电路的基本概念与基本定律.ppt

第一章第一章 电路的基本概念电路的基本概念与基本定律与基本定律第一节第一节 电路与电路模型电路与电路模型一、电路 电路电路是人们在生产、生活中为了实现某种需求，把各种是人们在生产、生活中为了实现某种需求，把各种电气器件按一定的方式连接起来，所构成的电流流通路径电气器件按一定的方式连接起来，所构成的电流流通路径 电路由三部分电路由三部分组成组成：电源、负载和中间环节电源、负载和中间环节 电路的主要电路的主要作用作用：： 1.1.实现能量的转换、传输和分配实现能量的转换、传输和分配----------------如电力系统，如电力系统，庞大的电网从发电、输电、变电到配电，送到不同用户所在庞大的电网从发电、输电、变电到配电，送到不同用户所在地；地； 2. 2.实现信号的传递和处理实现信号的传递和处理，输入的信号叫激励（或信号，输入的信号叫激励（或信号源），输出的信号叫响应源），输出的信号叫响应------------如电视机能通过有线或无线如电视机能通过有线或无线的方式接收电视信号，然后进行转换处理并输出图像和声音的方式接收电视信号，然后进行转换处理并输出图像和声音。

电源电源：电源是把：电源是把其他形式能量转换成电能其他形式能量转换成电能的装置，如蓄电的装置，如蓄电 池、各种发电机等池、各种发电机等负载负载：所有的用电设备都可以被称为负载，它把：所有的用电设备都可以被称为负载，它把电能转换成电能转换成 其他形式的能量其他形式的能量，如电灯、电风扇、电动机等如电灯、电风扇、电动机等中间环节中间环节：是指：是指连接电源和负载连接电源和负载的部分，例如输电线、开关的部分，例如输电线、开关 等 二、电路模型二、电路模型 1 1．实际电路．实际电路 实际电路实际电路有的较简单，也有的相当复杂，影响电路的有的较简单，也有的相当复杂，影响电路的内外界因素也很多，当我们对实际电路进行分析时，常采用内外界因素也很多，当我们对实际电路进行分析时，常采用模型化模型化的方法，即首先建立实际电路的理想化电路模型，然的方法，即首先建立实际电路的理想化电路模型，然后对此后对此电路模型电路模型进行进行定量分析定量分析，从而得到与实际电路对应的，从而得到与实际电路对应的结论。

结论 2 2．电路模型．电路模型 在电路的分析计算时，通常要用一个在电路的分析计算时，通常要用一个假定的二端元件假定的二端元件来代替实际元件来代替实际元件，这个二端元件的电磁性质应该反映实际元，这个二端元件的电磁性质应该反映实际元件的电磁性质，这个假定的二端元件称为件的电磁性质，这个假定的二端元件称为理想电路元件理想电路元件 由理想电路元由理想电路元件组成的电路称为件组成的电路称为理想电路模型理想电路模型，简，简称称电路模型电路模型 把实际电路中把实际电路中的各种元件设备按的各种元件设备按其主要物理性质分其主要物理性质分别用一些理想电路别用一些理想电路元件来表示，构成元件来表示，构成的电路图就是电路的电路图就是电路模型如图所示：模型如图所示： 理想电路元件简称理想电路元件简称电路元件电路元件，如有电阻、电感、电容元，如有电阻、电感、电容元件、理想电压源、理想电流源等其中电阻元件、电感元件件、理想电压源、理想电流源等其中电阻元件、电感元件和电容元件均不产生能量，称为和电容元件均不产生能量，称为无源元件无源元件；理想电压源和理；理想电压源和理想电流源是电路中提供能量的元件，称为想电流源是电路中提供能量的元件，称为有源元件有源元件。

 第二节第二节 电路的主要物理量电路的主要物理量一、电流一、电流 1. 1.电流的定义电流的定义：在电场的作用下，电荷有规则的定向移动：在电场的作用下，电荷有规则的定向移动就形成电流就形成电流 2 2．．电流的大小电流的大小：引入电流强度概念来描述电流的大小，：引入电流强度概念来描述电流的大小，单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度 3 3．．电流的方向电流的方向：电流不仅有大小而且有方向，我们规定：电流不仅有大小而且有方向，我们规定正电荷运动的方向为电流的实际方向正电荷运动的方向为电流的实际方向电电流流实实际际方方向向与与参参考考方方向向 简单电路中，电流的实际方向容易判断，但在复杂简单电路中，电流的实际方向容易判断，但在复杂电路中，往往很难判断某支路中电流的实际方向为此，电路中，往往很难判断某支路中电流的实际方向为此，在分析与计算电路前，需要假定某一方向作为电流的正在分析与计算电路前，需要假定某一方向作为电流的正方向，称为方向，称为参考方向参考方向，所选的电流参考方向是任意设定，所选的电流参考方向是任意设定的，与电流的实际方向无关，的，与电流的实际方向无关， 选定了电流的参考方向，便可以进行电路的分析计选定了电流的参考方向，便可以进行电路的分析计算，算，当电流实际方向与参考方向一致时，计算出来的电当电流实际方向与参考方向一致时，计算出来的电流值为正；如果两者相反，则电流值为负流值为正；如果两者相反，则电流值为负。

 二、电压 1．．电压的定义电压的定义：电场力把单位正电荷：电场力把单位正电荷从从a a点移到点移到b b点所点所做的功定义为做的功定义为a a、、 b b两点间的电压，用两点间的电压，用uabuab（（UabUab）表示 2 2．．电压的方向电压的方向：：电压的方向则由起点指向终点，也可用电压的方向则由起点指向终点，也可用正负号表示或以箭头标明正负号表示或以箭头标明 3 3．．电压的单位电压的单位：库仑：库仑/ /焦耳焦耳= =伏特伏特关联参考方向关联参考方向非关联参考方向非关联参考方向 4 4．．电压、电流的关联参考方向电压、电流的关联参考方向：对某个具体元件，：对某个具体元件，电压参考极性和电流的参考方向取为一致时，称为关联参电压参考极性和电流的参考方向取为一致时，称为关联参考方向在分析电路和电功率的计算中很有意义在分析电路和电功率的计算中很有意义B点电位点电位：： 三、电位三、电位 电位的定义电位的定义：在电路中选定一个：在电路中选定一个参考点参考点（注意每次计算（注意每次计算只能选一个相对的参考点），只能选一个相对的参考点），取参考点的电位为零取参考点的电位为零电位，则电位，则电路中电路中某一点与参考点之间的电压某一点与参考点之间的电压就被称为这一点的电位。

就被称为这一点的电位 电位的单位电位的单位与电压相同与电压相同 如图，选如图，选O O为参考点，为参考点，A A点电位点电位：： 电位与电压关系的结论之一电位与电压关系的结论之一：如果已知两点的电位：如果已知两点的电位,则此则此两点间的电压等于它们的电位之差两点间的电压等于它们的电位之差 电位与电压关系的结论之二电位与电压关系的结论之二：电路中某一点的电位随参考：电路中某一点的电位随参考点（零电位点）选择的不同而不同但两点间的电压不变点（零电位点）选择的不同而不同但两点间的电压不变 电位概念在电子电路中的应用：简化电子线路电位概念在电子电路中的应用：简化电子线路！！ 四、电动势四、电动势 电动势是电动势是衡量外力即非电场力做功能力衡量外力即非电场力做功能力的物理量，电动的物理量，电动势越大，电源的能力越强势越大，电源的能力越强 电动势的定义：电动势的定义：外力克服电场力把单位正电荷从电源的外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极（负极（b b点）搬运到正极（点）搬运到正极（a a点）所做的功，称为点）所做的功，称为a a与与b b两点间两点间的电动势。

的电动势 电动势的方向电动势的方向：： 在电源内部，电动在电源内部，电动势的实际方向是正势的实际方向是正电荷所受外力的方电荷所受外力的方向，从低电位指向向，从低电位指向高电位 电动势的单位电动势的单位：：与电压相同与电压相同电源内部电源内部，，电压电压的实际的实际方向是正电方向是正电荷所受电场荷所受电场力的方向，力的方向，从高指向低从高指向低电位，故电位，故与与电动势方向电动势方向相反相反！！由于由于 , ,因此因此 电路消耗（或吸收）的功率电路消耗（或吸收）的功率P等于单位时间内电路消耗等于单位时间内电路消耗（或吸收）的能量或吸收）的能量 即即 功率的单位功率的单位为瓦特（为瓦特（Watt），）， 简称瓦（简称瓦（W） 五、电能和电功率五、电能和电功率 从从t t0 0到到t t的时间内，从的时间内，从a a到到b b点点电路元件吸收的电能电路元件吸收的电能可根可根据电压的定义（据电压的定义（a a、、 b b两点的电压在量值上等于电场力将单两点的电压在量值上等于电场力将单位正电荷由位正电荷由a a点移动到点移动到b b点时所做的功）求得，点时所做的功）求得， 即即第三节第三节 电路的三种状态电路的三种状态 电路有三种状态，分别是电路有三种状态，分别是空载空载（断路）状态、（断路）状态、短路短路状态状态和和有载有载（通路）工作状态。

通路）工作状态 一、空载状态一、空载状态 空载状态，就是空载状态，就是电源与负载没有构成闭合回路电源与负载没有构成闭合回路 二、短路状态二、短路状态 所谓短路，就是所谓短路，就是电源未经负载而直接连通电源未经负载而直接连通成闭合回路成闭合回路的情况 三、有载工作状态三、有载工作状态 电源与负载接成闭合回路电源与负载接成闭合回路，电路便处于有载（通路）工作，电路便处于有载（通路）工作状态 有载工作状态下，电源的端电压有载工作状态下，电源的端电压U U随输出电流随输出电流I I的变化的变化关系关系U =fU =f（（I I）称为）称为电源的外特性电源的外特性 外特性方程外特性方程：： 电压电压随电流随电流直线下直线下降，降， 斜率斜率与内阻与内阻有关外特性曲线：外特性曲线：第四节第四节 电压源和电流源及其等效变换电压源和电流源及其等效变换 实际电源的两种电路模型：电压源和电流源实际电源的两种电路模型：电压源和电流源 一、电压源一、电压源 将实际电源用将实际电源用电动势和电阻串联电动势和电阻串联来建模，即为来建模，即为电压源电压源。

在在R0=0R0=0的理想情况下的理想情况下，，电压源被称为电压源被称为恒压源恒压源或理想电或理想电压源压源 实际电源都会有内阻，如果电源的内阻远小于负载等实际电源都会有内阻，如果电源的内阻远小于负载等效电阻，即效电阻，即 ，可以将这个电源近似为恒压源可以将这个电源近似为恒压源电压源电压源理想电压源理想电压源伏安特性曲线伏安特性曲线电压源电压源理想电压源理想电压源 将电压源的外特性变形为将电压源的外特性变形为二、电流源二、电流源 可以发现：电源的可以发现：电源的输出电流等于一个恒定电流与一个可变输出电流等于一个恒定电流与一个可变电流的差电流的差恒定电流部分等于恒定电流部分等于电源的短路电流电源的短路电流，可变电流部分，可变电流部分可想象成可想象成输出电压在内阻上引起的电流输出电压在内阻上引起的电流 由此，由此，实际电源可实际电源可以用一个恒以用一个恒定电流和电定电流和电阻阻R0R0的并联的并联来建模 为为电流源电流源电流源 理想电流源理想电流源  当当 时电流源被称为时电流源被称为恒流源恒流源或理想电流源或理想电流源 的理的理想情况是不存在的，想情况是不存在的，如果实际电源的内如果实际电源的内阻阻 ，即，即可近似为恒流源。

可近似为恒流源电流源电流源理想电流源理想电流源伏安特性曲线伏安特性曲线电流源的电流源的开路电压开路电压电压电压源模型源模型电电流源模型流源模型 电流源模型与电压源模型的参数对比电流源模型与电压源模型的参数对比三、电压源与电流源的等效变换三、电压源与电流源的等效变换 一个实际的电源，既可以用理想电压源与内阻串联表一个实际的电源，既可以用理想电压源与内阻串联表示，示， 也可以用理想电流源与内阻并联来表示对于外电路也可以用理想电流源与内阻并联来表示对于外电路而言，而言， 如果电源的外特性相同，如果电源的外特性相同， 无论采用哪种模型来计算无论采用哪种模型来计算外电路上的电流、电压，结果都会相同外电路上的电流、电压，结果都会相同 对外电路而言，对外电路而言， 两种模型是可以等效变换的两种模型是可以等效变换的 利用电流源和电压源的等效变换，可以利用电流源和电压源的等效变换，可以化简和求解电路化简和求解电路 (1) (1) 把把电电压压源源变变换换为为电电流流源源时时，，电电流流源源中中I IS S的的大大小小等等于于原原电电压压源源的的短短路路电电流流 ，，方方向向与与原原电电压压源源的的电电动动势势箭箭头头方方向向相同电路形式由串联改并联，内阻大小不变。

相同电路形式由串联改并联，内阻大小不变 (2) (2) 把把电电流流源源变变换换为为电电压压源源时时，，电电压压源源中中E E的的大大小小等等于于原原电电流流源源的的开开路路电电压压 ，，方方向向与与原原电电流流源源方方向向相相同同，，电电路路形形式式由并联改串联，内阻大小不变由并联改串联，内阻大小不变 (3) (3) 电电压压源源与与电电流流源源的的等等效效变变换换只只能能对对外外电电路路等等效效，，对对内内电电路路不不等等效效等等效效变变换换对对电电源源内内电电阻阻上上的的电电流流、、电电压压及及功功率率计计算都不等效算都不等效 (4) (4) 理想电压源与理想电流源之间不能进行等效变换理想电压源与理想电流源之间不能进行等效变换  预备知识：预备知识： 1 1、支路：电路中任一、支路：电路中任一段不分叉的电路分支，称段不分叉的电路分支，称为支路 2 2、节点：三条或三条、节点：三条或三条以上支路的连接点称为节以上支路的连接点称为节点。

点 3 3、回路：电路中任一、回路：电路中任一闭合路径称为回路闭合路径称为回路 4 4、网孔：内部不包含、网孔：内部不包含支路的回路称为网孔支路的回路称为网孔基尔霍夫定律基尔霍夫定律电流定律电流定律电压定律电压定律支路：支路：BAFBAF、、BCDBCD、、BEBE节点：节点：B B、、E E回路：回路：ABEFAABEFA、、BCDEBBCDEB和和ABCDEFAABCDEFA网孔：网孔：ABEFAABEFA、、BCDEBBCDEB第五节第五节 基尔霍夫定律基尔霍夫定律  一、基尔霍夫电流定律（一、基尔霍夫电流定律（KCLKCL）） 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律简称简称KCLKCL，反映了电路中的节点所连接，反映了电路中的节点所连接的各支路电流之间的相互关系的各支路电流之间的相互关系 KCL KCL的基本内容：在任意时刻，的基本内容：在任意时刻，流入电路中任一节点的电流入电路中任一节点的电流之和恒等于流出该节点的电流之和流之和恒等于流出该节点的电流之和，， 即：即： ∑I ∑I入入=∑I=∑I出出 该定律说明电路中的该定律说明电路中的节点上不会发生电荷堆积节点上不会发生电荷堆积现象，反现象，反映了映了电流具有连续性电流具有连续性。

如将流入节点的电流前取正号，流出节点的电流前取负如将流入节点的电流前取正号，流出节点的电流前取负号，基尔霍夫电流定律也可写成号，基尔霍夫电流定律也可写成:∑I=0:∑I=0 应用上式时也可以约定流出为正、流入为负，等式依然应用上式时也可以约定流出为正、流入为负，等式依然成立其物理意义是：流入节点成立其物理意义是：流入节点B B的电流的代数和恒等于零的电流的代数和恒等于零对上图节点对上图节点B B列列KCLKCL方程：方程：对上图节点对上图节点E E列列KCLKCL方程：方程： ！！2 2个节电的电个节电的电路只能列出一个独路只能列出一个独立的立的KCLKCL方程！方程！ 左图中封闭面左图中封闭面 的的KCLKCL方程：方程： 基尔霍夫电流定律的基尔霍夫电流定律的结论结论：对一个具有：对一个具有m m个节点的电路，个节点的电路，只能列出（只能列出（m-1m-1）个独立的）个独立的KCLKCL方程 基尔霍夫电流定律的基尔霍夫电流定律的推广推广：对于包围几个节点的封闭：对于包围几个节点的封闭面，（广义节点），根据电流的连续原理，电路中面，（广义节点），根据电流的连续原理，电路中流入一流入一个封闭面的电流等于流出的电流个封闭面的电流等于流出的电流，即流入一个封闭面的电，即流入一个封闭面的电流代数和等于零。

流代数和等于零 二、基尔霍夫电压定律（二、基尔霍夫电压定律（KVLKVL）） 基尔霍夫电压定律简称基尔霍夫电压定律简称KVLKVL，反映了电路中的回路，反映了电路中的回路上各段电压之间的相互关系，上各段电压之间的相互关系， KVL KVL的的基本内容基本内容是是: : 在任一时刻，沿任一回路绕行在任一时刻，沿任一回路绕行一周，回路中所有一周，回路中所有电源电动势（电压升）的代数和等电源电动势（电压升）的代数和等于所有电阻电压降的代数和于所有电阻电压降的代数和，即，即 应用应用KVLKVL定律时，先假定绕行方向为顺时针或逆时定律时，先假定绕行方向为顺时针或逆时针，针，当电动势的方向与绕行方向一致当电动势的方向与绕行方向一致时，因沿回路方时，因沿回路方向电位升高，故该电动势取向电位升高，故该电动势取正号正号，反之取负号，反之取负号; ; 当电当电阻上的电流方向与回路绕行方向一致阻上的电流方向与回路绕行方向一致时，因沿回路方时，因沿回路方向电位降低，故该电阻上的电压降取向电位降低，故该电阻上的电压降取正号正号，， 反之取负反之取负号 仍对图仍对图 1-23电路列方程。

电路列方程 沿沿ABEFA回路，有回路，有沿沿BCDEB回路，有回路，有沿沿ABCDEFA回路，有回路，有 显然前两个方程相加可以得到第三个方程，因此，这显然前两个方程相加可以得到第三个方程，因此，这3个个回路中只有两个独立可用的电压方程回路中只有两个独立可用的电压方程 应用基尔霍夫电压定律的结论应用基尔霍夫电压定律的结论：对一个：对一个n条支路、条支路、m个节个节点点的电路，的电路，可以列出（可以列出（n- m +1）个独立的）个独立的KCL方程方程，一般，一般情况下以网孔作为回路列写即可，因为电路的情况下以网孔作为回路列写即可，因为电路的网孔数目恰好网孔数目恰好等于（等于（n- m +1））  应用基尔霍夫电压定律的应用基尔霍夫电压定律的推广推广：：KVLKVL可以应用于可以应用于开口电路开口电路，，列方程时只要将开口处的电压列入回路方程即可列方程时只要将开口处的电压列入回路方程即可 右图开口电路，可以假想有右图开口电路，可以假想有abcaabca回路，设顺时针方向绕行回路，设顺时针方向绕行 由此可得由此可得 KCL KCL是电路中任一节点处的支路电流必须服从的约束关系，是电路中任一节点处的支路电流必须服从的约束关系， 而而KVLKVL则是电路中任一回路上的各段电压必须服从的约束关系。

则是电路中任一回路上的各段电压必须服从的约束关系 定律仅与元件的连接方式有关，而与元件性质无关定律仅与元件的连接方式有关，而与元件性质无关 应用应用KVL, KVL, 有有 。