电路的基本概念与基本定律课件

1、 了解电路模型及理想电路元件的意义；电压、电流的参考方向的意义；电路基本定律并能正确应用； 了解电路的有载工作状态、开路、短路状态；额定值及电功率的意义；电位的概念及其计算。 若干若干电气设备电气设备或或元件元件按照按照一定方式组合起来的一定方式组合起来的电流的通路电流的通路。电路的组成电路的组成（1）电源）电源（2）负载）负载 （3）中间环节）中间环节电路的作用电路的作用（1 1）能量的传输和转换）能量的传输和转换（2 2）信号的传递和处理）信号的传递和处理 （3 3）测量电量）测量电量（4 4）存储信息）存储信息电力系统电路示意图电力系统电路示意图发电机发电机升压升压变压器变压器降压降压变

2、压器变压器电灯电灯电动机电动机电炉电炉输电线输电线电源电源负载负载中间环节中间环节中间环节中间环节负载负载扩音机电路示意图扩音机电路示意图信号源信号源放大器放大器几个电路分析电路分析与与电路综合电路综合激励激励与与响应响应电路结构元件参数激励与响应的关系电路分析电路分析电路综合电路综合 电源或电信号的电压或电流。 由激励在电路各部分产生的电压或电流。 在一定条件下突出元件主要的电磁性质，在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元件。件。 便于对实际电路进行分析和用数学描述，便于对实际电路进行分析和用数学描述，将实际元件理

3、想化（或称模型化将实际元件理想化（或称模型化）。）。UIS SER0R导线开关电池灯泡 电阻元件 电容元件 电感元件 电流源 电压源-+为什么要规定电压和电流的参考方向？参考方向参考方向是在分析计算时是在分析计算时人为规定人为规定的方向。的方向。规定参考方向的必要性必要性和任意性任意性概念概念: 电荷有规则的定向运动。电荷有规则的定向运动。方向方向: 正电荷移动的方向。正电荷移动的方向。 abSIab i =dq / dt I = q / t (DC)大小大小: 单位时间通过导体横单位时间通过导体横 截面的电荷量。截面的电荷量。单位单位: 安培安培(A) 毫安毫安(mA) 微安微安( A) 习

4、惯上规定习惯上规定正电荷的运动方向正电荷的运动方向(或负电荷或负电荷运动的相反方向运动的相反方向)为电流的正方向。电流为电流的正方向。电流的正方向是客观存在！的正方向是客观存在！ 在分析问题前，有时在分析问题前，有时无法预知无法预知电流的实电流的实际方向；而际方向；而交流电路交流电路的电流方向又时刻的电流方向又时刻发生变化，也无法指定其电流方向。发生变化，也无法指定其电流方向。 在分析电路时，一般先选定某一方向作在分析电路时，一般先选定某一方向作为电流的正方向为电流的正方向称为称为参考方向参考方向。 当所选电流正方向与实际电流正方向当所选电流正方向与实际电流正方向一致一致时，所得电流的数值为时

5、，所得电流的数值为正正，反之为，反之为负负。参考方向参考方向实际方向实际方向i 00i 00i 概念：概念：电荷在导体中作定向运动时，一定要受电荷在导体中作定向运动时，一定要受到力的作用。如果这个力源是到力的作用。如果这个力源是电场电场，则电荷运，则电荷运动就要消耗电场能量，或者说电场力对电荷作动就要消耗电场能量，或者说电场力对电荷作了功。为衡量了功。为衡量电场力电场力对电荷作功的能力，引入对电荷作功的能力，引入一新的物理量一新的物理量电压。电压。 大小：大小：a、b两点间电压两点间电压 Uab 在数值上等于在数值上等于电场力电场力把单位正电荷从把单位正电荷从a点移到点移到b点所作的功点所作的

6、功。也就是。也就是单位正电荷在移动过程中所失去的电能。单位正电荷在移动过程中所失去的电能。 单位单位：伏特：伏特(V) 千伏千伏(kV) 毫伏毫伏(mV)：由：由高高电位指向电位指向低低电位，即电位，即电位降电位降的方向。的方向。Uab+ab 在分析电路之前，可以在分析电路之前，可以任意任意选择某一方向为电选择某一方向为电压的压的。当实际电压方向与参考方向。当实际电压方向与参考方向一一致致时，电压值为时，电压值为正正，反之为负。，反之为负。 参考方向的参考方向的：如图电压和如图电压和电流为关联电流为关联参考方向参考方向 如果指定的通过元件的电流的参考方向是如果指定的通过元件的电流的参考方向是从

7、标有电压从标有电压“+”极性一端指向电压极性一端指向电压“-”极性一极性一端，则称电流和电压参考方向一致，即端，则称电流和电压参考方向一致，即关联关联。IU+-ababIU-+ 正正电荷从高电位电荷从高电位a向低电位向低电位b移动，移动，a端的正电荷逐渐减少会使其电位逐端的正电荷逐渐减少会使其电位逐渐降低。渐降低。 为为维持导体中的电流能够连续不维持导体中的电流能够连续不断地流过，且应使得导体断地流过，且应使得导体a、b两端两端的电压不致丧失，就要将的电压不致丧失，就要将b端的正电端的正电荷移至荷移至a端。但电场力的作用方向恰端。但电场力的作用方向恰好与此相反，因此就必须要有另一好与此相反，因

8、此就必须要有另一种力去克服电场而使种力去克服电场而使b端的正电荷移端的正电荷移至至a端。电源中必具有这种力端。电源中必具有这种力电电源力源力。IEabUab+_ab电 源 力电 源 力：电源电动势：电源电动势Eab的数值等于电源力把单位的数值等于电源力把单位正电荷从电源的低电位正电荷从电源的低电位b端端经电源内部经电源内部移到电源移到电源高电位高电位a端所作的功，也就是单位正电荷从电源端所作的功，也就是单位正电荷从电源低电位端移到高电位端所获得的能量。低电位端移到高电位端所获得的能量。：电动势的实际方向是由电源低电位端指：电动势的实际方向是由电源低电位端指向电源高电位端，即向电源高电位端，即电

9、位升电位升。：与电压的单位相同：与电压的单位相同: 伏特伏特(V)：电动势、电压和电流都是标量。：电动势、电压和电流都是标量。+R0U=2.8VU =-2.8VI=0.28AI =-0.28A 如图所示E=3V电动势为为E=3V方向由负极方向由负极“-”指向正极指向正极“+”电压为为U=2.8V 由由 指向指向电流为为I=0.28A 由由 流向流向其参考方向为关联方向。其参考方向为关联方向。U 与与 I 的的参考方向选择亦参考方向选择亦为关联方向的定义方式。为关联方向的定义方式。e.g. 1.1物理量物理量单位单位实际方向实际方向电流电流 I A 、kA、mA、A正电荷正电荷移动的方向移动的方

10、向电动势电动势 E V、kV、mV、V电源驱动正电荷的方向，电源驱动正电荷的方向，即即电压电压 U V、kV、mV、V低的方向低的方向(1) (1) 在解题前任选某一个方向为在解题前任选某一个方向为参考方向参考方向（或称正（或称正 方向）；方向）； (3) (3) 根据计算结果根据计算结果确定实际方向确定实际方向： 若计算结果为若计算结果为正正，则实际方向与参考方向，则实际方向与参考方向一致一致； 若计算结果为若计算结果为负负，则实际方向与参考方向，则实际方向与参考方向相反相反。(2) (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 系的系的代数表达式

11、代数表达式；解决方法解决方法Page10 练习与思考 GUI RIU或者表示为：IRU ：在SI中，电阻为欧姆()或千欧(k) 、兆欧(M) UIR 流过电阻的流过电阻的与电与电阻两端的阻两端的成成正比正比。电导的单位：西门子（电导的单位：西门子（S)S)RG1电导电导 根据电路上所选电压和电流根据电路上所选电压和电流方向的不同，欧姆定律的表方向的不同，欧姆定律的表达式有着不同的符号：达式有着不同的符号： 当当电流电流和和电压电压的参考方向的参考方向为为关联方向关联方向时，欧姆定律时，欧姆定律如如(1)式式 :UIR 当当电流电流和和电压电压的参考方向的参考方向为为非关联方向非关联方向时，欧姆

12、定时，欧姆定律如律如(2)式式 :IRU (1)IRU(2)UIR 应用欧姆定律对如下各图列出表达式，并求出电阻值。欧姆定律的符号欧姆定律的符号e.g. 1.2UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V 2A（P11 P11 例例1.4.11.4.1） 对于(a)图UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)IUR 326 对于(b)图IUR26 3e.g. 1.2 对于(c)图IUR 对于(d)图IUR26 326 3e.g. 1.2UIR(c)-6V 2AUIR-2A-6V(d)电阻的伏安特性电阻的伏安特性线性电阻伏安特性线性电阻伏安特性非线性电阻伏

13、安特性非线性电阻伏安特性I IUI IUSlR 计算图中电阻R的值，已知Uab=-12V5210IURnmI= -2ARnmUnmE1=5VE2=3Vab解：a点电位比b点电位低12V n点电位比b点电位低7V m点电位比b点电位高3V于是： n点电位比m 点电位低 7+3 =10V即 Unm = - 10Ve.g. 1.3（P12 P12 例例1.4.21.4.2） P13 【练习与思考】1.4.2 本节讨论直流电路的有载工作状态、开路状态和短路状态，所讨论的内容有电流、电压及功率等方面的特性。R0EUabR如图电路：E 为电源的电动势为电源的电动势U 为电源的端电压为电源的端电压R0 为电

14、源的内阻为电源的内阻R 为电路负载电阻为电路负载电阻本节讨论问题的理论依据是欧姆定律开关开关断开断开开关开关闭合闭合有载有载cdcd短接短接短路短路开路开路R0ERUabIc cd d 当开关闭合，电源与负载接通，当开关闭合，电源与负载接通，即电路处于有载工作状态。即电路处于有载工作状态。电路中的电流为电路中的电流为 负载电阻两端的电压为负载电阻两端的电压为 或写成或写成当电源电动势当电源电动势E和和内阻内阻R0一一定定时，负载电阻时，负载电阻R愈小，则愈小，则电流电流I愈大。愈大。可见电源端电压小于电动势，二者可见电源端电压小于电动势，二者之差为电源内阻的电压降之差为电源内阻的电压降IR0R

15、0EUabRI 一般常见电源的内阻都很小当R0R时， 则 U E 此时当电流(负载)变动时，电源的端电压变化不大。 EUOI电源的外特性曲线电源的外特性曲线R0R电源外特性关系式电源外特性关系式 设电路任意两点间的电压为设电路任意两点间的电压为 U , ,流入此部分电路的电流为流入此部分电路的电流为 I， 则这部分电路则这部分电路消耗的功率为消耗的功率为: : R0EUabRI单位：瓦特单位：瓦特(W)或千瓦或千瓦(kW)1W功率的含义是：在功率的含义是：在1s时间内，转换时间内，转换1J的能量。的能量。 当式U=E-IR0各项乘以电流I时，得到 或 R0EUabRIPE = EI为电源产生的

16、功率为电源产生的功率 P = I2R0 P = UI 式中：为电源内阻上消耗的功率为电源内阻上消耗的功率为电源输出的功率为电源输出的功率已知:电路中，U=220V，I=5A，内阻R01= R02= 0.6。求:(1)电源的电动势E1和负载的反电动势E2 ； (2)说明功率的平衡关系。e.g. 1.4R01E1UIR02E2+ +- -+ +- -电源电源负载负载（P15 P15 例例1.5.11.5.1）解：(1) 对于电源 U=E1-U1= E1-IR01 即 E1 =U +IR01 =220+50.6=223V 对于负载 U=E2+U2= E2+IR02 即 E2 =U -IR01 =22

17、0-50.6=217Ve.g. 1.4R01E1UIR02E2+ +- -+ +- -电源电源负载负载(2)由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02等号两边同时乘以 I，则得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02代入数据有 223 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。E1I是电源产生的功率；是电源产生的功率；E2I是负载取用的功率；是负载取用的功率；I2R01是是电源内阻上损耗的功率；电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源是反电动势电源(负载负载)内内阻上损耗的功率阻上损耗的功率。可见电路具有功率平衡特性。可见电路具有

18、功率平衡特性。 e.g. 1.4R01E1UIR02E2+ +- -+ +- -电源电源负载负载对于电阻对于电阻R，其消耗的功率，其消耗的功率 P = UI 或或 P=U2/R=I2R 0 作为负载，其电流与电压作为负载，其电流与电压的实际方向与参考方向均关联。的实际方向与参考方向均关联。 R01E1UIR02E2电源电源负载负载分析电路时，如何判别哪个元件是电源？哪个是负载？分析电路时，如何判别哪个元件是电源？哪个是负载？功率值的正负与电流、电压的正负及方向有关。功率值的正负与电流、电压的正负及方向有关。U与与I的实际方向的实际方向相反相反，I 从从“+”端流端流 出，出，发出发出功率。功率

19、。从从考虑考虑IUa ab bIRUa ab bIRUa ab b电源电源负载负载U与与I的实际方向的实际方向相同相同，I 从从“+”端流端流入，入，取用取用功率。功率。U和和I两者的参考方向选得两者的参考方向选得一致一致 电源电源: PUI0 电源电源: PUI0 负载负载: PUI0U和和I两者的参考方向选得两者的参考方向选得相反相反从从参考方向参考方向考虑考虑 P19 1.5.4 P19 1.5.4，5 5 P29 1.5.1 P29 1.5.1 负载负载: PUI0 在使用电气设备或元器件时在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值不得超过其额定值，以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。以

20、免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。 电气设备长时间连续工作的最电气设备长时间连续工作的最大允许值。大允许值。 在使用电气设备或元件时，电压、电流、在使用电气设备或元件时，电压、电流、功率的实际值功率的实际值不一定等于不一定等于它们的额定值。它们的额定值。如如UN表示额定电压、表示额定电压、IN表示额定电流、表示额定电流、PN表示额定功率。表示额定功率。解：解：A273.022060UPI806273.0220IUR一个月的电量：WPt60(W)30 (h)5.4kWh和 或PURIPR22已知：有一已知：有一220V 60W220V 60W的电灯，接在的电灯，接在220V220V的电源上，的电

21、源上，求通过电灯的电流和电灯在求通过电灯的电流和电灯在220V220V电压下工作时电阻，电压下工作时电阻，如每晚用如每晚用3 3小时，问一个月消耗电能多少？小时，问一个月消耗电能多少？e.g. 1.5（P16 P16 例例1.5.21.5.2） 如图电路：当开关断开时，如图电路：当开关断开时，电路则处于电路则处于开路开路(空载空载)状态。状态。R0EUabRI 开路时，外电路的电阻为无穷开路时，外电路的电阻为无穷大，电路中的电流大，电路中的电流 I 为零。为零。 电源的端电压电源的端电压(称为开路电压称为开路电压或空载电压或空载电压 UO ) 等于电源的等于电源的电动势，电源不输出电能。电动势

22、，电源不输出电能。电路开路时的电路开路时的I = 0U = UO = EP = 0= UO=E= 0 当电源两端由于某种原因而联当电源两端由于某种原因而联在一起时，称电源被在一起时，称电源被短路短路。R0EabRIScd 短路时，可将电源外电阻视短路时，可将电源外电阻视为零，电流有捷径流过而不为零，电流有捷径流过而不通过负载。通过负载。 由于由于R0很小，所以此时电流很小，所以此时电流很大，称之为很大，称之为短路电流短路电流 Is 。U = 0I = 0，Is = E / R0P=0 ，PE = P = IS2 R0 电路短路时的电路短路时的电源电源UO=12V，IS=30A，则电源则电源E和

23、和R0=?e.g. 1.6解：解： 根据电源外特性方程根据电源外特性方程 U=E-IR0 E=UO=12V, R0=E/IS=12/30=0.4UI I12V30AO OR0EU= UOabRI= 0P19【思考与练习】1-5-2 额定值为1W、100的碳膜电阻，在使用时电流和电压不得超过多大值？l答：由功率答：由功率P与电阻与电阻R的关系公式的关系公式P = I2 R 或或 P= U2/Rl可得：电流可得：电流 I =P/R = (1/100)1/2=0.1Al同理：电压同理：电压U =PR = (1100)1/2=10V【思考与练习】1-5-6 有一台直流发电机，其铭牌上标有有一台直流发电

24、机，其铭牌上标有40kW、230V、174A。试问：什么是发电机的空载运行、轻载运行、满载运行和试问：什么是发电机的空载运行、轻载运行、满载运行和过载运行？负载的大小，一般指什么而言？过载运行？负载的大小，一般指什么而言？l答：答：空载运行空载运行 指发电机对外开路，无功率输出；指发电机对外开路，无功率输出； 轻载运行轻载运行 指发电机所带负载取用功率小于或远小于额指发电机所带负载取用功率小于或远小于额定功率的定功率的40kW，或输出电流小于或远小于，或输出电流小于或远小于174A； 满载运行满载运行 发电机所带负载取用功率基本与发电机额定发电机所带负载取用功率基本与发电机额定功率功率(40k

25、W)相当；相当； 过载运行过载运行 负载从发电机取用的功率大于发电机的额定负载从发电机取用的功率大于发电机的额定功率，这种情况对发电机的运行有较大危害。功率，这种情况对发电机的运行有较大危害。 一般指负载一般指负载从电源取用功率的大小从电源取用功率的大小。 显然，此时显然，此时R愈小负载愈大，反之亦然。愈小负载愈大，反之亦然。 元件特性对元件特性对本元件本元件的电压和电流造的电压和电流造成的约束成的约束 元件的元件的相互连接相互连接给支路电压和支路给支路电压和支路电流带来的约束电流带来的约束 根据欧姆定律分析电路，已是中学物理中常用的分析方法，但对某些电路有时是无能为力的，基尔霍夫定律基尔霍夫

26、定律分为两个部分，即：分为两个部分，即：1.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律(KCL) 应用于应用于结点结点2.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(KVL) 应用于应用于回路回路为此本节讨论为此本节讨论基尔霍夫定律基尔霍夫定律，它亦是分析与计，它亦是分析与计算电路的算电路的基本方法基本方法。1. ：电路中的每一个分支。电路中的每一个分支。 它是由若干个二端元件串联而成。2. ：电路中：电路中三条三条或三条以上或三条以上的支路相联结的点称的支路相联结的点称为结点。为结点。abcdI2I3一条支路中各部分都流过一个相一条支路中各部分都流过一个相同的电流，称为同的电流，称为支路电流支路电流。如图中的如

27、图中的ab、acb 及及adb共共3条支路。条支路。I1如图中的如图中的I1、 I2及及I3共共3个电流。个电流。图中共有图中共有a、b两个结点。两个结点。3. ：是由一条或多条支路所组成的是由一条或多条支路所组成的闭闭合电路合电路。4. ：回路内回路内不含支路不含支路。如图电路如图电路: 和和 共三个回路。共三个回路。abcdI2I3I15. 支路电流支路电流：支路通过的电流。支路通过的电流。6. 支路电压支路电压：支路两端的电压。支路两端的电压。adbca、 abcaabdal1 1l3 3l2 2KCL 也可表述为也可表述为如图对于结点如图对于结点 a ： ：在任一瞬时，：在任一瞬时，流

28、向流向某某一结点的电流之和等于由该结点一结点的电流之和等于由该结点流出流出的电流之和。的电流之和。acdI2I1I3bc或或 I1 + I2 - I3 =0I1出入II 用来确定连接在用来确定连接在同一结点同一结点上各上各支路电流支路电流的关系的关系。它应用于它应用于结点结点。+ I2 =I3KCL：在任一瞬时，流入某一：在任一瞬时，流入某一结点的电流代数和恒为零。结点的电流代数和恒为零。 0iI流入流入“”流出流出“”e.g. 1.7 已知：已知：I2=3A，I3=10A，I4=-5A，I6=10A，I7=-2A。 求：求：I1，I5。I2I3I1I7I6I5I4解：根据解：根据KCLa:

29、-I1-I2-I3+I4=0 I1=I4-I2-I3=(-5)-3-10=-18Ab: I5=I4+I6-I7=(-5)+10-(-2)=7Aa ab b如图：如图：3个电阻的结点个电阻的结点A、B和和C可看成为可看成为。ABCIABICAIBCIAIBIC对于结点对于结点A、B及及C，可分别，可分别列出列出KCL方程：方程：IAIABICAIBIBCIABICICAIBCIA+IB+IC=0即即 I=0KCL:在任一瞬时，流入封闭在任一瞬时，流入封闭平面的电流代数和恒为零。平面的电流代数和恒为零。如电路中如电路中dabd回路，回路，沿逆时针方向沿逆时针方向基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(K

30、VL)是用来确定回路中各是用来确定回路中各支支路电压路电压间关系的。它应用于间关系的。它应用于回路。回路。：在任一瞬时，沿任意回路：在任一瞬时，沿任意回路循行方向，各支路循行方向，各支路等于等于。acdI2I1I3bcR1R2R3E2升降UUE1da段电阻上为段电阻上为电压降电压降 Uda=I2R2 ab段电阻上亦为段电阻上亦为电压降电压降 Uab=I3R3 而而bd段电源部分为段电源部分为电压升电压升，即即 Ubd=E2由由KVL可得：可得： I2R2 +I3R3 = E2 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律还可以叙述为：沿任一回路循还可以叙述为：沿任一回路循行方向，回路各段的行方向，回路各段

31、的代数和代数和恒为零恒为零。acdI2I1I3bcR1R2R3E2E10降Ue.g. 回路回路acbdaacbda, ,沿逆时针沿逆时针方向，列方向，列KVLKVL方程：方程：E1+R2I2=R1I1+E2或或R1I1E1E2 +R2I2=0如图电路：沿顺时针绕如图电路：沿顺时针绕行方向，列行方向，列KVL方程：方程：KVL还可以应用于任意的还可以应用于任意的部分电路部分电路。ABCUAUBUAB即：即：UAB =UA-UB 列方程时，要先在电路图上标出列方程时，要先在电路图上标出电流电流、电压电压或或的的参考方向参考方向。!UAB + UB - UA = 0 应用基尔霍夫定律时，要认清研究对

32、象，对电路应用基尔霍夫定律时，要认清研究对象，对电路中的各个中的各个电流电流和各段和各段电压电压选好选好参考方向参考方向。l对于对于的应用，要选好结点，对与该结点有的应用，要选好结点，对与该结点有关的电流列出方程关的电流列出方程有有方向方向和和数值数值两套符号。两套符号。 I3 I1 -I2 -I4 Al对于结点对于结点A，设，设流入为流入为正正，流出为流出为负负，则，则(I1)(-I2)(I3)(-I4)=0l即：即： I1I2I3I4=0l对于对于的应用，要选好的应用，要选好回路回路，从回路的任一，从回路的任一点起沿回路绕行一周列出电压方程点起沿回路绕行一周列出电压方程同样有同样有方向方向

33、和和数值数值两套符号。两套符号。l设如图回路，选顺时针为设如图回路，选顺时针为绕行方向，电压下降为绕行方向，电压下降为正正，电压上升为电压上升为负负，则，则U2R4- I4U1- U3(U1)-(U2)-(-U3)+(-I4 R4)=0lKL具有具有普遍性普遍性： KL不仅适用于直流电路，同样适用于交流电路。不仅适用于直流电路，同样适用于交流电路。解解: : 对回路对回路l1 1列列KVLKVL方程：方程： UBEEB RBI20 对回路对回路l2 2列列KVLKVL方程：方程：EB US R1I1 RBI2 0得得 I10.57mA对结点对结点a a列列KCLKCL方程：方程： I2I1IB0得得 IB0.255mA如图：如图：RB20K , R110K ，EB6V，US6V,UBE0.3V。试求电流试求电流IB ，I2及及I1。e.g. 1.8U UsI1IBR RBI2E EB BU UBE+ + +- - -l1 1l2 2得得 I20.315mAa aR1（P23 P23 例例1.6.31.6.3） Page 24 1.6.5e.g