电路基础(第4版)教学资源4第1章基本概念和基本定律课件

1、电路基础 (第4版）目 录第1章 电路的基本概念和基本定律第2章 电路的基本分析方法第4章 三相正弦交流电路第5章 互感耦合电路第3章 正弦交流电路第7章 非正弦周期电流电路第9章 磁路与变压器第11章 电路基础实验第10章 异步电动机第8章 线性动态电路分析第6章 谐振电路 第1章 电路的基本概念和基本定律 老子道：合抱之木，生于毫末；九层之台，起于垒土；千里之行，始于足下。 荀子言：不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。 老师说：基础不牢如沙上建塔。这里要讲的是电路的基本概念与基本定律。章前絮语 电路和电路模型的概念；电路的基本物理量；电阻、电感、电容及电源元件的概念；电路的三种状态

2、；基尔霍夫定律；电位分析。本章教学内容1-1 电路和电路模型理解电路和电路模型的概念。重点内容：理想元件电路模型教学要求：1-1 电路和电路模型电路：由电器元件按一定方式连接起来的总体，为电流流通提供了路径。1-1-1 电路实际电路实际电路视频或图片前者如电力供电电路、电器设备的控制电路等。实现能量的转换和传输实现信号的传递和处理电路的作用： 发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线后者如通信电路、测量电路等。放大器扬声器话筒 理想电路元件：将实际元/器件加以理想化，在一定条件下忽略其次要电磁性质，用足以表征其主要电磁性质的理想化的电路元件来表示。1-1-2 电路模型例如: 电阻元件（

3、R）消耗电能 电感元件（L）储存磁场能量 电容元件（C）储存电场能量 电源元件（US或IS）产生电能 电路模型：由理想电路元件组成的电路。灯泡电池开关负载电源控制环节手电筒电路模型电路模型UUSIR+_+_电路图分为：原理图、装配图、电路模型图。 前两种用于工程中安装、检修和调试； 后者用于电路分析。原理图：只表示线路的接法。装配图：除表示电路的实际接法外，还画出有关部分 的装置与结构，反映出电路的几何尺寸和各 元件实际形状。电路模型图：由理想电路元件通过一定的连接构成的 图。常用电路元件符号见表1-1。关于电路图1-1小结：1.实际电路或实际电路元件可以用理想电路元件或理想电路元件组合的电路

4、模型来表示。2.电路图有原理图、装配图、电路模型图（这里简称电路图）。教学内容： 电路的基本物理量。教学要求： 熟练掌握电流、电压、电动势、电位的概念；掌握电功率和电能的概念。教学重点和难点： 重点：电流、电压的参考方向及关联参考方向和电功率的计算。 难点：电路发出和吸收功率的判断。1-2 电路的基本物理量1-2 电路的基本物理量1-2-1 电流国际单位制（SI）中，电流的单位为安培（A）1.定义：带电粒子的定向移动称为电流。其大小用电流强度表示。电流强度：单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，即单位换算电流2.方向实际方向：规定为正电荷的移动方向。参考方向：人为规定。二者关系：i0,相同；i

5、0ab电流的实际方向电流的参考方向i0,相同；u0+-ab电压的实际方向电压的参考方向u0 ，表示点电位高于参考点电位。 电路中a点到b点的电压等于a点电位与b点电位之差。即电位的单位与电压的单位相同。说明：参考点的选择是任意的。参考点的电位为零。工程上常选大地或机壳为参考点。3.电压与电位如图所示，以电路中的0点为参考点，则有 Va=Ua0，Vb=Ub0。电位表示图R1R2VaVbba0+_电压电流的参考方向关系有4种： 电压电流的关联参考方向分两类：（1）一致方向称为关联参考方向； （2）不一致方向称为非关联参考方向。abu+-iabu-+iabu+-iabu-+i（a）关联参考方向（b）

6、关联参考方向（c）非关联参考方向（d）非关联参考方向说明：1.选用哪一种，原则上任意。习惯上：无源元件取一致方向；有源元件取不一致方向。2.u、i 参考方向一经确定，计算过程中不得改变。3.电路图中标出的方向均为参考方向。关于参考方向几点说明：（1）电流、电压的实际方向是客观存在的，而参考方向是人为选定的。（2）当电流、电压的参考方向与实际方向一致时，电流、电压值取正号，反之取负号。（3）分析计算每一电流、电压时，都要先选定其各自参考方向，否则计算得出的电流、电压正负值是没有意义的。（4）电路中某一支路或某一元件上的电压与电流的参考方向的选定，可以选一致的参考方向，称关联参考方向；也可选择不一

7、致的参考方向，称非关联参考方向。 对于任意一个二端元件，如图中的元件A。当正电荷在电场力作用下，从元件A的电压“+”极端，经元件移到电压“-”极端，即从高电位端移到低电位端，这时，电场力对正电荷做了功，该元件吸收了电能，如图a所示。1-2-3 电功率与电能元件吸收能量（单位：焦耳J）Aaib+u- (a) 电能 相反，正电荷从元件A的电压“-”极经元件移到电压的“+”极，是外力克服电场力做了功，该元件发出了电能，如图b所示。 Aaib+u-(b)元件发出能量单位换算：国际制（SI）中，功率的单位为瓦特，简称瓦（W）。p=ui对交流对直流P=UI定义：单位时间内元件吸收或发出的电能为该电路的功率

8、，用p表示，即电功率u、i 方向与 p 的关系：（1）u、i 取关联参考方向时，p=ui： p0为吸收功率， p0为吸收功率， p0为发出功率； 所以，从 P 的正或负可以区分元器件的性质，或是电源，或是负载。例1-1 如图所示，已知元件A的U=-4V，I=2A；已知元件B的U=5V，I=-3A，求元件A、B的功率是多少，并说明是吸收还是发出功率。例1-1电路图解:AaIb+ U - (a) BaIb+ U - (b) (1)对于元件A，U、I为关联参考方向PA=UI=-42W=-8W0，元件A发出功率。(2)对于元件B，U、I为非关联参考方向PB=-UI=-（5-3）W=15W0，元件B吸收

9、功率。P1U1I2（-1）W-2W0，说明元件a发出功率2W。 c b aI+ U1-+ U2 -+ U3-再例图（1）对于元件a，U1、I为关联参考方向解:再例 某电路中的一部分如图所示，三个元件中流过相同电流I= -1A，U1=2V，（1）求元件a的功率P1，并说明是吸收还是发出功率；（2）若已知元件b吸收功率为12W，元件c发出功率为10W，求U2，U3。（2）元件b的U2、I为关联参考方向，且吸收功率，则P2为正值，即P2U2I12W ， 所以U2=12/（-1）=-12V c b aI+ U1-+ U2 -+ U3-再例图(3)元件c的U3、I为非关联参考方向，且发出功率，则P3为负

10、值，即P3-U3I-10W， 所以U3-10V小结：1.实际电路或实际电路元件可以用理想电路元件或理想电路元件组合的电路模型来表示。2.电流、电压均有实际方向和参考方向之分，后者原则上可任意规定。同一支路二者参考方向有关联参考方向和非关联参考方向之分，一般无源元件取前者，有源元件取后者。 3.判断元件吸收还是发出功率，应先根据其电压、电流参考方向是否关联来正确地表达功率运算式，然后由算出的结果进行判断。1-3 电阻、电感、电容元件掌握电阻、电感、电容的概念掌握欧姆定律、电感的伏安关系、电容的伏安关系会计算电阻元件的功率重点内容:电阻，欧姆定律电感，伏安关系电容，伏安关系教学要求:1-3 电阻元

11、件1-3-1 电阻物体对电流的阻碍作用称为电阻。单位欧姆（）换算关系：1M=106 1k=103物体对电流的传导作用称为电导。单位西门子（S）电阻与电导的关系：材料的电阻率，因材料的不同而不同1-3-2 电阻元件Riu伏 - 安 特性iuui线性电阻非线性电阻1.线性电阻与非线性电阻欧姆定律的表示和记忆：2.欧姆定律(线性电阻的电压电流关系，也称元件约束）或u=RiiuRi=u/RiuRR=u/iiuR注意： 应用欧姆定律时，要注意电压、电流的参考方向，取关联参考方向时，i=u/R；若取非关联参考方向，i=-u/R。电阻元件吸收的功率为：电阻的功率 由于P大于N ，该电阻将烧毁。可见，要使该电

12、阻正常工作，外加电压不能超过20V。（1）根据欧姆定律，电流 （2）电阻功率则例1-2 某一电阻元件为10，额定功率PN = 40W，（1）当加在电阻两端电压为30V时，该电阻能正常工作吗？（2）若要使该电阻正常工作，外加电压不能超过多少伏？解:1-3-2 纯电感电路定义:1.电感的概念-u+iNL=NL根据电磁感应定律 电感两端的电压与通过该电感中电流的变化率成正比。 磁链磁链单位为韦伯（Wb）电流单位为安培（A）电感单位为亨利（H）伏安关系1-3-3 纯电容电路定义1.电容的概念根据电流 通过电容的电流与电容两极间的电压的变化率成正比。 电荷单位为库仑（C）电压单位为伏特（V）电容单位为法

13、拉（F）i+ +- - - -+q-qu伏安关系小结：1.电阻元件是耗能元件；电感元件、电容元件是储能元件。或4.电阻消耗的功率 u=RiU=RI3.欧姆定律 2.电阻、电感、电容的伏安关系：u=Ri教学内容： 电压源和电流源的概念。教学要求： 1.掌握理想电压源、理想电流源的特点。 2.掌握实际电源模型及其等效互换的方法。教学重点和难点： 重点：理想电压源、理想电流源的特点。 实际电源模型及其等效互换 难点：对电源特点的理解。1-4 电源元件 1-4 电源元件 1.电压源 理想电压源简称电压源。其特点是：它两端的电压是一个定值Us或是一定的时间函数us（t），与流过它的电流无关；而流过它的电

14、流由与之相联接的外电路共同确定。+u-+us-iOuiUs电压源模型及直流电压源的外特性图 电压源不能短路1-4-1 电源元件IUS+U-IXUS+U-I任意电路元件与理想电压源并联会出现什么情况?（a） （b） 任意元件与理想电压源并联等效 根据理想电压源输出电压恒定的特性，理想电压源与任何元件并联，其等效电路可以用理想电压源来替代。 2.电流源 理想电流源简称电流源。其特点是：它向外输出的电流是定值Is或是一定的时间函数is（t），而与它的端电压无关；它的端电压由与之相联接的外电路确定。OuiIs+u-Isi 电流源模型及直流电流源的外特性图 电流源不能开路任意电路元件与理想电流源串联会出

15、现什么情况?（a） （b） 任意元件与理想电流源串联等效 根据理想电流源输出电流恒定的特性，理想电流源与任何元件串联，其等效电路可以用理想电流源来替代。 IISU+U-XIS+U-I 流过电压源的电流I=1A。电压源的电压、电流为关联参考方向，其功率PU=USI=3I=31W=3W0（吸收）例1-3 电路如图所示，分析电路各元件的功率。 +Us=3V -+U-Is=1AI例1-3电路图解:电流源的端电压U=3V。电流源的电压、电流为非关联参考方向，其功率PI= -UIS= -USIS = -31W= -3W0（发出）说明: 电压源吸收功率，说明此电压源在该电路中是负载，或许此时在进行充电。 电

16、流源发出功率，说明此电流源在该电路中是为电路提供电能的电源。例1-4 求图1-22(a)所示电路的最简等效电路。 解:化简后的电路如图1-22(c)所示。abIUsRUsabIUsabIIsRUs IsabU U IsbaaU Us Isb概念练习1-4-2 实际电源模型及其等效互换 实际电源的电路模型也有两种形式： 实际电压源可以用一个电压源Us和内阻Rs 相串联的电路模型表示。 实际电流源可以用一个电压源Is和内阻Rs相并联的电路模型表示。电源模型伏安特性IUUSRS越大斜率越大实际电压源模型UIRS+-UsU=Us-IRs 实际直流电压源模型及其外特性图 可见，实际电压源的内阻越小，其特

17、性越接近于理想电压源。 实际直流电流源模型及其外特性 可见，实际直流源的内电导越小，内部分流越小，其特性就越接近理想电流源。 ISRSUII=Is-GsUs 实际电流源模型GS越小曲线越陡IsUIGS伏安特性UsIRs1U外电路IRs2Is外电路U 实际电流源模型 实际电压源模型 Rs1=Rs2=Rs 或1.推证若两个电路相互等效，即U=U 、 I=I 则有两种实际电源模型的等效变换1.当实际电压源等效变换为实际电流源时2.当实际电流源等效变换为实际电压源时4.利用电源等效变换可以简化电路。结论：另外，两种电源模型等效变换时，还应注意：2.理想电压源（Rs=0）与理想电流源（Rs= ）之间不能

18、等效变换。3.等效变换时应注意电压源的Us和电流源的Is参考方向相反。Rs2=Rs1Rs1=Rs21.电源等效变换是对外电路而言，电路内部并不等效。例 将图(a)所示电路化简为一个实际电流源模型。ab1 2V 210V1A(a) 1 2V ab25A1A(b) 1 2V 8V2ab(d) ab1 2V 24A(c) 6V3ab(e) ab2A3(f) 解:1.能为电路提供恒定的电压且输出电压与其电流无关的电源-电压源。 实际电压源可以用一个电压源Us和内阻Rs相串联的电路模型来表示小结：3.实际电压源和实际电流源可以相互等效变换,其等效变换关系式为2.能为电路提供恒定的电流且输出电流与其端电压

19、无关的电源-电流源。 实际电流源可用一个理想电流源Is与内电导Gs相并联的电路模型来表示。 了解电路三种状态的特点。重点内容:开路、短路、额定工作状态教学要求:1-5 电路的三种状态 1-5 电路的三种状态 1-5-1 开路 电源与负载未构成闭合电路，即电路处于开路状态。 因为实际电流源的内电导Gs一般都比较小，其开路电压Uoc将很大，会损坏电源设备，所以UGsRLIIsS实际电流源开路 SURsUsIRL实际电压源开路 电流源不应处于开路状态。 电源开路时的特征I = 0U = US P = 0当开关断开时，电源处于开路(空载)状态。SURsUsIRL电路断开 1-5-2 短路 短路是指电路

20、的两不同电位点由于某种原因而短接在一起的现象。 在实际工作中应经常检查电气设备和线路的绝缘情况，尽量防止短路事故的发生。 RLIscUsRs电路的短路故障 电流过大，将烧毁电源！U = 0I = IS = US/ RS ,很大P = 0 PS = P = RSIS2 电源短路时的特征 当电源两端由于某种原因连在一起时，电源则被短路。 为防止事故发生，需在电路中接入熔断器或自动断路器，用以保护电路。+U-ISUSRSRbcd+_aIRL+ R0I = USUSRSI电源的外特性曲线当 RS RL时， 则 U US表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。IUOUU = RLI或 U

21、 = US RSI 1-5-3 有载工作状态ISURsUsRL 开关闭合额定值 电路器件和电气设备所能承受的电压和电流有一定的限度，其工作电压、电流、功率都有一个规定的正常使用的数值，这一数值称为设备的额定值，电气设备在额定值工作时的状态称为额定工作状态。得根据解:例1-7 有一个阻值为2k，额定功率为1/5W的碳膜电阻，试求其额定电流IN和额定电压UN值。小结： 电路有开路、短路和有载运行三种状态。有载运行又有轻载、过载和额定工作三种状态。选用电路元件时应重点注意其额定值，使电路工作在额定工作状态。电路在工作时应防止发生短路故障。教学内容： 1.基尔霍夫电流定律。 2.基尔霍夫电压定律。教学

22、要求： 1.熟练掌握基尔霍夫定律的应用和计算。教学重点和难点： 重点：基尔霍夫定律的应用及电位分析方法。 难点：对基尔霍夫定律的物理本质的认识。1-6 基尔霍夫定律1-6 基尔霍夫定律几个有关的电路名词结点：三个或三个以上支路的联结点 支路：电路中每一个分支回路：电路中任一闭合路径网孔：内部不含支路的回路称为网孔网络：一般把较复杂的电路称为网络_+abcd-支路：ab、ad、 . （共6条）回路：abda、 abcda、 . （共7 个）结点：a、 b、 . (共4个）网孔：abda、 bcdb、 . （共3个）内容：任一时刻在电路的任一结点上，所有支路电流的代数和恒等于零，即 1-6-1 基

23、尔霍夫电流定律I5I4I3I1aI2 I=0i=0 或（若规定流入结点的电流为正，流出的为负）整理为 对图示电路，对结点a有KCL实际上是电流连续性原理在电路结点上的体现，也是电荷守恒定律在电路中的体现。表明： 在任一时刻，流入任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和，即i入=i出I5I4I3I1aI2电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。基尔霍夫电流定律的扩展I=0I=?US2US3US1+_RR1R+_+_RI1+I2=I3I1I2I3解:解:1-6-2 基尔霍夫电压定律内容：在任一时刻，沿任一回路各段电压的代数和恒等于零。即U=0u=0或dcbaUs3Us1R4R3R1R2I4I2I1I3绕行方向(与绕行方向一致时，该电压取“+”号，反之取“-”号。) 又因为整理得 方程（1）表明：在任一时刻，在任一闭合电路中，所有电阻电压的代数和等于所有电压源电压的代数和。写成一般形式IR=Us（列方程（2）时，若流过电阻的电流参考方向与绕行方向一致时，该电阻电压前面取“+”号，反之取“-”号；若电压源方向与绕行方向相反，该电压源取“+”号，反之取“-”号。）方程（2）开口电路基尔霍夫电压定律的扩展电位升电位降US+_RabUabI绕行方向例:解:设电流I1、I2、I3，列KCL方程。得结点b：结点a：得结点c：得I110V6A-2Adcba+5VRI21AI32A12