电工电子 电路的基本概念与基本定律

第一章电路的基本概念与基本定律第一节电路模型及组成第二节电路物理量及电流和电压的参考方向第三节

电路元件及其伏安特性关系第四节

电路的基本定律第五节

电压和电位的区别本章要求1.理解电压与电流参考方向的意义；2.掌握电路中所用各种元件的伏安特性关系及主要技术参数；3.掌握基尔霍夫电压和电流定律，会计算简单电路的电压和电流；4.会计算电路中各点的电位。第一节电路模型及组成

各种各样的电器元件或部件按一定的方式联接起来组成了电气设备与装置。这些电器元件及其联接方式就构成了实际电路。（3）连接部分：通常由金属导线组成。作用是将电源和负载连接起来使电路能正常工作。1.电路按组成分类（1）电源部分:提供电能或电信号的电器装置。作用是向电路元件提供工作时所必须的电压、电流或功率。（2）负载部分：消耗电能的电器装置。作用是将电源提供电能转换成其它形式的能量。电源负载实体电路中间环节

与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图，称为实体电路的电路模型。电路模型负载电源开关连接导线SRL+

U–IUS+_R0

电路可以实现电能的传输、分配和转换。电力系统中：电子技术中：

电路可以实现电信号的传递、存储和处理。2.电路按功能分类3.电路中的理想元件在电路理论中对实际电器装置或电路元件进行理论抽象后常用的理想元件分有无源和有源两大类,主要有RC+

US–电阻元件只具耗能的电特性电容元件只具有储存电能的电特性理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定L电感元件只具有储存磁能的电特性IS无源二端元件

有源二端元件

白炽灯的电路模型可表示为：

实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。如iR

R

L消耗电能的电特性可用电阻元件表征产生磁场的电特性可用电感元件表征由于白炽灯中耗能的因素远大于产生磁场的因素，因此L可以忽略。

理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。白炽灯电路第二节电路物理量及电流和电压的参考方向一.电路物理量

电路理论中涉及到的物理量主要有电流、电压、电荷、磁通、磁通链、功率和能量，其中电流、电压、功率和能量最为常用。下面就这几个常用的物理量的定义、数学表达式和计量单位做一介绍。

1.电流定义：电流是电荷有规则的运动形成的。规定正电荷流动的方向为电流的方向。计算：电流强度为单位时间内通过导体横截面的电荷量。

当电流强度与时间无关时，称为直流电流，用I表示。电流强度通常简称为电流，单位为A（安培）。

2.电压定义：在电场中将单位正电荷从电路中一点移动到另一点时电场力所做的功。规定电压的方向为从高电位指向低电位。计算：电场力对单位正电荷作的功。

当电压与时间无关时，称为直流电压，用U表示。电压的单位为V（伏特）。3.能量和功率能量定义:在到的时间内，电场力将单位正电荷由A点移动到B点时所做的功，用

表示。将电流的计算公式代入有能量的单位为J（焦耳）。

日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KW•h=1KV•A•h1度电=1000W的电炉加热1小时；100W的电灯照明10小时；40W的电灯照明25小时。功率定义：单位时间内能量的变化率，即

功率的单位为W（瓦特）。

电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。思考题1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？

3、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？3A，1080J3600000J，1度电220V，60W；15W，不变。二.电压和电流的参考方向

在求解电路方程时，必须人为设定电流的流动方向，称之为电流的参考方向。当计算结果为正时，电流的参考方向就是电流的实际流向。当计算结果为负时，表明电流的实际流向与参考方向相反。图中实线表示电流的参考方向，虚线表示电流的实际流向。电流的参考方向也可用表示。1.电流的参考方向（参考流向）2.电压的参考方向（参考极性）

同样，在求解电路方程时，必须人为设定电压的极性，称之为电压的参考方向。当计算结果为正时，电压的参考方向就是电压的实际极性。当计算结果为负时，表明电压的实际极性与参考方向相反。当然，电压的参考方向也可用表示。3.关联参考方向

电路中每个元件的电流参考流向或电压参考极性是相互独立的，可分别设定。但为了分析电路中其它变量或性质，一般将电流和电压的参考方向设为一致，称为关联参考方向。例如，当元件的电流和电压参考方向设为关联参考方向时，根据计算结果就可判断元件是消耗功率还是提供功率。当＞0，消耗功率＜0，提供功率注意：这里和的乘积必须是实际计算后的带符号的和。思考题1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算电路提供方便和依据。

应用参考方向时，“正、负”是指在参考方向下，电压、电流数值前面的正负号，如某电流为“－5A”，说明其实际方向与参考方向相反，某电压为“＋100V”，说明该电压实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下电路方程式中各量前面的加、减号；“相同”是指电压、电流为关联参考方向，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。

第三节电路元件及其伏安特性关系

电路元件是对实际电器装置进行抽象后得到的最基本的理想元件,其电磁特性可用精确的数学表达式描述。一.电阻元件

凡是以消耗电能为主要电磁特性的实际电器装置或元件从理论上都可以抽象成理想电阻元件。功率

≥0，表明电阻始终消耗功率，是一种无源元件。注意：我们在讨论元件的电磁性质时，主要是研究元件的外特性，也就是元件二端的电压与元件中流过的电流之间的关系，由于电压用伏特作单位，而电流用安培作单位，故元件的这种外特性又称之为元件的伏安特性关系。

对线性电阻，当其电压和电流采用关联参考方向时，线性电阻二端的电压和电流之间的关系服从欧姆定律，即称为电阻元件的电阻，单位是Ω（欧姆）。电阻元件消耗的功率为

电阻的主要技术参数:1/8W，1/4W，1/2W，1W，2W，5W，10W……

（c）额定功率

（b）阻值误差

（a）标称电阻值

Ω(欧)、KΩ(千欧)、

MΩ(兆欧)，电阻元件的分类按制作材料：碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻。按用途：通用电阻、精密电阻、高压电阻、高阻电阻。按形状：圆柱形电阻、片状电阻、排状电阻等。电阻器---四引线精密线绕电阻器金属膜电阻器电阻电位器（可调电阻器）色环电阻的标注色环颜色棕红橙黄绿兰紫灰白黑金银代表数值1234567890±5%±10%

凡是能够以储存电场能量为主要电磁特性的实际电器装置或元件从理论上都可抽象成理想电容元件。而实际电容元件从构成上来说，都是由二块平行金属板、中间放入不同绝缘介质（云母、瓷介、聚苯乙烯、涤纶、钽、铌、钛等材料）所构成。当二块金属板上加上电压时，就会在金属板上分别聚集起等量的正负电荷，从而在绝缘介质中建立电场并具有电场能量，当把电压移去，电荷仍然保留在极板上，电场和电场能量继续存在。二电容元件

研究以现，电容二块金属板上聚集的电荷与电容二端所加的电压成正比，用公式表示为式中称为电容，单位为F（法拉）。当电容二端的电荷或电压随时间变化时，就会形成电流电容的主要技术参数6.3V、10V、16V、25V、36V、50V、100V、160V、250V、400V

…

等电容标注有数值法和色环法.另外,电解电容是有极性的电容,在使用时极性不能接错.（3）额定电压

（2）电容值误差

（1）标称电容值

，，F（法）、μF（微法）、pF（皮法），1F=106μF，1μF=106pF由此可见，电容元件的伏安特性关系是一导数关系，要求解电容的电压和电流的关系需要求解微分方程。图1胆电容。图2灯具电容器。图3MKPH电容。图4MET电容。图5，10PEI电容，图6，胆贴片电容。图7MPE电容。图8贴片电容。图11轴向电解电容器。图12MPP电容图1PPN电容。图2PET电容。图3MEA电容图4MPB电容。图5PPT电容。图6MPT电容。图7电解电容器。图8MET电容。图9MKPH电容。图10，11电机用电容。图12MKS电容。

凡是能够以储存磁场能量为主要电磁特性的实际电器装置或元件从理论上都可抽象成理想电感元件。而实际电感元件从构成上来说，都是采用金属导线绕制的线圈。三.电感元件定义：磁链为线圈的匝数。

研究发现，线性电感元件的自感磁链与线圈中通过的电流成正比，即

称为线圈的自感系数或简称电感，单位是H（亨利）。根据电磁感应定律，当电感元件中的磁链或电流随时间发生变化时，电感二端会产生感应电压，即

电感可以储存磁场能量,所以它是一种储能元件,同时它不能释放出多于储存的能量,因此也是一种无源元件.

电感在实际使用时通常是用漆包线绕制在某种形状的物体上,根据物体的性质可分为线性电感和非线性电感.同样，电感元件的伏安特性关系也是一导数关系。

电感的主要技术参数0.5A、1A、2A、5A、10A等（c）额定电流

（b）电感误差

（a）标称电感

H（亨）、mH（毫亨）、μH（微亨），，线性电感的是常数，而非线性电感的不是常数，而是一个变量。电感通常是用漆包线绕制在某种形状的物体上所形成的。按绕制物体的性质可分为线性电感和非线性电感。若物体是非铁磁物质则是线性的，否则是非线性的。四.电压源和电流源

1.电压源

理想电压源的性质（1）输出电压不随外电路参数的变化而变化（2）输出电流随外电路参数的变化而变化电压源有直流电压源和交流电压源之分。发电机、干电池、蓄电池等通常用电压源模型(理想电压源和一个电阻元件相串联的形式)表示；

2.电流源

理想电流源的性质（1）输出电流不随外电路参数的变化而变化。（2）输出电压随外电路参数的变化而变化。电流源有直流电流源和交流电流源之分。光电池或晶体管的输出端等通常用电流源模型(理想电流源和一个内阻相并联的形式)表示。柴油机组汽油机组蓄电池

各种形式的电源设备图无论是电压源还是电流源在一般情况下是向电路提供电能的，即根据关联参考方向的定义，当电源的端电压和通过电源的电流的实际计算结果为非关联参考方向时，即

≤0表示电压源或电流源向电路提供功率。若≥0表示电压源或电流源吸收功率，即处于被充电状态。这里所介绍的电压源和电流源称之为独立电源。思考题电路由哪几部分组成？试述电路的功能？为何要引入参考方向？参考方向和实际方向有何联系与区别？何谓电路模型？理想电路元件与实际元器件有何不同？如何判断元件是电源还是负载？

第四节电路的基本定律在介绍电路基本定律基尔霍夫定律之前，首先介绍几个基本概念：回路：由支路组成的闭合路径。

支路：组成电路的每一个二端元件称为一条支路，实际上只要是几个二端元件串联在一起、且通过同一电流的电路都是同一条支路。

结点：不同支路的连接点，但实际上由三条及以上支

路的连接点才是真正意义上的结点。只有二条支路的连接点为简单结点。

一.基尔霍夫电流定律（KCL）

基尔霍夫电流定律指出：任何时刻，对任何一个结点，连接该节点的所有支路电流的代数和恒等于零。

同样也可以说,任何时刻，对任何一个节点,流入该节点的电流等于流出该节点的电流。这种特性称之为电流流动的连续性。

实际上基尔霍夫电流定律还适用于由几个结点组成的闭合曲面，可以将这个闭合曲面称为广义结点。二.基尔霍夫电压定律（KVL）

基尔霍夫电压定律指出：任何时刻，沿任何一回路，组成该回路的所有支路电压的代数和恒等于零。

在写上式前，应首先指定回路的绕行方向，当支路电压或元件电压的参考方向与绕行方向一致时，该电压前取“＋”号，否则取“－”号。在上图回路1中

基尔霍夫电压定律不仅适用于闭合回路，也适合于不闭合的路径。如上图回路3：

KCL和KVL分别对支路电流和支路电压进行线性结构约束，由于这二个定律仅与元件的相互连接方式有关，而与元件本身的性质无关，即与元件约束无关，因此，无论元件是线性还是非线性，时变还是时不变，这二个定律始终成立。

例1-1图示电路中，已知

，

，

V，

V，试求电阻

二端的电压。回路1回路2结点a

将各元件参数代入上式，并解出上述联立方程有

解:各支路电流和电压的参考方向如图所示。根据欧姆定律和KVL、KCL，有

第五节电压和电