Is Uab I 外特性外特性 电流源模型电流源模型 RS RS越大越大 特性越陡特性越陡 I=ISUab/RS 由理想电流源并联一个电阻组成由理想电流源并联一个电阻组成

30、 当当 内阻内阻RS = 时，电流源模型就变成恒流源模型时，电流源模型就变成恒流源模型 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 恒压源与恒流源特性比较恒压源与恒流源特性比较 恒压源恒压源恒流源恒流源 不不 变变 量量变变 化化 量量 U + _ a b I Uab Uab=U （常数）（常数） Uab的大小、方向均为恒定，的大小、方向均为恒定， 外电路负载对外电路负载对 Uab无影响。无影响。 I a b UabIs I=Is （常数）（常数） I 的大小、方向均为恒定，的大小、方向均为恒定， 外电路负载对外电路负载对 I 无影响。无影响。 输出电流输出电流 I 可变可变 - I 的大小、方向均的大小、方向均 由外电路决定由外电路决定 端电压端电压Uab 可变可变 - Uab 的大小、方向的大小、方向 均由外电路决定均由外电路决定 电路基本概念与定律电路基本概念与定律 1.3 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 （克希荷夫定律，克氏定律）（克希荷夫定律，克氏定律） 用来描述电路中各部分电压或各部分电流用来描述电路中各部分电压或各部分电流 间的关系间的关系,其中包括基尔霍夫电流定律和基尔其中包括基尔霍夫电流定律和基尔 霍夫电压定律两个定律。霍夫电压定律两个定律。 名词注释：名词注释： 节点：三个或三个以上支路的联结点节点：三个或三个以上支路的联结点 支路：电路中每一个分