第一章电路的基本概念和基本定律

电工基础电工基础机械工业出版社出版制作者:田丽鸿陈菊红电工基础第一章电路的基本概念和基本定律学习要点：1、电路的基本物理量参考方向2、电压源和电流源3、基尔霍夫定律电工基础第一章电路的基本概念和基本定律第一节电路和电路模型第二节电路的基本物理量第三节电阻元件和欧姆定律第四节电压源和电流源第五节电路的工作状态第六节基尔霍夫定律本章小结主要内容：电工基础第一节电路和电路模型一、电路及其功能电路是各种电气设备按一定方式联接起来的整体，它提供了电流流通的路径。从工程技术领域来看，电路的应用可分为能量与信息两大领域。电路的功能基本上可以分成两大类。一类是实现电能的转换、传输和分配。另一类则是在信息网络中，用来传递、储存、加工和处理各种电信号。电工基础二、电路模型1.电路模型：就是把实际电路的本质特征抽象出来所形成的理想化的电路。今后所讨论的电路都是电路模型。2.电路图：用规定的电路符号表示各种理想元件而得到的电路模型图称为电路原理图，简称电路图。第一节电路和电路模型第一节电路和电路模型电工基础下图表示的就是一个实际电路的电路模型图。第一节电路和电路模型电工基础三、实际电路的分类实际电路可分为“集中参数电路”和“分布参数电路”两大类。当一个实际电路的几何尺寸远小于电路中电磁波的波长时，称为“集中参数电路”。否则就称为“分布参数电路”。第一节电路和电路模型返回主目录电工基础第二节电路的基本物理量一、电流、电压及其参考方向1.电流（1）定义：带电粒子的定向移动形成了电流。单位时间内通过导体截面的电荷量定义为电流强度，简称为电流，用i表示。（2）数学表达式：（3）方向：规定正电荷移动的方向为电流的方向。（4）直流电流：当电流的大小和方向不随时间而变化时，称为直流电流，简称直流（DC）。dqidt电工基础第二节电路的基本物理量2.电压（1）定义：电压是电场力移动单位电荷时所做的功。（2）数学表达式：（3）方向：规定电压的方向是电场力移动正电荷的方向。（4）直流电压：在直流时，电压表达式应写为ABABdwudqABABWUQ电工基础3.参考方向（1）实际方向：以上对电流、电压规定的方向，是电路中客观存在的方向，称为实际方向。（2）参考方向：参考方向是人们任意选定的一个方向。分析电路时，可任意选定电压、电流的参考方向，并由参考方向和电压、电流值的正、负来反映该电压或电流的实际方向。(见下图)参考方向一经选定，在分析电路的过程中就不再变动。第二节电路的基本物理量电工基础参考方向概念电工基础（4）关联参考方向：在电路分析中，各元件的电流、电压参考方向都可任意选定。但是为了方便起见，对于同一元件或同一段电路，习惯上采用“关联”参考方向。即电流的参考方向与电压参考“＋”极到“－”极的方向选为一致。关联参考方向又称为一致参考方向。当电流、电压采用关联参考方向时，电路图上只需标电流参考方向和电压参考极性中的任意一种即可。电工基础二、电位1.定义：在电路中任选一点O作为参考点，则该电路中某一点A到参考点的电压即为A点的电位，用表示。即第二节电路的基本物理量电位与电压的单位完全相同，也是用伏特（V）计量。因电路参考点的电位为零，所以参考点也称零电位点。AAOu电工基础2.说明：（1）电路中A、B两点间的电压是A点与B点电位之差，因此，电压又叫电位差。即（2）除参考点外，各点的电位值可正可负。（3）参考点可任意选择，一经选定，电路其它各点电位随之确定。（4）参考点选择得不同，电路中同一点的电位随之改变，但任两点间的电压不变。ABABu第二节电路的基本物理量电工基础三、电动势1.定义：电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功，人们将其称为电源的电动势，用e表示，即BAdwedq电动势的方向是电源力克服电场力移动正电荷的方向，是从低电位指向高电位的方向。第二节电路的基本物理量电工基础2.说明：(1)同一电源两端，电动势和电压大小相等，方向相反。(2)电动势一般只针对电源而言。第二节电路的基本物理量电工基础四、功率与电能1.功率及其正、负号的意义电功率(简称功率)是衡量电路中能量变化速率的物理量。把单位时间内电路吸收或释放的电能定义为该电路的功率，用p表示。其定义式为p=dW/dt在直流电路中，功率与电流、电压均不随时间变化，上式可写成P=UI第二节电路的基本物理量电工基础一段电路，在取关联参考方向下，说明这段电路上电压和电流的实际方向是一致的，正电荷在电场力作用下做了功，电路吸收了功率；则这段电路上电压和电流的实际方向不一致，一定是有外力克服电场力做了功，电路发出功率，也可以说电路吸收了负功率。注意在关联参考方向下，各功率数值的正、负号的含义。一个电路的功率总是平衡的。iu和0p0p第二节电路的基本物理量电工基础第二节电路的基本物理量2.电能设在dt时间内电路转换的电能为dw，则在t0到t1的一段时间内，电路的电能直流时，P为常量，则国际单位制中，电能W的单位是焦耳（J），它表示功率为1W的用电设备在1s时间内所消耗的电能。实用中还常用千瓦小时(俗称度）的电能单位，即1度电=返回主目录10ttWpdt10()WPtt3611036003.610kWhWsJdwpdt电工基础第三节电阻元件和欧姆定律一、电阻元件1.电阻元件的伏安特性电阻元件是反映电路器件消耗电能这一物理性能的一种理想元件。它有两个端钮与外电路相联接，是一个二端元件。用元件约束来描述各种理想元件的端电压与电流之间的关系，简称为VCR。电阻元件的伏安特性可通过伏安特性曲线来描述。(如下图)电工基础第三节电阻元件和欧姆定律电阻元件的伏安特性电工基础2.电阻元件的分类1）线性电阻：若电阻R值与其工作电压或电流无关，则称其为线性电阻元件。其伏安特性曲线是一条通过原点的直线。2）非线性电阻：如果电阻的电阻值不是一个常数，会随着其工作电压或电流的变化而变化则称为非线性电阻元件。其伏安特性曲线不再是一条通过原点的直线。第三节电阻元件和欧姆定律电工基础第三节电阻元件和欧姆定律3.欧姆定律在电压与电流的关联参考方向下，欧姆定律为u=Ri或i=Gu直流时：U=RI或I=GU式中R--电阻元件的电阻值，单位为欧姆（Ω）G=1/R--电阻元件的电导，单位为西门子（S）电工基础二、电阻元件的功率1.电阻元件在任一瞬间吸收的功率可按下式计算，即p=u·i=Ri2=Gu22.电阻元件是耗能元件。第三节电阻元件和欧姆定律返回主目录电工基础第四节电压源和电流源一、电压源1.理想电压源：理想电压源是一个二端元件，其端电压us是一个定值(称为理想直流电压源)或是一定的时间函数，与流过它的电流无关;流过的电流由与之相联接的外电路和它共同确定。电工基础第四节电压源和电流源理想电压源模型及直流电压源伏安特性电工基础第四节电压源和电流源2.实际电压源实际电压源内部总是存在一定的电阻，称之为内阻。实际电压源可以用一个理想电压源和内阻相串联的电路模型来表示如下图所示，其端口的伏安关系为：ssIRUU电工基础二、电流源1.理想电流源理想电流源是另一种理想电源。它也是一个二端元件，它输出电流is是一个定值(称为理想直流电流源)或是一定的时间函数，与其端电压无关;其端电压由与之相联接的外电路和它共同确定。第四节电压源和电流源电工基础第四节电压源和电流源理想电流源模型及直流电流源的伏安特性电工基础第四节电压源和电流源2.实际电流源由于电流源内电导的存在，电流源有部分电流将在内部分流。实际电流源可用一个理想电流源与内电导相并联的电路模型来表示，如下图所示。其端口的伏安关系为：返回主目录ssUGII电工基础第五节电路的工作状态一、开路开路状态也称为断路状态。这时电源和负载未构成通路，负载上电流为零，电源空载，不输出功率。开路时电源的端电压称为开路电压，用Uoc表示。实际电压源在开路时，流过的电流I=0，端口电压等于电压源电压即Uoc=Us电工基础二、短路短路状态指电源两端由于某种原因而短接在一起的情况，这时相当于负载电阻为零，电源的端电压为零，不输出功率。短路时电源的输出电流称为短路电流，用Isc表示。实际电流源短路时Isc=Is。实际电压源短路时，由于其内阻一般很小，所以其短路电流将很大，会使电源发热以致损坏，所以应防止电压源被短路。第五节电路的工作状态电工基础三、额定工作状态电气设备工作在额定值的情况下称为额定工作状态。电源设备的额定值一般包括额定电压UN、额定电流IN和额定容量SN。负载的额定值一般包括额定电压UN、额定电流IN和额定功率PN。应合理使用电气设备，尽可能使其工作在额定状态下，这样既安全可靠又能充分发挥设备的作用，这种工作状态有时也称为“满载”，设备超过额定值工作时称为的“过载”。应避免长时间“过载”。第五节电路的工作状态返回主目录电工基础第六节基尔霍夫定律一、与拓扑约束有关的几个名词1.支路：电路中的每个分支都称为支路。2.节点：三个或三个以上支路的连接点称为节点(结节)。3.回路：电路中任一闭合的路径都称为回路。4.网孔：回路平面内部不含支路的回路称为网孔。电工基础第六节基尔霍夫定律支路：ABE、ACE、ADE节点：A、E回路：ABECA、ACEDA、ABEDA网孔：ABECA、ACEDA有关概念实例图电工基础第六节基尔霍夫定律二、基尔霍夫电流定律(简称KCL)1.定律内容：基尔霍夫电流定律可表述为：在集中参数电路中，任一时刻流出(或流入)节点的各支路电流的代数和恒等于零。写成数学表达式为i=0电工基础第六节基尔霍夫定律右图示节点的KCL方程为:i1+i3-i2-i4=0也可写为即KCL也可表述为:任何时刻流入任一节点的电流必定等于流出该节点的电流。1324iiiiii流入流出电工基础2.定律推广：流入电路任一封闭面的电流代数和恒等于零。第六节基尔霍夫定律如下图可有方程:电工基础三、基尔霍夫电压定律(简称KVL)1.定律内容：基尔霍夫电压定律可表示为：在集中参数电路中，任一时刻，任一回路的各段(或各元件)电压的代数和恒等于零。用式子表示即u=0第六节基尔霍夫定律电工基础第六节基尔霍夫定律下图电路的KVL方程。（绕行方向为顺时针方向）04332211RRSRSRSuuuuuuu电工基础第六节基尔霍夫定律2.定律推广：电路中任一假想回路的电压代数和恒等于零。如图中的假想回路ABCA可有方程:us1+uR1+uS2+uR2-uAC=0电工基础四、应用KCL、KVL的注意点:(1)方程都是在选定参考方向后列写。(2)列写方程时，除了考虑各项电流或电压前的“+”、“-”符号，还需注意在代入各电流、电压值时应是代数值，也有正负之分。第六节基尔霍夫定律电工基础基尔霍夫两个定律从电路的整体上分别阐述了各支路电流之间与支路电压之间的约束关系。这种关系仅与电路的结构和联结方式有关，而与电路元件的性质无关。电路的这种拓扑约束和表征元件性能的元件约束共同统一了电路整体，支配着电路各处的电压与电流，它们是分析一切集中参数电路的基本依据。返回主目录第六节基尔霍夫定律电工基础本章小结本章主要讨论电路的组成与模型;阐述了电路基本物理量（电压、电流、电动势、电位、电功率等）的概念及电路基本定律（基尔霍夫定律）;建立起电流、电压参考方向的概念。此外，还讨论了电阻元件、独立电源的特性。返回主目录