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1、电 工 基 础,主编 李 梅,高等职业教育示范专业规划教材（电气工程及自动化类专业）,ISBN 7-111-16604-3/TM.1376(课),目 录,第1章 电路的基本概念和定理 第2章 电路的等效变换 第3章 线性电路的基本分析 方法和定理 第4章 一阶动态电路的过渡过程 第5章 正弦交流电路 第6章 三相交流电路 第7章 互感电路 第8章 非正弦周期电流电路 第9章 二端口网络 第10章 磁路和铁心线圈电路 第11章 电路的计算机辅助设计,第1章 电路的基本概念和基本定律,进入,本章重点介绍了电路的基本概念和基本定律，并讨论了电阻元件和独立电源的基本特性，同时介绍了电源的开路、短路和有
2、载三种工作状态。 本章所介绍的基本概念有：电路、电路模型、电路元件；基本物理量有：电流、电压、电功率；基本元件有：电阻、电压源、电流源；基本定律有：欧姆定律、基尔霍夫定律。,1.1 实际电路与电路模型,1.2 电路的基本物理量,1.3 电能与电功率,1.4 电阻元件,1.5 电压源和电流源,1.6 基尔霍夫定律,1.7 电源的三种状态,1.1 实际电路与电路模型,1.1.1 实际电路 电路是电流的通路。它是由若干个实际的电器装置或电器元件，根据某些特定的需要，按一定的方式组合起来的。如图1-1所示的手电筒电路是由电池、灯泡及导电的电筒组成的简单照明电路。 实际电路的结构形式和所具有的功能是多种
3、多样的。根据电路的功能可将电路分为两大类：一类是实现能量的传输与转换；另一类是进行信号的传递与处理。 图1-1 是一个手电筒电路示意图，它是将电能经过导线的传输，送到灯泡，使灯泡发光，实现能量转换。,图1-2 是一个较为复杂的电力系统电路示意图。它是将发电机发出的电能经升压变压器、输电线、降压变压器传送到电动机、电灯或其他用电设备。尽管电路比较复杂，但它的功能仍是进行能量的传输与转换。,图1-3 是一个扩音机电路。话筒将接收到的声音信号转换成电信号输出，再经放大器将电信号放大后送到扬声器，扬声器将电信号转换为声音信号输出。这种将信号进行转换和放大就称为信号的处理。,由以上电路的组成可以看出，尽
4、管电路的形式不同，功能各异，但它们都是由电源、负载和中间环节三部分组成的，如图1-2和图1-3所示。,电源电源是提供电能的装置。如电池、发电机、信号源等。 负载负载是取用电能并将其转换为其它形式能量的装置。如电灯、电动机、电炉、扬声器等。 中间环节中间环节是传输、控制电能或信号的部分，它是连接电源和负载的。如连接导线、控制电器、保护电器、放大器等。,由此可知：,1.1.2 电路模型 实际电路中的器件，在工作时所发生的物理现象是很复杂的。例如一个实际的线绕电阻器有电流通过时，它除了对电流呈现阻力之外，还在导线周围产生磁场，因而兼有电感的性质；在线匝之间会存在电场，因而又兼有电容的性质。又如连接导
5、线总有一点电阻，甚至还有电感和电容。所以直接对由实际器件和设备组成的电路进行分析和研究，往往是很困难的，有时甚至是不可能的。为了便于对电路进行分析计算，常常将实际器件加以理想化，即忽略它的次要性质，用一个足以表征其主要物理性质的“模型”（或称理想元件）来表示。 由理想元件组成的足以表征实际电路物理性质的电路称为电路模型。电路模型具有以下特点：首先每一种电路模型所反映的物理性质可以用数学表达式精确地描述；其次任何一个实际器件中所发生的物理现象都可用各种电路模型的适当组合来表示。 理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件、独立电源与受控源等。,电阻元件是一种只表示消耗电能并将其转换为热能或其
6、他能量的元件，用R表示，图形符号如图1-4a所示。 电感元件是一种只表示储存磁场能量的元件，用L表示，图形符号如图1-4b所示。 电容元件是一种只表示储存电场能量的元件，用C表示，图形符号如图1-4c所示。 理想电压源是一种表示电压恒定或是一个确定的时间函数、其内阻为零的独立电源元件，图形符号如图1-4d 所示。 理想电流源是一种表示电流恒定或是一个确定的时间函数、其内电阻为无穷大的独立电源元件，图形符号如图1-4e所示。,图1-4 理想电路元件,引入了电路模型，那么图1-1所示的实际电路就可以用相应的电路模型来表示，如图1-5所示，图中连接导线是理想导体，它的内电阻是忽略不计的，视为零。 应
7、当指出的是，由于人们对实际电路的物理性质的侧重点不同，以及对实际电路分析计算所要求的精确度不同，所以同一个实际电路可能会有不同的电路模型。本课程所研究的对象是电路模型，而不是实际电路。以后在叙述中将理想电路模型简称电路，将理想元件简称为元件。,返回,图1-5 手电筒的电路模型,1.2 电路的基本物理量 电流和电压是电路的基本物理量。电路分析的任务就是根据电路的基本性质和定理列写电路方程，计算电路中的电流、电压或电功率等。所以，在分析讨论电路之前，必须理解和掌握这些物理量。 1.2.1 电流 在电场的作用下，电荷有规则的移动形成电流。为了表示电流的强弱，我们引入电流强度这个物理量。电流强度，简称
8、电流，用表示，它在数值上等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，即 （1-1）,当电流的大小和方向不随时间变化时称为直流电流，此时公式1-1可以用式(1-2) 表示，即 （1-2）,式中 Q(q)的单位是库仑（C）；t的单位是秒（s）；I的单位是安培（A）。电流的单位还有千安（kA）、毫安（mA）和微安（uA），它们的关系是 ； ； 。,电流不仅有大小，而且有方向。习惯上规定：正电荷的运动方向为电流的实际方向。 在直流电路中，某些支路电流的实际方向很容易判定，如图1-6中的R1支路，但一些支路的电流实际方向很难确定，如RX支路，因此，引入“电流参考方向”这个概念。,图1-6 桥式电路模型,在
9、电路中，我们可以沿连接导线任意选定一个方向作为电流的参考方向，用箭头表示，如图1-6和1-7所示。确定了参考方向后，电流就成为一个代数量。当电流为正值（I0）时，则表明电流的实际方向与参考方向相同；当电流为负值（I0）时，则表明电流的实际方向与参考方向相反。如图1-7所示。因此，电路中的电流，在选定的参考方向下，由计算得出的电流的正负值就能确定电流的实际方向。显然，在未选定电流参考方向下，电流的正负值是毫无意义的。,图1-7 电路的参考方向和实际方向间的关系,1.2.2 电压 电路中的另一个基本物理量就是电压。由物理学中可知，在电场力的作用下，电荷有规律的移动就产生电流，电荷在移动过程中会发生
10、能量转换，使电荷失去或获得能量。例如图1-8所示电路接通时就有电流流动。电场力将单位正电荷由电路的a点经过电阻R移动到b点所做的功，定义为该两点之间的电压Uab ： （1-3）,式中为电荷移动过程中所做的功，单位为焦耳（J）；电压的单位为伏特，简称伏（V）。电压的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（ V ），它们的关系1kV=103 V , 1mV=10-3V, 1V=10-6 V 。,若正电荷由a点移到b点得到能量，则在a点所具有的能量低，b点所具有的能量高；a点的电位低，称为电压负极；b点的电位高，称为电压正极。若正电荷由a点移到b点失去能量，则a点所具有的能量高，a点的电位高，称为
11、正极；b点所具有的能量低，b点的电位低，称为负极。将a、b两点之间的电位差称为a、b两点之间的电压。即 Uab=Ua-Ub (1-4) 式中 Ua为a点的电位，Ub为b点的电位。电位的单位与电压相同。,图1-9 电压参考方向的表示方法,电压和电位都是标量，但在分析电路时，和电流一样，我们也说他们具有方向。电压的方向规定为由高电位（“”极性）端指向低电位（“”极性）端，即为电位降低的方向。实际电压的方向有时很难确定，所以如同需要为电流规定参考方向一样，也需要为电压规定参考方向。电路图中电压的参考方向通常用“”、“”号或用箭头表示，如图1-9a和1-9b所示；在书写时常用带双下标的字母表示， 第一
12、个字母表示电压参考方向的正极，第二个字母表示电压参考方向的负极，如图1-9c所示。 在规定了电压的参考方向后，经电路计算若得出电压为正，则实际电压与参考电压方向一致，否则相反。同样，在没有规定参考方向时，电压的正负是没有意义的。,值得注意的是，在电路的分析计算中，电流、电压的参考方向可以任意标定，但一经确定，电路方程的列写就必须在标定的参考方向下进行，不应改变。 在电路的分析计算中，经常要用到电位这个概念。在图1-8中，若知道Uab的值，由电压的概念只能知道a点和b点的电位的高低，而不能知道a点和b点的电位具体是多少。因此，计算电位时，必须选定电路中某一点作为参考点，以它的电位为参考电位，通常
13、设参考点的电位为零。电路中其它各点的电位与参考点的电位相比较，比它高的为正，比它低的为负。正数值越大电位越高，负数值越大电位越低。电路中某一点的电位实质上就是将单位正电荷从电路中的某一点移到参考点时获得或失去的能量大小。,在图1-8中，已知：Uab =10V 若设b点为参考点，即Ub = 0，则由公式（1-4）可知a点的电位为： Ua =Uab + Ub =Uab =10V 若设a点为参考点，即Ub = 0，则由公式（1-4）可知b点的电位为： Ub =Ua -Uab =-Uab = 10V 综上所述可知： 1）电路中某一点的电位等于该点与参考点之间的电压。因此，离开参考点讨论电位是没有意义的
14、。 2）参考点选得不同，电路中各点的电位值也不同，但是，任意两点之间的电压是不变的。所以，电路中各点的电位值的大小是相对的，而两点之间的电压值是绝对的。 电路中用接地符号“”表示电位为零的参考点。,图1-8 电压参考方向,1.2.3 电流与电压的关联参考方向和非关联参考方向 对于一段电路或一个元件上的电压和电流的参考方向可以独立地任意选定。当选定的电流参考方向和电压参考方向一致时，即电流从元件的电压正极流入，从电压的负极流出，此时，称电压与电流为关联参考方向，如图1-12a所示；否则，称电压与电流为非关联参考方向，如图1-12b所示。一般情况下，人们习惯采用关联参考方向。,图1-12 电压与电
15、流的关联和非关联参考方向,在图1-13a、c中的电压与电流的参考方向为关联参考方向，而图1-13b和d中的电压与电流的参考方向为非关联参考方向.,返回,图1-13 电压与电流关联和非关联参考方向的判定,1.3 电能与电功率 电路在工作状态下总伴随着能量的转换。对于某一个二端元件或一个一端口电路来说，当有电流流过时，该电路元件就会获得或失去能量。如图1-8中，在关联参考方向下，单位时间dt内，正电荷量dq由a点移到b点，若电压降为，则由电压的定义可知，在移动过程中电荷失去的电能为 dw=Udq 那么，在t0到t的时间内电荷失去的电能为,又由于 ，上式可以写为 (1-5),由于电压和电流都是代数量
16、，能量W也是一个代数量。在U与I为关联参考方向下，W0时，电荷失去能量，元件吸收能量；W0时，电荷得到能量，元件释放能量。 电荷失去能量，电路则吸收能量。电路元件在单位时间内吸收的能量称为电功率，用p表示，即为,又由电流的定义知,故在关联参考方向下 P=ui (1-6) 在直流电路中 P=UI (1-7) 在非关联参考方向下 P=-ui (1-8) 直流电路中 P=-UI (1-9) 由于电压和电流都是代数量，所以电功率也是一个代数量，若根据式子（1-6）至（1-9）计算出的P0，则表示该元件吸收功率；若P0，则表示该元件产生功率。,1.4 电阻元件 电阻元件是从实际电阻器中抽象出来的电路模型，它是一个二端理想元件，它的特性就是消耗电能。许多实际器件在一定条件下都可以用电阻元件作为电路模型，如：电炉丝、灯泡、电烙铁等。 1.4.1 线性非时
