电工学原理-1-1教材

第1讲电路的基本理论2014年9月1.2分析电路的基本定律1.3分析电路的基本方法1.4交流电路分析1.5建筑供配电系统简介1.1电路的基本概念第1讲

电路的基本理论1.1.2基本物理量1.1.3电路元件模型1.1.4电路的工作状态1.1.1电路模型1.1电路的基本概念问题的提出1.1电路的基本概念电池灯泡分析什么？怎么分析？

电路就是电流流通的路径。电路模型1.1.1电路模型电池灯泡EIRU+_电源负载1.1.2基本电量基本电量电流电压电动势电功率符号——I，i符号——U，u符号——E，e符号——P，pEIRU+_电能符号——W，w1.1电路的基本概念正方向物理量的正方向：实际正方向假设正方向实际正方向：物理中对电量规定的方向。假设正方向（参考正方向）：在分析计算时，对电量人为规定的方向。1.1电路的基本概念正方向电流电压电功率符号——I，i符号——U，u符号——E，e符号——P，p正电荷移动的方向电位降低的方向电动势电源内部外力驱动正电荷的运动方向符号——W，w电能电流定义——正电荷的流动——直流——交流1.1.2基本电量abi>0abi<0参考方向的表示方法：1.带箭头的短线

2.加脚标如：iab

、ibaiab>0iba<0电流的实际方向电流的参考方向电流的实际方向电流的参考方向电流的参考方向1.1.2基本电量电流表必须串接在被测电路中；电流的参考方向由“+”接线柱指向“-”接线柱。电流表+_被测支路断开通路串接电流表电流的测量1.1.2基本电量电压定义——电场力做功ab两点间的电压abWaWb失去电位能Wa-Wb1.1.2基本电量电位——与参考点有关单位正电荷在电场中某点所具有的电位能称为该点的电位，用小写的v表示。它表示外力将单位正电荷从参考点（零电位点）移动到的该点所作的功。a点电位b点电位abWaWb1.1.2基本电量电压的参考方向电压的实际方向abuab

>0电压的实际方向abuba<0+-电压的参考方向u电压的参考方向u参考方向的表示方法：1.+:高电位;-:低电位

2.带箭头的短线

3.加脚标uab选定电压的参考方向后，电压就有了正负之分，变成了代数量。u>0u<01.1.2基本电量电压的测量电压表必须和被测支路并联。电压的参考方向由“+”接线柱指向“

”接线柱。电压表+_被测支路+_u1.1.2基本电量电动势定义——非电场力做功电动势eab

表示单位正电荷从电源负极a

点移动到正极b点所获得的电位能。电源内部电位升！1.1.2基本电量电压与电动势的关系E与U的参考方向一致E与U的参考方向不一致1.1.2基本电量电功率定义——单位时间内所转换的电能I

EUS

＋－＋－＋－UL

US是电源两端的电压UL是负载两端的电压E是电源电动势电源产生的功率：PE=E

I负载取用的功率：PL=UL

I电源输出的功率：P=US

IUS1.1.2基本电量电能单位转换：千瓦时（kW·h）1千瓦时为1度电1kW·h＝3.6

106J。定义——在时间t内转换的电功率单位——焦耳（J）W=PtI

EUS

＋－＋－＋－UL

电源产生电源输出负载消耗1.1.2基本电量参考方向与电路分析问题的提出：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？电流方向A

B？电流方向B

A？U1ABRU2IR(1)在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；解决方法(3)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系的代数表达式；电功率与参考方向IUP=如果UI方向不一致写法如何？电压电流正方向一致aIRUbaIRUb电压电流正方向相反P=–UI功率有正负？电功率与参考方向吸收功率或消耗功率（起负载作用）若P

0输出功率（起电源作用）若P

0电阻消耗功率肯定为正电源的功率可能为正（吸收功率），也可能为负（输出功率）功率的正负电源的功率IUab+-P=UIP=–UIIUab+-电压电流正方向不一致电压电流正方向一致二端网络的功率IU+-含源网络P=UI电压电流正方向一致P=–UI电压电流正方向不一致IU+-含源网络

当计算的P>0

时,则说明U、I

的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。

所以，从P的+或-可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。结论在进行功率计算时，如果假设U、I

正方向一致。

当计算的P<0

时,则说明U、I

的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。课堂练习：由5个元件组成的电路如图，各元件上电压、电流参考方向采用关联参考方向，标在图上如下。确定各元件的功率，

指出哪些是电源、哪些是负载？12U5345I3U2U3U4U1I1I21.1电路的基本概念1.1.2基本物理量1.1.3电路元件模型1.1.4电路的工作状态1.1.1电路模型1.1电路的基本概念电路元件模型理想电路元件理想有源元件理想无源元件电压源电流源电阻元件电容元件电感元件忆阻元件1.1.3电路元件模型电荷q磁通

电压u电流i电阻元件电容元件电感元件忆阻元件理想无源元件1.1.3电路元件模型

电阻元件当电路的某一部分只存在电能的消耗而没有电场能和磁场能的储存，这一部分电路可用电阻元件来代替。＋

－

iuR

电阻的大小R——电阻值ρ——电阻率L——导体长度S——导体横截面积

电阻与电压电流关系

电阻的单位1.1.3电路元件模型＋

－

iuR

电阻消耗的功率线性电阻与非线性电阻水泥电阻线绕电阻碳膜电阻可变电阻压敏电阻功率电阻1.1.3电路元件模型特点:1)各电阻一个接一个地顺序相联；两电阻串联时的分压公式：R=R1+R23)等效电阻等于各电阻之和。2)各电阻中通过同一电流；应用：降压、限流、调节电压等。IU1U2+–+–R1R2+U–RI+–U电阻的串联1.1.3电路元件模型电阻的并联两电阻并联时的分流公式：特点:1)各电阻联接在两个公共的结点之间；RUI+–I1I2R1UR2I+–2)各电阻两端的电压相同；应用：分流、调节电流等。3)等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和1.1.3电路元件模型电阻的混联abab求下图中的等效电阻Rab=?。1.1.3电路元件模型电阻的混联试估算如图所示两个电路中的电流II。。20V+–。。20V+–I越小!!通常电灯开得越多，总负载电阻越大还是越小？1.1.3电路元件模型电容元件电容元件的基本特性是存储在极板上的电荷量q

与两极板之间的电压u

满足代数关系。++++++++--------+q-quiu1.1.3电路元件模型陶瓷电容云母电容薄膜电容复合介质电容铝电解电容钽电解电容真空电容电容元件1.1.3电路元件模型电容元件的特性——电容器充电——电容器放电——电容器对直流相当于开路iuC1.1.3电路元件模型电容元件的电压-电流关系——伏安特性记忆元件iuC动态元件1.1.3电路元件模型电容元件的功率与储能iuC以电场方式储存功率可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身不消耗能量（无损）。与电流无关储能元件1.1.3电路元件模型电容的连接串联并联i1uC2i2C1iuCu2C2C1iu1uiuC

C

=

C1+C2u1=C2C1＋C2uu2=C1C1＋C2u1.1.3电路元件模型电感元件电感元件的原型是空心线圈，基本特性是线圈中的磁通量ψ与流过线圈的电流i满足代数关系。Liu1.1.3电路元件模型磁棒电感线圈工字形电感线圈多层空心电感线圈双层空心电感线圈贴片电感铁心电感线圈磁珠电感电感元件1.1.3电路元件模型电感元件的特性——电感电压升高——电感电压降低——电感元件对直流相当于短路Liu1.1.3电路元件模型电感元件的电压-电流关系——伏安特性动态元件记忆元件Liu1.1.3电路元件模型电感元件的功率与储能以磁场方式储存功率可正可负，有时吸收能量，有时放出能量，但本身不消耗能量（无损）。与电压无关储能元件1.1.3电路元件模型电感的连接无互感存在的两电感线圈串联时,等效电感为=1L1L1＋1L2L＝L1＋L2

无互感存在的两电感线圈并联时,等效电感为1.1.3电路元件模型电压源及特点+-u理想电源i+-USuSui特点2、输出电流I与外电路有关。1、输出电压U与输出电流和外电路无关。＋

－US

I

＋－U＝US＝定值USU

O

I

1.1.3电路元件模型电流源及特点+-u理想电源iuSi+-1、输出电流I与输出电压和外电路无关。2、输出电压U与外电路有关。特点ISU

O

I

IS

U

＋－I＝IS＝定值电激流1.1.3电路元件模型理想有源元件

当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，它们输出（产生）电功率，起电源作用。＋

－US

I

U

＋－IS

＋－U

I

＋

－US

I

U

＋－IS

＋－U

I

当电压源和电流源的电压和电流实际方向如上图时，它们取用（消耗）电功率，起负载作用。1.1.2基本物理量1.1.3电路元件模型1.1.4电路的工作状态1.1.1电路模型1.1电路的基本概念开路工作状态短路工作状态负载工作状态1.1.4电路的工作状态含源电路+_iu未接任何负载，端电流i=0（开路）。端口电压称为开路电压：uOC

或UOC

=UOC开路工作状态——空载1.1.4电路的工作状态电路外接端直接用导线连接，端口电压u=0（短路）输出电流称为短路电流：iSC

或ISC含源电路+_iu

ISC短路工作状态1.1.4电路的工作状态含源电路+_iu负载负载工作状态1.1.4电路的工作状态含源电路+_iu负载当电路中的电流等于额定电流时，叫做“满载”（额定状态）；当电路中的电流大于额定电流时，叫做“过载”；当电路中的电流小于额定电流时，叫做“欠载”。

一般来说电路不能工作在过载状态,但短时少量的过载还是可以的,长时过载可能会引起事故的发生,是绝不允许的。为保证电路安全工作,一般需在电路中接入必要的过载保护装置。负载工作状态1.1.4电路的工作状态短路通路断路负载功率电源消耗功率电压电流电路状态1.1.4电路的工作状态1.2分析电路的基本定律1.3分析电路的基本方法1.4交流电路分析1.5建筑供配电系统简介1.1电路的基本概念第1讲

电路的基本理论欧姆定律基尔霍夫定律1.2基本定律1845年德国物理学家G.R.Kirchhoff提出了基尔霍夫定律，阐述了集总参数电路中各结点电压之间的约束关系——电压定律（KVL）；各支路电流之间的约束关系——电流定律（KCL），是电路理论的最基本定律。欧姆定律——线性电阻的端电压和流过的电流成正比,其比值等于该线性电阻元件的阻值。Riu+-0i/Au/V1.2.1欧姆定律欧姆定律与参考方向I与U的方向一致U=IRaIRUbI与U的方向相反U=–IRaIRUb名词介绍基尔霍夫电流定律KCL基尔霍夫电压定律KVL1.2.2基尔霍夫定律名词介绍++--E1E2R1R2R0R3ISab12cI0I3I1I2····结点（Node）

图中，a点、b点都是结点。虚线框住的c点包含了点1和2，也是一个结点。该电路共包含3个结点。1.2.2基尔霍夫定律名词介绍++--E1E2R1R2R0R3ISab12cI0I3I1I2····支路（Branch）该电路共包含5条支路。

注意，在图中，点1及点2之间的一段电路不是支路，因为它不包含任何电阻、电源等电路元件，而只是一段导线，所以算一个结点。1.2.2基尔霍夫定律名词介绍++--E1E2R1R2R0R3ISab12cI0I3I1I2····回路（Loop）

在图示电路中,共有6各回路，如：a-R0-c-IS-a,a-R3-b-E1-R1-c-R0-a,b-E2-R2-c-R1-E1-b等等。1.2.2基尔霍夫定律：图中，因为a、b两点间没有元件，所以，不能算我们定义的支路。同理，a、b只能算一个节点。名词介绍试判断下图电路中有多少节点？多少支路？2Ω4Ω6Ω3Ω10VabI分析

而对于10V电压对应的两端,虽然看不见电路元件,但它对电路提供10V电压,相当于电压源的作用,我们可以用一个理想电压源来代替,所以,它是一条支路.同理,电源的两端应该是两个节点.该电路有3个节点。5条支路1.2.2基尔霍夫定律

：图中,因为a、b两点间接有2Ω电阻元件并分别与一个回路相连，所以，2Ω电阻元件是一条支路。名词介绍试判断下图电路中有多少节点？多少支路？分析所以，该电路有2个节点。3条支路而且，该电路只有2个单回路I6V12V5Ω1Ω1Ω5Ω2Ω++--ba1.2.2基尔霍夫定律21543n流进流出流出流进流出i1i2i3i4i5值得注意的是，首先要定义了电流的参考方向。电荷守恒定律的表现：1.2.2基尔霍夫定律基尔霍夫电流定