《汽车电学基础》-项目二 直流电路1

学习单元1电路的基本概念与物理量学习目标

1.掌握直流电路的基本概念

2.掌握电路中电流、电压、电位、电功率、电能的意义及计算学习项目二

直流电路电路是电工技术和电子技术的基础，它是为学习后面的电子电路、电机电路以及控制与测量电路打基础的。电路是电流的通路，由电路元(器)件按一定要求连接而成，为电流的流通提供路径的集合体。电路的基本功能是实现电能的传输和分配或者电信号的产生、传输、处理加工及利用。学习单元1电路的基本概念与物理量一、电路和电路模型1、电路的组成与作用（a）汽车照明电路

（b）电路模型图2-1汽车照明电路及其模型学习单元1电路的基本概念与物理量电路按作用的不同分为电工电路和电子（信号）电路两大类，它们的作用不同，组成也不同。电工电路的作用是电能的产生、传输控制和转换，它由电源、负载、中间环节组成。在电路中，蓄电池是提供电能的设备，是电源，它将化学能转换成电能。车灯是使用电能的设备，是负载，也称用电器，其作用是将电能转换成热能。这一转换是不可逆的，说明电能被消耗了，因此车灯是一电阻性负载。开关和连接导线位于电源和负载之间，称为中间环节，在电路中起着电能的传输和控制作用。可见电源、负载、中间环节组成了照明电路。学习单元1电路的基本概念与物理量与电工电路不同，电子电路的作用是电信号的产生、处理传输和变换，由信号源、负载和中间环节组成。典型的例子是扩音机电路，在电路中，话筒是输出信号的设备，称为信号源，在电路中它将声音信号变换为电压信号或电流信号。扬声器是接受和转换电信号的设备，是负载。放大器处于信号源与负载之间为中间环节，在电路中用放大电信号。可见信号源、负载和中间环节组成了扩音机电路。学习单元1电路的基本概念与物理量2.电路模型电路的结构通常可用实物图、框图、电路模型等多种形式表示。其中，实物图绘图繁琐，框图没有表示出实际元件的内部结构，无法使用定理、定律计算，因此电路通常用电路模型表示。学习单元1电路的基本概念与物理量理想电路元件是指只有一种电磁性质的假想元件。基本的理想电路元件有：电阻元件、电感元件、电容元件以及理想电压源和理想电流源共5种：电阻R表示电阻元件具有消耗电能的性质，即电阻性；电感L表示电感元件具有储存磁场能的性质，即电感性；电容C表示电容元件有储存电场能的性质，即电容性；E（Us）表示理想电压源有输出电压不变的性质，即恒压性；Is表示理想电流源具有输出电流不变的性质，即恒流性。因为每种理想元件只有一个参数，因此又称为单一参数元件。学习单元1电路的基本概念与物理量电路模型就是将实际元件用理想元件及其组合表示之后所得到的图形，如图1-1a所示汽车照明电路，蓄电池用理想电压源E（Us）和电阻R0(Rs)的串联电路表示，车灯用电阻RL表示，开关和连接导线用S和理想导线（即电阻为零的导线）表示，所得到的图形就是汽车照明电路的电路模型，如图2-1b所示。学习单元1电路的基本概念与物理量二、电路的基本物理量1、电流电荷的定向运动就形成电流。在金属导体中，电流是自由电子在电场的作用下作定向运动形成的。在某些液体或气体中，电流则是带正负电荷的离子在电场力的作用下有规则的运动形成的。电流的大小等于单位时间内通过某一导体横截面的电荷量，用电流（I）来表示，如下式所示。电流这一名词既表示一种物理现象，也表示一个物理量。学习单元1电路的基本概念与物理量国际单位制(SI)中，电荷的单位是库仑(C)，时间的单位是秒(s)，电流的单位是安培，简称安(A)，实用中还有毫安(mA)和微安(μA)等。学习单元1电路的基本概念与物理量②电流的参考方向电流的方向，有实际方向和参考方向之分，要加以区别。在分析与计算电路时，常可任意选定某一方向作为电流的参考方向，或称为正方向。所选的电流的参考方向并不一定与电流的实际方向一致。参考方向可以任意设定，在电路中用箭头表示，并且规定，如果电流的实际方向与参考方向一致，电流为正值；反之，电流为负值，如图

2-3所示。不设定参考方向而谈电流的正负是没有意义的。学习单元1电路的基本概念与物理量例2-1：在图

2-5中，各电流的参考方向已设定。已知I1=10A，I2=-2A，I3=8A。试确定I1、I2、I3

的实际方向。学习单元1电路的基本概念与物理量解：I1>0，故I1的实际方向与参考方向相同，I1由a点流向b点。

I2<0，故I2的实际方向与参考方向相反，I2由b点流向c点。

I3>0，故I3的实际方向与参考方向相同，I3由b点流向d点。学习单元1电路的基本概念与物理量在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。电压的基本概念电压是指电路中两点

a、b之间的电位差(简称为电压)，其大小等于单位正电荷因受电场力作用从

a点移动到

b点所作的功，如下式所示。电压是衡量电场做功本领大小的物理量。学习单元1电路的基本概念与物理量电压和电动势都是标量，但在分析电路时，和电流一样，我们也说它们具有方向。电压的方向规定为高电位（“+”极性）端指向低电位（“-”极性）端，即为电位降低的方向。电源电动势的方向规定为在电源内部由地电位（“-”极性）端指向高电位（“+”极性）端，即为电位升高的方向。在电路图上所标的方向，一般都是参考方向，它们是正值还是负值，视选定的参考方向而定。学习单元1电路的基本概念与物理量电压的参考方向可用箭头“→”表示，也可用双下标表示，还可用极性“+”、“-”表示，“+”表示高电位，“-”表示低电位。多数情况下采用双下标和极性表示法。当电压的参考方向与实际方向一致时，电压为正（U>0）；当电压的参考方向与实际方向相反时，电压为负（U<0），如图2-6所示。学习单元1电路的基本概念与物理量③支路电压的测量在直流电路中，测量电压时，应根据电压的实际极性将直流电压表跨接在待测支路两端。电压表与电阻并联时电压表支路相当于断路。也就是说，电压表在电路中只是测电阻两端的电压，在分析电路结构时可以从电路图上去掉。学习单元1电路的基本概念与物理量④关联参考方向在电路分析中，电流的参考方向和电压的参考极性都可以各自独立地任意设定。但为了方便，通常采用关联参考方向。对于一个电路元件，当它的电压和电流的参考方向一致时，通常称为关联参方向，即：电流从标电压正极性的一端流入，并从标电压负极性的另一端流出。学习单元1电路的基本概念与物理量3、电位及参考点电路中每一个点都有一定的电位，计算电位也需要有一个参考点，参考点原则上可以任意选取，但一经选定,各点电位的计算即以参考点为准。电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变。将参考点的电位定为零,则所求点的电位就是该点到参考点的电压降。电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。所以计算电位的方法与计算电压的方法完全相同。参考点处用符号“⊥”表示。学习单元1电路的基本概念与物理量例2-2：试求图

2-9(a)所示电路中的

、

及

。学习单元1电路的基本概念与物理量学习单元1电路的基本概念与物理量解：例2-3：求图2-10示电路中打开及闭合后的开关两端电压。学习单元1电路的基本概念与物理量学习单元1电路的基本概念与物理量4、电功率①电功率的定义电流在单位时间内做的功叫做电功率。是用来表示消耗电能的快慢的物理量。电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能。学习单元1电路的基本概念与物理量图

2-11(a)所示方框为电路中的一部分a、b段，图中采用了关联参考方向，设在dt时间内，由a点转移到b点的正电荷量为dq，ab间的电压为u，在转移过程中dq失去的能量为学习单元1电路的基本概念与物理量学习单元1电路的基本概念与物理量正电荷失去能量，也就是这段电路吸收或消耗了能量，因此，ab段电路所消耗的功率如下：在直流电路中，对应消耗的功率如下：②电功率的单位及P为正负时的意义在国际单位制(SI)中功率的单位为瓦特，简称瓦(W)。实用中还有千瓦(kW)，毫瓦(mW)等。需要强调的是：在电压电流符合关联参考方向的条件下，如图

2-11(a)所示，一段电路的功率代表该段电路消耗的功率，当P为正值时，表明该段电路消耗功率；当P为负值时，则表明该段电路向外提供功率，即产生功率。而储能元件(如理想电容、电感元件)既不吸收功率也不发出功率，即其功率P=0。通常所说的功率

P又叫做有功功率或平均功率。如果电压、电流不符合关联参考方向，如图

2-11(b)所示，则结论与上述相反。学习单元1电路的基本概念与物理量5、电能电能指电以各种形式做功的能力。有直流电能、交流电能、高频电能等，这几种电能均可相互转换。日常生活中使用的电能主要来自其他其他形式能量的转换，包括水能、热能、原子能、风能、化学能（电池）及光能等。电能也可转换成其他所需能量形式。它可以有线或无线的形式作远距离的传输。电能被广泛应用在动力、照明、冶金、化学、纺织、通信、广播等各个领域，是科学技术发展、国民经济飞跃的主要动力。电能是表示电流做多少功的物理量，电能是在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量。学习单元1电路的基本概念与物理量在直流电路中在国际单位制(SI)中，电能的单位为焦耳，简称焦(J)。实用单位还有度，1度=1千瓦×1小时=1千瓦时(kW·h)，即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。学习单元1电路的基本概念与物理量例2-4：在图

2-12中，方框代表电源或电阻，各电压、电流的参考方向均已设定。已知

求各元件消耗或向外提供的功率。学习单元1电路的基本概念与物理量学习单元1电路的基本概念与物理量学习单元2电路基本元件学习目标

1.掌握电阻元件的伏安特性、欧姆定律、功率及其串并联

2.掌握电容元件的伏安特性，了解电容元件的电场能

3.掌握电感元件的伏安特性，了解电容元件的磁场学习项目二

直流电路一、电阻元件1、电阻元件伏安特性及欧姆定律①线性电阻及其伏安特性曲线导体对电流的阻碍作用就叫导体的电阻。电阻元件是所有电子电路中使用最多的元件。电阻元件的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生热能。电阻元件在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻元件。学习单元2电路基本元件金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关，表达式为：在温度一定的条件下，把加在电阻两端的电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。一般金属电阻的阻值不随所加电压和通过的电流而改变，即在一定的温度下其阻值是常数，这种电阻的伏安特性是一条经过原点的直线。学习单元2电路基本元件②欧姆定律

在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，这就是欧姆定律，基本公式是：在上式中，R是一个与电压和电流均无关的常数，称为元件的电阻。欧姆定律通常只适用于线性电阻。在国际单位制(SI)中，电阻的单位为欧姆，简称欧(Ω)。常用单位还有千欧(kΩ)，兆欧(MΩ)等。学习单元2电路基本元件电导

电阻的倒数叫做电导，用G表示。在国际单位制(SI)中，电导的单位是西门子，简称西(S)，用电导表征电阻时，欧姆定律可写成学习单元2电路基本元件2、电阻元件的功率电阻元件可以理解为从电源取用电能，转换成热能散失于周围空间，总是在消耗电能，其能量转换过程是不可逆的，这种元件就是电阻元件对于电阻元件，在关联参考方向下，电阻元件消耗的功率为学习单元2电路基本元件3、电阻的串联①等效串联电阻及分压关系两个或两个以上电阻一个接一个成串地连接起来，中间无分支，置于电源电压的作用下，就组成了电阻串联电路。各电阻中通过同一电流，电阻总的作用得到加强。两个串联电阻可用一个等效电阻来代替，等效的条件是在同一电压U的作用下电流I保持不变。等效电阻等于各个串联电阻之和。学习单元2电路基本元件在串联电路中，若总电压U为已知，各电阻上的电压可由下式求出：上式为串联电阻的分压公式。学习单元2电路基本元件4、电阻的并联两个或两个以上的电阻接在两个结点之间，在电源电压的作用下，它们两端的电压都相等，这种连接方式称为并联。每个电阻上受到同一电压，电阻总的作用被削弱两个并联电阻，也可用一个等效电阻来代替，即或G=G1+G2,Ｇ称作电导，是电阻的倒数。其单位：西门子（Ｓ）。并联电阻用电导表示。学习单元2电路基本元件在并联电路中，等效并联电阻如下所示：学习单元2电路基本元件两电阻并联时的等效电阻计算及分流公式两电阻并联时的等效电阻如下所示：学习单元2电路基本元件二、电容元件1、电容元件介绍电容是以聚集电荷的形式，储存电能的二端元件，是一种电子元件，由绝缘体或电介质材料隔离的两个导体组成。电容的电路参数用字母C表示。若在电容器两极间加一直流电压，电源将向电容器充电，使电容器的两极积聚了数量相等、符号相反的电荷q，两极间建立了电场并具有一定的电压u。积聚的电荷愈多，所形成的电场就愈强，电容元件所储存的电场能也就愈大。学习单元2电路基本元件电容元件是各种实际电容器的理想化模型，其符号如图2-16(a)所示。电荷量与端电压的比值叫做电容元件的电容，理想电容器的电容为一常数，电荷量q总是与端电压u成线性关系，即学习单元2电路基本元件国际单位制(SI)中电容的单位为法拉，简称法，符号为F。常用单位有微法(μF)，皮法(pF)。上式表示的电容元件电荷量与电压之间的约束关系，称为线性电容的库伏特性，它是过坐标原点的一条直线。学习单元2电路基本元件2、电容元件的伏安特性当极板上的电荷q或电压u发生变化时，在电路中要引起电流。对于图2-17(a)，当u、i取关联参考方向时，有电容的伏安特性说明：任一瞬间，电容电流的大小与该瞬间电压变化率成正比，而与这一瞬间电压大小无关。学习单元2电路基本元件3、电容元件的电场能关联参考方向下，电容吸收的功率如下式所示。电容元件从u(0)=0(电场能为零)增大到u(t)时，总共吸收的能量，即t时刻电容的电场能量为当电容电压由u减小到零时，释放的电场能量也按上式计算。动态电路中，电容和外电路进行着电场能和其它能的相互转换，本身不消耗能量。学习单元2电路基本元件三、电感元件电感元件是一种储能元件，电感元件的原始模型为导线绕成圆柱线圈。当线圈中通