电工与电子技术基础教学课件第1章 电路的基本定律.pptx

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1、第第1章章 电路电路的基本定律的基本定律1.1 电路的基本概念电路的基本概念1.2 电路电路的基本定律的基本定律1.1.1 电路的组成电路的组成及及作用作用1.1 电路的基本概念电路的基本概念电电路路就就是是将将各各种种电电器器元元件件或或装装置置按按一一定定的的方方式式组组合合起起来来提提供供电电流流的的通通路路。一一个个完完整整的的电电路路是是由由电电源源、负负载载、中中间环节三个部分按一定方式组成的。间环节三个部分按一定方式组成的。在在一一简简单单照照明明电电路路中中，如如图图1-1所所示示，干干电电池池是是电电源源，是是把把非非电电能能转转化化为为电电能能的的装装置置，灯灯泡泡是是负负

2、载载，其其作作用用是是将将电电能能转转换换为为其其他他形形式式的的能能量量热热能能和和光光能能，导导线线和和开开关关为为中中间间环环节节，是是连连接接电电源源和和负载的部分，起传递、分配和控制电能的作用。负载的部分，起传递、分配和控制电能的作用。一般常把负载和中间环节组成的电路称为外电路，而把一般常把负载和中间环节组成的电路称为外电路，而把电源内部的电流通路称为内电路。电源内部的电流通路称为内电路。图图1-1照明电路照明电路1.1.2 电路的基本物理量及其参考方向电路的基本物理量及其参考方向1.电流电流带带电电粒子粒子的定向运动就形成了电流。的定向运动就形成了电流。（1）电流强度）电流强度单单

3、位位时时间间内内通通过过导导体体横横截截面面的的电电荷荷量量定定义义为为电电流流强强度度，简简称称为为电电流流，用用字字母母i（或或I）表表示示。若若电电流流不不随随时时间间而而变变，则则电流电流用大写字母用大写字母I表示。表示。在在国国际际单单位位制制（SI）中中，电电流流强强度度的的单单位位是是安安培培，简简称称安安，用用符符号号A表表示示。计计量量微微小小的的电电流流时时，还还可可以以用用毫毫安安（mA）、微微安安（A）为为单单位位。它它们们之之间间的的换换算算关关系系是是1A=103mA=106A。（2）电流的方向）电流的方向习习惯惯上上规规定定正正电电荷荷运运动动的的方方向向或或负负

4、电电荷荷运运动动的的相相反反方方向向为为电电流流的的流向，称其为电流的实际方向，在电路中流向，称其为电流的实际方向，在电路中用用虚虚线线箭头表示。箭头表示。但但在在对对电电路路进进行行分分析析与与计计算算时时，常常任任意意选选定定某某一一方方向向作作为为电电流流的的参考方向，也称为正方向，在电路中参考方向，也称为正方向，在电路中用用实实线线箭头表示。箭头表示。若若电电流流的的实实际际方方向向与与参参考考方方向向一一致致，则则电电流流为为正正值值，即即I(或或i)0；若若电电流流的的实实际际方方向向与与其其参参考考方方向向相相反反，则则电电流流为为负负值值即即I(或或i)0；当当电电压压的的参参

5、考考方方向向和和它它的的实实际际方方向向相相反反时时，电电压压为为负负值值U（或或u）0）。图图1-3（a）表表示示电电压压的的实实际际极极性性与与参参考考极极性性相相同同；图图1-3（b）表示电压的实际极性与参考极性相反。）表示电压的实际极性与参考极性相反。在在对对电电路路进进行行分分析析和和计计算算时时，原原则则上上电电压压和和电电流流参参考考方方向向的的指指定定是是任任意意的的。但但为为了了方方便便起起见见，一一般般都都将将元元件件上上的的电电压压和和电电流流的的参参考考方方向向取取为为一一致致，这这种种参参考考方方向向称称为为关关联联参参考考方方向向，否否则则为为非非关关联联参参考考方

6、方向，如图向，如图1-4所示。所示。图图1-3电压的参考方向电压的参考方向图图1-4关联参考方向与非关联参考方向关联参考方向与非关联参考方向3.电动势电动势非非电电场场力力把把单单位位正正电电荷荷在在电电源源内内部部由由低低电电位位端端移移到到高电位端所做的功，称为电动势，用字母高电位端所做的功，称为电动势，用字母e（或（或E）表示。）表示。电电动动势势的的实实际际方方向向在在电电源源内内部部由由低低电电位位指指向向高高电电位位，其其单位与电压的单位相同。单位与电压的单位相同。电电压压是是电电场场力力把把单单位位正正电电荷荷由由外外电电路路从从a点点移移到到b点点所所做做的的功功，由由高高电电

7、位位指指向向低低电电位位。电电动动势势是是非非电电场场力力在在电电源源内内部部把把单单位位正正电电荷荷克克服服电电场场力力，从从b点点移移到到a点点所所做做的的功，其方向是由低电位指向高电位，如图功，其方向是由低电位指向高电位，如图1-5所示。所示。图图1-5电压与电动势电压与电动势4.电功率电功率电电能能量量对对时时间间的的变变化化率率，也也就就是是电电场场力力在在单单位位时时间间内内所做的功，称为功率，用字母所做的功，称为功率，用字母P表示。表示。对对于于直直流流电电路路，电电源源功功率率PS表表示示电电源源在在单单位位时时间间内内输输出出的的电电能能。电电源源功功率率等等于于电电源源电电

8、动动势势与与通通过过电电源源的的电电流流的的乘积。乘积。功功率率的的单单位位是是瓦瓦特特，简简称称瓦瓦，用用字字母母W表表示示。换换算算关关系如下：系如下：1kW（千瓦）（千瓦）=103W；1W=103mW（毫瓦）（毫瓦）电电流流在在一一段段时时间间内内所所做做的的功功，称称为为电电能能。电电能能等等于于功功率率与与时时间间的的乘乘积积。电电能能的的单单位位是是焦焦耳耳，用用J表表示示，换换算算关关系为系为1度度电电就就是是功功率率为为1千千瓦瓦的的负负载载，在在1小小时时内内消消耗耗的的电电能能，即即1千瓦千瓦时（时（1kWh）。）。在在电电路路分分析析中中，不不仅仅需需要要计计算算元元件件

9、（或或某某部部分分电电路路）功功率率的的大大小小，有有时时还还要要判判断断该该元元件件（或或某某部部分分电电路路）是是产产生生功功率率还还是是消消耗耗功功率率。根根据据电电压压和和电电流流的的实实际际方方向向可可以以确确定电路元件的功率性质：定电路元件的功率性质：当当U和和I的的实实际际方方向向相相同同，即即电电流流从从“+”端端流流入入，从从“-”端端流流出出，则则该该元元件件（或或某某部部分分电电路路）是是消消耗耗（取取用用）功功率率，属负载性质。属负载性质。当当U和和I的的实实际际方方向向相相反反，即即电电流流从从“+”端端流流出出，从从“-”端端流流入入，则则该该元元件件（或或某某部部

10、分分电电路路）是是输输出出（提提供供）功率，属电源性质。功率，属电源性质。1.1.3 电路模型及理想电路元件电路模型及理想电路元件由由理理想想电电路路元元件件构构成成的的电电路路称称为为电电路路模模型型。基基本本的的理理想想电电路路元元件件有有理理想想电电阻阻元元件件、理理想想电电感感元元件件、理理想想电电容容元元件、理想电压源和理想电流源五种。件、理想电压源和理想电流源五种。电阻元件、电感元件、电容元件，具有负载性质。电阻元件、电感元件、电容元件，具有负载性质。电电压压源源的的特特点点是是具具有有恒恒定定的的电电动动势势，能能输输出出恒恒定定的的电电压，其端电压不随输出电流而变化；压，其端电

11、压不随输出电流而变化；电电流流源源的的特特点点是是输输出出恒恒定定的的电电流流，不不随随输输出出电电压压而而变变化。化。1.电阻元件电阻元件 元元件件端端电电压压和和流流过过的的电电流流之之间间的的关关系系，称称为为元元件件的的伏伏安安特特性性。在在关关联联参参考考方方向向下下，电电阻阻元元件件的的伏伏安安特特性性为为u=Ri。在在电电阻阻元元件件的的伏伏安安特特性性图图中中是是一一条条过过原原点点的的直直线线，直直线的斜率与电阻线的斜率与电阻R成正比，如图成正比，如图1-6所示。所示。通通常常把把伏伏安安特特性性为为直直线线的的电电阻阻称称为为线线性性电电阻阻。在在SI中中，电阻的单位是欧姆

12、，用电阻的单位是欧姆，用表示。电阻元件消耗的功率为表示。电阻元件消耗的功率为图图1-6电阻元件及伏安特性电阻元件及伏安特性2.电感元件电感元件当当电电感感线线圈圈中中通通过过电电流流后后，将将产产生生磁磁通通，在在其其内内部部及及周围建立磁场，储存能量。根据电磁感应定律，有周围建立磁场，储存能量。根据电磁感应定律，有比比率率系系数数L为为自自感感（系系数数）或或电电感感。线线性性电电感感元元件件的的电电路路电电感感元元件件两两端端的的电电压压，与与它它的的电电流流对对时时间间的的变变化化率率成成正正比比，图形符号图形符号如图如图1-7所示。所示。当当电电感感元元件件中中流流过过直直流流电电流流

13、时时，电电感感元元件件相相当当于于短短路路。在在SI中，电感的单位是亨利，简称亨，用中，电感的单位是亨利，简称亨，用H表示。表示。图图1-7电感元件图形符号电感元件图形符号3.电容元件电容元件电容元件的图形符号如图电容元件的图形符号如图1-8所示。所示。电容器电容器极板上储存的电量极板上储存的电量q与两端的电压与两端的电压u之间关系为之间关系为，比比例例系系数数C称称为为电电容容。在在SI中中，电电容容的的单单位位是是法法拉拉，简简称称法法，用用F表表示示，换换算算关关系系为为1F=106F=1012pF。当当电电压压、电流的参考方向为关联参考方向时，则有电流的参考方向为关联参考方向时，则有当

14、当电电压压为为直直流流电电压压时时，电电容容相相当当于于开开路路。电电容容元元件件储储存存的的能量为能量为图图1-8电容元件图形符号电容元件图形符号4.理想电压源理想电压源无无论论流流过过多多大大电电流流，都都能能提提供供恒恒定定电电压压的的电电路路元元件件称称为为理理想想电电压压源源，简简称称电电压压源源。它它相相当当于于一一个个只只产产生生电电压压而而没没有有内内部部能能量量损损耗耗的的电电源源。理理想想电电压压源源的的图图形形符符号号及及伏伏安安特特性性曲曲线线如如下下图图所所示示，其其伏伏安安特特性性曲曲线线是是一一条条平平行行电电流流轴轴的直线。的直线。理理想想电电压压源源实实际际上

15、上并并不不存存在在，但但如如果果电电压压源源的的内内电电阻阻远远小小于于负负载载电电阻阻，则则其其端端电电压压基基本本恒恒定定，就就可可以以忽忽略略内内阻阻的影响，认为是一个理想电压源。的影响，认为是一个理想电压源。图图1-9理想电压源图形符号及伏安特性曲线理想电压源图形符号及伏安特性曲线5.理想电流源理想电流源在在电电路路中中，无无论论其其端端电电压压是是多多少少，都都能能提提供供恒恒定定电电流流的的电电路路元元件件称称为为理理想想电电流流源源，简简称称电电流流源源。至至于于它它的的端端电电压压U，则则由由与与之之相相连连接接的的外外电电路路决决定定。理理想想电电流流源源图图形形符符号号及及

16、伏伏安安特特性性曲曲线线如如图图1-10所所示示，其其伏伏安安特特性性曲曲线线为为一一条条平行电压轴的直线。平行电压轴的直线。图图1-10理想电压源图形符号及伏安特性曲线理想电压源图形符号及伏安特性曲线1.1.4 电路的工作状态电路的工作状态电路有有载、开路和短路三种基本工作状态。电路有有载、开路和短路三种基本工作状态。1.有有载工作状态载工作状态在在图图1-11所所示示电电路路中中，当当开开关关S闭闭合合后后，电电源源与与负负载载接接通通，有有电电流流流流过过负负载载RL，这这种种状状态态称称为为电电路路的的有有载载工工作作状状态，或称之为负载状态。态，或称之为负载状态。图图1-11理想电流

17、源图形符号及伏安特性曲线理想电流源图形符号及伏安特性曲线2.开路状态开路状态开开路路状状态态又又称称断断路路状状态态或或空空载载状状态态。在在图图1-12所所示示电电路路中中，当当开开关关S打打开开时时，电电路路处处于于开开路路状状态态。开开路路时时外外电电路的电阻对电源来说等于无穷大，电路中的电流等于零。路的电阻对电源来说等于无穷大，电路中的电流等于零。电电源源的的端端电电压压称称为为开开路路电电压压或或空空载载电电压压，在在数数值值上上等等于电源的电压，即于电源的电压，即电路不输出功率电路不输出功率，即，即图图1-12空空载载工作状态工作状态3.短短路状态路状态如如果果由由于于某某种种原原

18、因因使使电电源源的的两两端端直直接接连连接接在在一一起起，则则称电源被短路，如图称电源被短路，如图1-13所示。所示。此此时时的的电电流流称称为为短短路路电电流流，用用表表示示，即即。电电源源短短路路时时，负负载载的的端端电电压压。电电源源对对外外输输出出的的功功率率和和负负载载所所吸吸收收的的功功率率均均为为零零，电电源源产产生生的的功功率率全全部部消消耗耗在在内内阻阻上，上，即即。短短路路通通常常是是一一种种严严重重的的事事故故状状态态，应应该该尽尽力力预预防防和和避避免。免。图图1-13短路状态短路状态1.1.5 电位的概念与计算电位的概念与计算电电位位是是度度量量电电路路中中各各点点所

19、所具具有有的的电电位位能能的的物物理理量量，它它必必须须是是相相对对于于某某个个特特定定的的参参考考点点而而言言的的。某某点点的的电电位位在在数数值值上上等等于于电电场场力力将将单单位位正电荷从该点移到参考点所做的功。正电荷从该点移到参考点所做的功。参考点的电位值一般设为零，因此也称为零电位点。参考点的电位值一般设为零，因此也称为零电位点。电电路路中中任任意意一一点点的的电电位位就就是是该该点点与与参参考考点点之之间间的的电电压压，而而电电路路中中任意两点之间的电压则等于这两点的电位之差。任意两点之间的电压则等于这两点的电位之差。零零电电位位参参考考点点可可以以任任意意选选定定，它它只只是是作

20、作为为一一个个电电位位比比较较标标准准。在在工工程程上上，把把大大地地作作为为零零电电位位参参考考点点；在在电电子子技技术术中中，以以机机壳壳或或导导线线汇汇交点作为零电位参考点。交点作为零电位参考点。设设，若将若将D点设为参考点点设为参考点见图见图1-14(a)，则各点的电位值，则各点的电位值 若若将将B点作为参考点点作为参考点见图见图1-14(b)，则各点的电位值，则各点的电位值 选择不同参考点，各点的电位值变了，但任意两点间的选择不同参考点，各点的电位值变了，但任意两点间的电压是不变的。电压是不变的。1.2.1 欧姆定律欧姆定律1.2 电路的基本定律电路的基本定律流流过过电电阻阻的的电电

21、流流与与电电阻阻两两端端的的电电压压成成正正比比，这这就就是是欧欧姆姆定定律律。当当电电压压和和电电流流为为关关联联参参考考方方向向时时，如如图图1-15所所示示，电路的欧姆定律的表达式为电路的欧姆定律的表达式为图图1-15 电压与电流之间的关系电压与电流之间的关系1.2.2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律基基尔尔霍霍夫夫定定律律包包含含有有两两条条定定律律：一一条条是是研研究究电电路路中中相相关关支支路路电电流流之之间间关关系系的的基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律；另另一一条条是是研研究究电电路路中中各各支支路路电电压压之之间间关关系系的的基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律。首首先先介介绍绍几个基本

22、概念：几个基本概念：（1）支支路路：电电路路中中的的每每一一分分支支称称为为支支路路，一一条条支支路路流流过过同同一一个个电电流流。如图如图1-16中的三条支路，即中的三条支路，即adc、ac和和abc。（2）节节点点：电电路路中中三三条条或或三三条条以以上上的的支支路路相相联联接接点点称称为为节节点点。在在右右图图共有两个节点，即共有两个节点，即a和和c。（3）回回路路：由由一一条条或或多多条条支支路路所所组组成成的的闭闭合合路路径径称称为为回回路路。在在右右图图中中共有三个回路，共有三个回路，即即abca、acda和和abcda。（4）网网孔孔：未未被被其其它它支支路路分分割割的的回回路路

23、称称为为网网孔孔。在在右右图图所所示示电电路路中中共共有两个网孔，即有两个网孔，即abca、acda。1.基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCL）基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律律指指出出：在在任任一一瞬瞬时时，对对于于任任一一节节点点，流流入入节节点点的电流之和必定等于流出该节点的电流之和，用数学表达式表示为的电流之和必定等于流出该节点的电流之和，用数学表达式表示为 这这里里的的代代数数和和是是按按照照事事先先规规定定的的电电流流方方向向决决定定的的，例例如如，若若流流入入节节点点的的电电流流取取“正正”，则则流流出出节节点点的的电电流流取取“负负”。基基尔尔霍霍夫夫电电流流定定律也可以推

24、广应用于电路中任何一个假定的闭合面，如图律也可以推广应用于电路中任何一个假定的闭合面，如图1-17所示。所示。基尔霍夫电流定律又可表述为：在任一瞬时，流入任一个节点电基尔霍夫电流定律又可表述为：在任一瞬时，流入任一个节点电流的代数和恒等于零，即流的代数和恒等于零，即 在任一瞬间，通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零，在任一瞬间，通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零，即即 。图图1-17KCL关于广义节点关于广义节点2.基尔霍夫基尔霍夫电电压压定律定律（KVL）基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律指指出出：在在电电路路中中任任何何时时刻刻，沿沿任任一一回回路路循循行行一一周，所有支路的电压降的代

25、数和等于零，用数学表达式表示为周，所有支路的电压降的代数和等于零，用数学表达式表示为在在电电路路的的某某一一回回路路中中应应用用KVL时时，必必须须首首先先假假定定各各支支路路的的电电压压参参考考方方向向，并并指指定定该该回回路路的的循循行行方方向向（顺顺时时针针或或逆逆时时针针），若若支支路路电电压压与回路方向一致时取与回路方向一致时取“+”，相反时则取，相反时则取“-”。基基尔尔霍霍夫夫电电压压定定律律对对于于开开口口电电路路也也同同样样适适用用，在在列列电电压压方方程程时时，需需要要注注意意开开口口处处电电压压方方向向。基基尔尔霍霍夫夫定定律律对对由由各各种种不不同同元元件件所所构构成成

26、的的电电路路都都是是适适用用的的。另另外外，这这两两个个定定律律对对于于任任何何变变动动的的电电压压和和电电流流也也同同样适用样适用。例例1-1图图1-18所示电路中，已知所示电路中，已知，试求试求电阻电阻两端的两端的电压电压。解解：各各支支路路电电流流和和电电压压的的参参考考方方向向如如图图所所示示。根根据据欧欧姆姆定定律律和和KVL、KCL有有回路回路1：回路回路2：节点节点a：将各元件参数代入上式，得将各元件参数代入上式，得例例1-2试试求图求图1-19所示电路的开口电压所示电路的开口电压。解解：首先指定各回路的绕行方向均为逆时针首先指定各回路的绕行方向均为逆时针：在回路在回路cdef中，根据中，根据KVL，有，有，解得，解得。在回路在回路abdefca中，根据中，根据KVL，有，有可得可得。