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1、直流电路是交流电路、电子电路的基础 1.1 电路及主要物理量 1.1 电路及主要物理量 1.1.1电路的组成和作用 电路就是电流所通过的路径，它是由电路元件按一定方式组合而成的。最简单的手电筒电路，由电源（干电池）、负载（小 灯泡）、开关和连接导 体(中间环节)所组成，如 图1.1.1所示。,电源 是供应电能的装置，它把其他形式的能量转换为电能。电源是电路推动电流运动的源泉。 负载 是取用电能的装置，它把电能转换为其他形式的能量。 中间环节 起传输、分配、处理和控制电能的作用。电路按其功能可以分为两类： 一类是为了实现能量的传输和转换，这类电路称为电力电路； 另一类是为了实现信号的传递和处理，
2、这类电路称为信号电路。 对于一个完整的电路，电源（或信号源）、负载和中间环节是三个基本组成部分，它们是缺一不可的。,1.1.2 电路模型 电路中的实际元件种类繁多，常突出其主要的电磁性质，把它们近似为理想电路元件，由一个(或几个)理想电路元件，构成代替实际电路元件相对应的电路，称电路模型。 理想电路元件有无源和有源两类：无源的有只消耗电能的电阻元件；具有储 存或释放磁场能量电感元件； 具有储存或释放电场能量电 容元件。有源的是提供电能 电压源、电流源元件。手电 筒的电路模型如图1-2所示。,1.1.3电路的重要物理量 1. 电流 电荷的定向移动就形成了电流。电流的实际方向习惯上指正电荷运动的方
3、向。 电流的大小常用电流强度来表示，简称为电流。 单位时间t内通过导体横截面的电荷量q恒定不变时的电流强度为 变动电流（含交流），在一很小的时间间隔dt内，通过导体横截面的电荷量为dq，则该瞬间电流强度为 电流的单位安培（A）。电流有时也会用到千安（kA），毫安（mA）或微安（A）等。,电流的表示方法：(1)箭头表示；(2)双下标表示。 国际单位制(SI)中规定的用来构成十进制倍数关系和分数关系的词头见表1-1。 表1-1部分国际单位制词头,电流的参考方向 在电路中事先任意选定电流的方向，称电流的参考方向，常在电路图中用箭头表示。 当电流的实际方向与参考方向一致时，电流为正值（I0），如图1-
4、3（a）所示； 当电流的实际方向与参考方向相反时，电流为负值（I0），如图1-3（b）所示。,只有在选定参考方向后，电流的值才有正负之分和意义。,2. 电位与电动势 (1)电位与电压 图1-4电路中，将单位正电荷q从某点(a点)移动到电位参考点(b)电场力所作的功Wa称为电位。 (1-3) 电位单位为伏特(V) 一般将电路中接地或接机壳的 点(只能一点)作为电位参考点， 其值为零。指定参考点后，电路 中各点电位均是唯一的值。某点 电位比参考点高，则该点电位为 正，否则为负。,电路中任意两点的电位之差称为电压，又称电位差。 设a点电位 为Va，b点电位为Vb则a、b两点间的电压为 Uab=VaV
5、b (1-4) 电压与电位的单位均为伏特V。 电压的实际方向规定为电场力的方向，即从高电位点指向低电位点，即由“+”极性指向“”极性。因此在电压方向上，电位是逐点降低的，也称电位降。 电压方向的表示方法： (1)正负极性； (2)箭头； (3)双下标。,电压的参考方向 当电压的实际方向与它的参考方向一致时，电压值为正，即U(Uab)0 ，如图1-5(a)所示； 当电压的实际方向与它的参考方向相反时，电压值为负，即U(Uab) 0，如图1-5(b)所示。,同电流一样在选定参考方向后，电压的值才有正负之分。也只有在此条件下，电压的正负才有意义。,电流、电压的关联和非关联参考方向 电流参考方向与电压
6、参考方向的选定是独立无关的。但为了方便起见，常将电流与电压的参考方向选 为一致，即电流从标电压“+”极性端流入，从标以“”极性端流出，称为关联参考方向，如图1-6(a)。 当电流的参考方向与电压的参考方向相反时，称非关联参考方向，如图1-6(b)。,3. 电能和电功率 (1)电能 在电流通过电路的同时，能量发生了转换。 电源内，正电荷获得能量，把非电能转换成电能；外电路中，正电荷放出能量，把电能转换成为其他形态的能。可见，电荷只是转换和传输能量的媒介物。 从非电能转换来的能量就等于电源的电动势与被移动的电量Q的乘积，称电能 =USQ=USI t (1.1.6) 外电路取用的电能等于外电路两端的
7、电压U与受电场力作用而移动的电量Q的乘积，即 W=UQ=UI t (1.1.7),(1)电功率 当电流、电压为关联参考方向时，在某段时间内，电路中产生（或损耗）的电能与该段时间的比值称为电功率。用P来表示。 (1-5) 功率的单位是瓦特(W) 当采用非关联参考方向时，电功率P为 P= UI (1-6) 则当P0时，表示该元件消耗功率，或称取用功率；当P0时，表示该元件供出功率，或称提供功率。 因此，在计算功率时一定要分清电流、电压的参考方向是关联参考方向还是非关联参考方向。,1.2.1 电阻元件的伏安关系和功率 1.伏安关系(欧姆定律) 当U和I为关联方向时，伏安关系为 U=RI (1-8)
8、若U和I 为非关联方向时，伏安关系为 U=RI (1-9) R称欧姆() 2.功率当U和I为关联方向时，功率为 (1-10),1.2 电阻元件,(3)总功率应等于各段电阻取用的功率之和。 U I=U1I+U2I 或P=P1+P2 (4) 总电阻R等于各电阻之和。即 R=R1+R2 (1-12) (5) 串联电阻电路的分压关系为,1.2.2 电阻元件的串联和并联,1. 电阻的串联 电阻串联电路的特点： (1)各串联电阻中的电流I是相同的。 (2)总电压等于各段电压之和。U=U1+U2 (1-11),(3)总功率应等于各电阻的功率之和。 U I=U1I+U2I 或 P=P1+P2 (4) 总电阻的
9、倒数等于各电阻倒数之和。即 (1-16) 两个并联时的总电阻 (1-17) (5) 并联电阻电路的分流关系为,2. 电阻的并联 电阻并联电路的特点： (1)各并联电阻两端的电压U是相同的。 (2)总电流等于各分支电流之和。 I=I1+I2 (1-15),1.3 有源元件 理想电压源的特点： (1)端电压是一给定的时间函数us(t)或常数US，与电流和外电路无关；,(2) 电流I大小与方向由外电路和us(t)确定，即 U=US I=任意值(由US和与它相连的外电路有关) 当us(t)不随时间变化时，称为直流电压源，其输出电压U及输出电流I之间的关系如图1-20b所示。实际电压源，如干电池和直流稳
10、压电源等，在忽略内部功率损耗时，便可用理想电压源(恒压源)来代替。,1.3.2理想电流源 理想电流源特点： (1)输出电流是给定的时间函数is(t)或常数IS，与端电压和外电路无关；,(2) 端电压大小和方向由外电路和is(t)确定，即 I=IS U=任意值(由IS和与它相连的外电路有关) 当is(t)不随时间变化时，称恒流源Is 。其输出电压U及输出电流I之间的关系如图1-21b所示。实际的电流源，如光电池在一定光线照射下能产生电激流IS。当忽略内部功率损耗时，就可用恒流源代替。,1.3.3实际电源的电路模型和等效变换,U=USRO I （1-22) 一般US和RO是常数，故U和I 之间是线
11、性关系。当电源开路时，I=0，U=UO=US，在纵坐标上；当电源短路时，U=0，I=IS=US/RS，在横坐标上，联接UO和IS即为实际电压源的外特性。实际电压源中当电源内阻RS 负载电阻RL时，实际电压源视为恒压源。,1. 实际电源的电路模型(1)实际电压源在其内部功率损耗不能忽略时，可用恒压源US和内阻RS相串联的电路模型来代替，称为电压源。如图1.3.3(a)所示。得,（1.3.4） 一般IS和RO是常数，故U和I 之间是线性关系。当电源开路时，I=0，U=UO=ISRS，在纵坐标上；当电源短路时，U=0，I=IS，在横坐标上。联接UO和IS即为实际电流源的外特性。实际电流源中，当电源内
12、阻RS 负载电阻RL时，实际电流源视为恒压源。,(2)实际电流源在其内部功率损耗不能忽略时，可用恒流源IS和内阻RS相并联的电路模型来代替，称为电流源。如图1-234a所示。,2. 实际电源的等效变换 由电压源和电流源的外特性可知。如果当两个电路任何时刻两端口处的伏安关系相同时，可以进行等效变换。,电压源输出的电流为 ，电流源输出电流为 。 则电压源等效电流源时 ，RS(串联)= RS(并联)；电压源输出的电压为U=US-RS I，电流源输出的电压为 U=RSIS-RS I，则电流源等效电压源时US = RSIS ，RS(并联)= RS(串联)。,1.4.1全电路欧姆定律 电路中电流大小等于恒
13、压源US与内外电路电阻RS和RL的比值 电路中的电流I与恒压源US成正比，而与电路的全部电阻值RL+RS成反比。一般情况下，US和RS是不变的，因此，当RL减小时，电流I将增大。,1.4 电路的工作状态和电器设备的额定值,1.4.2 电路的工作状态 1. 有载工作状态(通路) (1) 电路中的电流I为 (2) 电源的端电压为 U1=USRSI,若忽略导线的电压降，则 U2U1 (3) 电源的输出功率为 P1=U1I=(US-RSI)I=USI-RSI2= 一般根据U和I的实际方向来确定是电源还是负载。 当U和I的实际方向相同，I从“+”端流入，消耗功率、取用功率； 当U和I的实际方向相反，I从
14、“+”端流出，发出功率。,RL,2. 空载工作状态(断路或开路) (1) 电路中的电流为零，即 I0 。 (2) 负载电压 U2 =RLI =0,RL,(3) 电源的端电压等于电源的电动势。即 U1=UOUSRSIUS (4) 电源的输出功率P1和负载所吸收的功率P2均为零，即 P1 U1 I = 0 P20,3. 短路工作状态 (1) 电源中的电流为 I=IS IS称为短路电流。因RS很小，故IS很大。 (2) 因RL被短路，故IL=0。,(3) 电源输出端短路 U1=US RSIS=0 负载电压 U2=0 (4) P2=ILU2=0 US发出的功率全部消耗在RS上。将导致电源的温度急剧上升
15、而烧毁和因IS过大造成线路损坏或引起火灾。常在电路中接入熔断器等保护电器。,1.4.3 电器设备的额定值 额定值是电气设备在一定工作条件下正常运行时的允许值。使用时最经济合理、安全可靠、寿命长。 电气设备或元件的额定值常标在铭牌上或在说明书中，其额定数据有额定电压UN、额定电流IN和额定功率PN，三者关系为 PN=UNIN 如当白炽灯超过UN、IN时，灯丝将被烧毁，导线发热，甚至引起火災； 低于UN、IN时，发光暗。 但有些设备或元件不一定使用在额定值。如发电机发出的功率和电流完全决定于负载的大小；电动机的实际功率和电流决定于它轴上所带机械负载的大小。但运行时不应超过额定值。,节点 三条和三条以上支路的联接点叫节点。图1-36中有两个节点，即a和b 点。 回路 电路中任一闭合路径叫回路。图1-36中的abda、abca、acbda均是回路。 网孔 回路中无支路的电路叫网孔。图1-36中的abda、 acbda 是网孔。,1.5 基尔霍夫定律,支路 电路中通过同一电流的每个分支称为支路。如b-US1-c-R1-.a；b-US2-R2-b；d-R3-c，均为支路。支路中含有电源，称为有源支路；支路中无电源称为无源支路。,1.5.1 基尔
