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第 1章 电路的基本概念与基本定律
1.1 电路的作用与组成部分
1.2 电路模型
1.3 电压和电流的参考方向
1.4 欧姆定律
1.5 电源有载工作、开路与短路
1.6 基尔霍夫定律
1.7 电路中电位的概念及计算
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本章要求,
1.理解电压与电流参考方向的意义;
2,理解电路的基本定律并能正确应用;
3,了解电路的有载工作、开路与短路状态,
理解电功率和额定值的意义;
4,会计算电路中各点的电位。
第 1章 电路的基本概念与基本定律
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1.1 电路的作用与组成部分
(1) 实现电能的传输、分配与转换
(2)实现信号的传递与处理



扬声器话筒
1,电路的作用
电路是电流的通路,是为了某种需要由电工设备
或电路元件按一定方式组合而成。
发电机 升压变压器 降压变压器
电灯
电动机
电炉
...
输电线
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2,电路的 组成部分
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
发电机 升压变压器 降压变压器
电灯
电动机
电炉
...
输电线
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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
2.电路的 组成部分



扬声器话筒
电源或信号源的电压或电流称为激励,它推动电路
工作;由激励所产生的电压和电流称为响应。
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1,2 电路模型
手电筒的电路模型
为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路
模型化,用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其
组合来模拟实际电路中的器件,从而构成与实际电路
相对应的电路模型。
例:手电筒 R
+
Ro
E–
S
+
U

I
电池 导线 灯泡
开关
手电筒由电池、灯
泡、开关和筒体组成。
理想电路元件主要有
电阻元件、电感元件、
电容元件和电源元件等。
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手电筒的电路模型
R
+
Ro
E–
S
+
U

I
电池 导线 灯泡
开关
电池 是电源元件,其
参数为电动势 E 和内阻
Ro;
灯泡 主要具有消耗电能
的性质,是电阻元件,其
参数为电阻 R;
筒体 用来连接电池和灯
泡,其电阻忽略不计,认
为是无电阻的理想导体。
开关 用来控制电路的通
断。
今后分析的都是指电
路模型,简称电路。在
电路图中,各种电路元
件都用规定的图形符号
表示。
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1.3 电压和电流的参考方向
物理中对基本物理量规定的方向
1,电路基本物理量的实际方向
物理量 实 际 方 向
电流 I 正电荷运动的方向
电动势 E (电位升高的方向 )
电压 U (电位降低的方向 )高电位 ? 低电位
单 位
kA, A,mA、
μA
低电位 ? 高电位
kV, V,mV、
μV
kV, V,mV、
μV
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(2) 参考方向的表示方法
电流:
Uab双下标
电压:
(1) 参考方向 I
E
+
_
在分析与计算电路时,对
电量任意假定的方向。
Iab双下标
2,电路基本物理量的参考方向
a
R
b
箭 标 a b
R
I
正负极性 +

a b
U
U
+
_
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实际方向与参考方向 一致,电流 (或电压 )值为 正值 ;
实际方向与参考方向 相反,电流 (或电压 )值为 负值 。
(3) 实际方向与 参考方向的关系
注意:
在参考方向选定后,电流 ( 或电压 ) 值才有正负
之分。
若 I = 5A,则电流从 a 流向 b;例:
若 I = –5A,则电流从 b 流向 a 。a bR
I
a bR
U+ –
若 U = 5V,则电压的实际方向
从 a 指向 b;
若 U= –5V,则电压的实际方向
从 b 指向 a 。
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1.4 欧姆定律
U,I 参考方向相同时,U,I 参考方向相反时,
RU
+

I RU
+

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;
② U,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 = I R U = – IR
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解,对图 (a)有,U = IR
例,应用欧姆定律对下图电路列出式子,并求电阻 R。
对图 (b)有,U = – IR
Ω326, ??? IUR所以
Ω326,?????? IUR所以
RU6V
+

2A R
+

U
6V
I
(a) (b)
I
–2A
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电路端电压与电流的关系称为伏安特性。
遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻,它表示该段
电路电压与电流的比值为常数。
I/A
U/Vo
线性电阻的伏安特性
线性电阻的概念:
常数即,?? IUR
线性电阻的伏安特性
是一条过原点的直线。
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1.5 电源有载工作、开路与短路
开关闭合,接通
电源与负载
RR
EI
?
?
0
负载端电压U = IR
特征,
1.5.1 电源有载工作 I
R0 R
?
?E U
?
? I
① 电流的大小由负载决定。
② 在电源有内阻时,I ?? U ?。
或 U = E – IR0
电源的外特性EU
I0
当 R0<<R 时,则 U ? E,表明
当负载变化时,电源的端电压变
化不大,即带负载能力强。
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开关闭合,接通
电源与负载。
RR
EI
?
?
0
负载端电压U = IR
特征,
1.5.1 电源有载工作
① 电流的大小由负载决定。
② 在电源有内阻时,I ?? U ?。
或 U = E – IRo
UI = EI – I2RoP = PE – ? P
负载
取用
功率
电源
产生
功率
内阻
消耗
功率
③ 电源输出的功率由负载决定。
负载大小的概念,
负载增加指负载取用的
电流和功率增加 (电压一定 )。
I
R0 R
?
?E U
?
? I
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电源与负载的判别
U,I 参考方向不同,P = UI ? 0,电源 ;
P = UI ? 0,负载 。
U,I 参考方向相同,P =UI ? 0,负载 ;
P = UI ? 0,电源 。
1,根据 U,I 的 实际方向判别
2,根据 U,I 的 参考方向判别
电源:
U,I 实际方向相反,即电流从,+” 端流出,
(发出功率) ;负载:
U,I 实际方向相同,即电流从,-” 端流出。
(吸收功率) 。
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电气设备的额定值
额定值, 电气设备在正常运行时的规定使用值
电气设备的三种运行状态
欠载 (轻载 ),I < IN, P < PN (不经济 )
过载 (超载 ),I > IN, P > PN (设备易损坏 )
额定工作状态,I = IN, P = PN
(经济合理安全可靠 )
1,额定值反映电气设备的使用安全性;
2,额定值表示电气设备的使用能力。
例,灯泡,UN = 220V, PN = 60W
电阻,RN = 100?,PN =1 W
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特征,
开关 断开
1.5.2 电源开路
I = 0
电源端电压 ( 开路电压 )
负载功率
U = U0 = E
P = 0
1,开路处的电流等于零;
I = 0
2,开路处的电压 U 视电路情况而定。
电路中某处断开时的特征,
I +

U




I
Ro R
?
?E U0
?
?
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电源外部端子被短接
1.5.3 电源短路
特征,
0
S R
EII ??
电源端电压
负载功率
电源产生的能量全被内阻消耗掉
短路电流(很大)
U = 0
PE = ?P = I2R0
P = 0
1,短路处的电压等于零;
U = 0
2,短路处的电流 I 视电路情况而定。
电路中某处短路时的特征, I +
–U




I
R0 R
?
?E U0
?
?
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1,6 基尔霍夫定律
支路,电路中的每一个分支。
一条支路流过一个电流,称为支路电流。
结点,三条或三条以上支路的联接点。
回路,由支路组成的闭合路径。
网孔,内部不含支路的回路。
I1 I2
I3
b
a
?
?
E2
R2?
?
R3
R1
E1 1 2
3
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例 1,支路,ab,bc,ca,…
(共 6条)
回路,abda,abca、
adbca …
(共 7 个)
结点, a,b,c,d
(共 4个)
网孔,abd,abc,bcd
(共 3 个)
a
d
b
c
E –+
G
I2
I4
IG
I1
I3
I
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1.6.1 基尔霍夫电流定律 (KCL定律 )
1.定律
即, ?I 入 =?I 出
在任一瞬间,流向任一结点的电流等于流出该结
点的电流。
?实质, 电流连续性的体现。
或, ?I = 0I1 I2
I3
b
a
?
? E2
R2?
? R3
R1
E1
对结点 a,I1+I2 = I3
或 I1+I2–I3= 0
基尔霍夫电流定律 ( KCL) 反映了电路中任一
结点处各支路电流间相互制约的关系。
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电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一
假设的闭合面。
2.推广
I =?例, 广义结点
I = 0I
A + IB + IC = 0
A
B C
IA
IB
IC
2? +_+_
I
5? 1? 1? 5?6V 12V
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在任一瞬间,沿任一回路循行方向,回路中各
段电压的代数和恒等于零。
1.6.2 基尔霍夫电压定律( KVL定律 )
1,定律
即,? U = 0
在任一瞬间,从回路中任一点出发,沿回路循行
一周,则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。
对回路 1:
对回路 2:
E1 = I1 R1 +I3 R3
I2 R2+I3 R3=E2
或 I1 R1 +I3 R3 –E1 = 0
或 I2 R2+I3 R3 –E2 = 0
I1 I2
I3
b
a
?
? E2
R2?
? R3
R1
E1 1 2
基尔霍夫电压定律 ( KVL) 反映了电路中任一
回路中各段电压间相互制约的关系。
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1.列方程前 标注 回路循行方向;
电位升 = 电位降
E2 =UBE + I2R2
? U = 0
I2R2 – E2 + UBE = 0
2.应用 ? U = 0列方程时, 项前符号的确定:
如果规定电位降取正号,则电位升就取负号。
3,开口电压可按回路处理
注意:
1
对回路 1:
E1
UBE
E
+
B
+

R1
+

E2
R2 I
2 _
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例:
对网孔 abda:
对网孔 acba:
对网孔 bcdb:
R6 I6 R6 – I3 R3 +I1 R1 = 0
I2 R2 –I4 R4 – I6 R6 = 0
I4 R4 + I3 R3 –E = 0
对回路 adbca,沿逆时针方向循行,
– I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 – I2 R2 = 0
应用 ? U = 0列方程
对回路 cadc,沿逆时针方向循行,
– I2 R2 – I1 R1 + E = 0
a
d
b
c
E –+
I2
I4
I6
I1
I3
I
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1.7 电路中电位的概念及计算
电位:电路中某点至参考点的电压,记为,VX”。
通常设参考点的电位为零。
1,电位的概念
电位的计算步骤,
(1) 任选电路中某一点为参考点,设其电位为零;
(2) 标出各电流参考方向并计算;
(3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 。
某点电位为正,说明该点电位比参考点高;
某点电位为负,说明该点电位比参考点低。
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2,举例
求图示电路中
各点的电位,Va、
Vb,Vc,Vd 。
解:
设 a为参考点,即 Va=0V
Vb=Uba= –10× 6= ?60V
Vc=Uca = 4× 20 = 80 V
Vd =Uda= 6× 5 = 30 V
设 b为参考点,即 Vb=0V
Va = Uab=10× 6 = 60 V
Vc = Ucb = E1 = 140 V
Vd = Udb =E2 = 90 V
b
ac 20?
4A
6? 10A E290V
?
??
E1
140V
5?
6A ?
??
d
Uab = 10× 6 = 60 V
Ucb = E1 = 140 V
Udb = E2 = 90 V
Uab = 10× 6 = 60 V
Ucb = E1 = 140 V
Udb = E2 = 90 V
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结论:
(1)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;
(2) 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。
? 借助电位的概念可以简化电路作图
b
c a20?
4A
6? 10A E290V
?
??
E1
140V
5?
6A ?
??
d +90V
20? 5?
+140V
6?
c d
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例 1,图示电路,计算开关 S 断开和闭合时 A点
的电位 VA
解, (1)当开关 S断开时
(2) 当开关闭合时,电路
如图( b)
电流 I2 = 0,
电位 VA = 0V 。
电流 I1 = I2 = 0,
电位 VA = 6V 。
电流在闭合
路径中流通
2K?
A+
I1
2k?
I2
–6V
(b)
2k?
+6V
A
2k?
S I
2
I1
(a)
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例 2,电路如下图所示,(1) 零电位参考点在哪里?
画电路图表示出来。 (2) 当电位器 RP的滑动触点向
下滑动时,A,B两点的电位增高了还是降低了?
A
+12V
–12V
B
RP
R1
R2
12V
??–
12V
? ?–
B
A
RP
R2
R1I
解:( 1)电路如左图,
零电位参考点为 +12V
电源的,–”端与 –12V
电源的,+”端的联接处。
当电位器 RP的滑动触点向下滑动时,回路中的电
流 I 减小,所以 A电位增高,B点电位降低。
( 2) VA = – IR1 +12
VB = IR2 – 12