1章电路基础知识

1.2物理量及其参考方向1.3电阻元件与欧姆定律1.4电源元件1.5基尔霍夫定律1.1电路模型习题:2020/1/291第1章电路基础知识2020/1/2921.1.1实际电路1.1电路模型一个实际电路，为了实现某种功能，用导线将一些实际电气器件连接起来，构成可供电流流通的通路，叫电路。1.电气元件的分类实际电气元件可分为三类：电源或信号源负载中间环节或信号处理电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用2.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（a）实现电能的传输、分配与转换，比如电力系统传、输、配电直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息放大器扬声器话筒信号（信息）：声音信号例：语言、音乐电信号例：电压、电流（b）实现信号的传递和处理2020/1/2951.1.2电路模型为了简化分析，对实际电路建立模型，由理想电路元件所组成的电路叫电路模型理想电路元件(简称电路元件)是针对一些基本电磁现象，将实际电路元件理想化了的电路元件，一个理想电路元件只表示一种电磁现象或物理现象，用统一的符号标记表1.1.1常用电路元件的电路符号表直流电源E电容C开关S固定电阻R电压源Us熔断器FU可变电阻Rp电流源Is电压表V电感L电灯HL电流表A2020/1/296例：日光灯模型（a）实际模型（b）电路模型2020/1/2971.2物理量及其参考方向1.2.1电流及其参考方向在SI(国际单位制)中，电流的单位为安培，简称安，符号为A。常用的有千安(kA)，毫安(mA)，微安(A)等。他们的之间的进制是10的三次方式中，t的单位是秒(s)，电荷量q的单位为库(c)，1C=1As。电流的大小等于单位时间内通过某一导体横截面的电荷数：ΔdΔdΔt0qqittlim1.电流2020/1/2982.电流的方向在分析与计算电路时，任意规定某一方向作为电流的参考方向，或正方向。规定了参考方向以后，电流则有正负之分。正的电流表示电流的实际方向与参考方向相同；负的电流表示电流的实际方向与参考方向相反。习惯上规定电流的实际方向为正电荷的运动方向Iab双下标箭标abRI电流参考方向表示方法2020/1/2991.2.2电压、电位、电动势及其参考方向1.电压及其参考方向a，b两点间的电压在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功q0wwu=lim=qqababΔΔdΔdab)qΔΔWabμV式中，为由a点移动到b点的电荷量，单位为库仑，为移动过程中电荷所减少的能量，单位为焦耳(用字母J来表示)。在国际单位制中，电压的单位是伏特(简称伏，用字母V来表示)。常用的有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏()，abu2020/1/29电压的实际方向是使正电荷电位能减少的方向，当然也是电场力对正电荷做功的方向。即由高电位端指向低电位端，也即电位降低的方向。电路分析中也要规定电压的参考方向，即正方向。在参考方向选定之后，电压则有正负之分。Uab双下标正负极性+–abU箭标abRU电压参考方向表示方法2020/1/2911关联参考方向与非关联参考方向如果流过某元件电流的参考方向是从电压参考方向的正极性端指向负极性端，即电流电压的参考方向一致，则把这种参考方向称为关联参考方向；当流过某元件电流的参考方向是从电压参考方向的负极性端指向正极性端，即电流和电压的参考方向不一致时，称为非关联参考方向，IaU+-bIaU+-b关联参考方向非关联参考方向2020/1/29122.电位及其参考方向参考点就是我们假设的“零电位点”，“地电位点”，一般在电路里面用或符号表示。电路某点的电位就是这点到参考点的电压。电位用V表示，a点的电位用表示。有aaoVU有了电位概念以后，电路中任意两点间的电压等于这两点的电位差abaoobaoboabUUUUUVV电位的单位和电压一样，是伏特2020/1/2913电位的参考方向和电压的参考方向表示方法一样，主要用‘+’‘-’极性法和箭标法两种。因为我们已经假设参考点的电位为零，所以，如果某点的电位为正，说明此点的电位比地电位高，如果某点的电位为负，说明此点的电位比地电位低。2020/1/2914【例1.2.1】图所示电路中，已知U1=-10V，Uab=4V，试求：(1)Uac；并说明U1、Uab、Uac的实际方向。(2)分别以a点和c点作为参考点时，b点的电位和bc两点之间的电压Ubc。abR1cR2-+U1（2）以a点作为参考点，则Va=0以c点作为参考点，则Vc=0因为Uab=Va-Vb，所以因为Uac=Va-Vc，所以Vb=Va-Uab=0-4=-4(V)Va=Vc+Uac=0+10=10(V)Vc=Va-Uac=0-10=-10(V)Vb=Va-Uab=10-4=6(V)Ubc=Vb-Vc=-4-(-10)=6(V)Ubc=Vb-Vc=6-0=6(V)由以上计算可以看出，当以a点为参考点时，Vb=-4V；当以c点为参考点时，Vb=6V；但b点和c点之间的电压Ubc始终是6V。这说明电路中各点的电位值与参考点的选择有关，而任意两点间的电压与参考点的选择无关。【解】(1)Uac=-U1=-(-10)=10(V)，Uab、Uac电压是正的，说明实际方向与参考方向一致。U1电压是负的，说明实际方向与参考方向相反。2020/1/29152.电动势及其参考方向电源内部必须有一种力，能持续不断地把正电荷从电源的负极b(低电位处)移送到正极a(高电位处)，以保证电源两极间具有一恒定的电位差。电源内部的这种非电场力，叫做电源力在电源内部，电源力将单位正电荷从电源负极（a）移动到电源正极（b）所做的功，称为电源的电动势，用符号E（Eab）表示，电动势的单位和电压一样，也是伏特(V)电动势的实际方向和电压实际方向规定相反。2020/1/2916Eba双下标正负极性+–abE电动势参考方向表示方法UEUEE=UE=-U因为电动势的实际方向和电压实际方向规定相反，所以有2020/1/29171.2.3电功率和电能电源将其它形式的能转换成电能通过导线发出来，负载接收到这些能量，又把电能转换成其它形式的能，传递转换电能的速率叫电功率，简称功率，用P(直流时)或p(交流时)表示ddwpt功率的单位是瓦[特]，简称瓦(用字母W来表示)，1W1J/s功率的单位还有千瓦(kW)，毫瓦(mW)，微瓦(µW)2020/1/2918如果功率的单位是千瓦(kW)，时间的单位是小时(h)，电能的单位就是千瓦小时(kW·h)，1千瓦小时就是常说的1度电。361kWh10W36003.610(J)s电流电压的参考方向为关联参考方向时ddw=uqddddwqpuuItt电流电压的参考方向为非关联参考方向时PUI无论用哪个公式计算，若计算结果为P0,则表明该元件(或一段电路)确实是从外电路吸收能量，即消耗电能，那么这元件应该是负载；若P0，则表明该元件(或一段电路)实际上是向外电路提供能量，即发出功率的，这一元件(或一段电路)应该是电源2020/1/2919所有元件接收的功率的总和为零，即在电路里面任何时候电源发出的功率都等于负载得到的功率，这个结论叫做“电路的功率平衡’’。PUI21()WPtPttpui21()dttwptt在t1到t2时间段内，电压电流是关联参考方向时，该段电路或一个元件接收或发出的电能量为：交流时功率、能量用小写字母p、w表示：，直流时功率、能量用大写字母P、W表示：，2.电能2020/1/2920，、、II，图所示为直流电路，18VU24VU37VU45VU2AI-2AI，求（1）说明电流和的实际方向（2）各元件接收或发出的功率,,,.并验证电路是否功率平衡1P4P3P2P【例1.2.2】【解】（1）I为正，说明实际方向和参考方向一致；I’为负，说明实际方向和参考方向相反。1P（2）的电流电压参考方向相关联，故118216WPUI（为正，接收功率）2020/1/2921（2）的电流电压参考方向非相关联，故2P3P4P22(4)28WPUI337214WPUI445210WPUI（为正，接收功率）（为负，发出功率）（为负，发出功率）整个电路的功率为123416814100WPPPPP或  PP发收=1234PPPP故，功率平衡。2020/1/29221.2.4电器设备的额定值电气设备长时间连续工作的温度叫稳定温度，稳定温度正好等于最高允许温度时的电流称为该电气设备的额定电流，也就是电气设备长时间连续工作的最大允许电流，用符号IN表示。电路中电流达到电源或供电线的额定电流时，工作状态叫做“满载”；超过额定电流时，叫做“过载”；小于额定电流时，叫做“欠载”。能够使电气设备在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值叫电气设备的额定值。额定电压用符号UN表示，额定电功率用符号PN表示。负载的功率和电流的实际值决定于加在它上面的电压2020/1/29231.3电阻元件与欧姆定律1.电阻及电阻率导体或半导体对电流的这种阻碍作用，称为电阻作用。其电路模型可以用理想电路元件电阻元件来模拟，电阻元件简称为电阻,用符号R表示R电阻的单位是欧姆(Ω)电阻的倒数称为电导，也是表征材料导电能力的一个参数，用符号G表示。RG1电导大的电阻导电性能好，电导的单位为西门子(Siemens)，简称西，符号为S2020/1/2924SlR式中,.)m—金属导体的电阻率单位欧姆.米(ml—金属导体的长度单位为米（）2mS—金属导体的电阻率单位是平方米（）电阻率与材料的性质和温度有关，与尺寸无关。不同材料的电阻率是不同的，同一材料在不同温度下的电阻率也是不同的。但是，在一定温度下，对于同一种材料，其电阻率是常数。在一定温度下，对于同一种材料，其电阻率是常数。例如铜在温度为20℃时的电阻率为-60.0169102020/1/292521121()tt一般金属材料的电阻率随温度变化的规律可利用电阻率温度系数即温度升高1℃时,电阻率所变动的数值,单位为1/℃12tt、—环境温度单位℃1212tt、—环境温度为时的电阻率式中一般金属材料的电阻随温度变化的规律可利用电阻温度系数来表示，即温度升高1℃时，电阻所变动的数值，单位为1/℃。2020/1/292621211()RRtt12tt、—环境温度单位℃1212ttRR、—环境温度为时的电阻式中【例1.3.1】一铜线绕成的线圈，铜线截面积为21mm试求（1）这线圈在20℃时的电阻（2）如果其电阻温度系数为0.0041/℃，试问100℃时此线圈的阻值。【解】（1）6620000.01691033.8110lRS21121()33.833.80.0041100-2044.9RRRtt（）（2）U、I参考方向相同时，U、I参考方向相反时，RU+–IRU+–I表达式中有两套正负号：①式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；②U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。通常取U、I参考方向相同。U=IRU=–IR2.欧姆定律2020/1/2928元件的电流与电压的关系曲线叫做元件的伏安特性曲线，线性电阻元件的伏安特性为通过坐标原点的直线，如果电阻两端的电压U或流过电阻的电流I改变时，电阻的阻值也随之改变，这样的电阻称为非线性电阻，如二极管AIVU0OUI线性电阻半导体二极管的伏安特性2020/1/29293.电阻的功率当U、I是关联参考方向时，由功率公式和欧姆定律可知222=UUPUIUIRUGRR不管U、I参考方向是否相同，电阻元件的功率始终是正值，所以电阻元件是耗能元件，始终是负载。2020/1/2930在t0到t时间内，电阻元件产生的热［量］Q，也就是这段时间内接受的电能W为交流时：00022ttttttuQWpdtRidtdt