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1、第1章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路与电路模型 1.2 电路的基本物理量 1.3 线性电阻和欧姆定律 1.4 独立电源 1.5 电路的工作状态 1.6 基尔霍夫定律,1.1 电路与电路模型,电路是各种电器设备按一定方式连接起来的整体，它提供了电流流通的路径。电源、负载和中间环节是电路的基本组成部分。 电源是将非电能转换成电能的装置。 负载是将电能转换成非电能的装置。 中间环节是把电源与负载连接起来的部分，起传递和控制电能的作用。,图1-1所示的电路是一个最简单的直流电路：,图1-1,另外还有一类在电子技术、电子计算机和非电量电测中广泛应用的信号电路，其主要目的是传递和处理信号（例如语
2、言、音乐、文字、图像、温度、压力等）。 由此可见，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，这类电路称为信号电路。,对于组成实际电路的各种元器件，常忽略其次要因素，只抓住其主要电磁特性,使之理想化。 电路模型：由一个或几个具有单一电磁特性的理想电路元器件所组成的电路就是实际电路的电路模型，在进行理论分析时所指的电路就是这种电路模型。,理想电路元件简称电路元件，通常包括电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源和理想电流源。前三种元件均不产生能量，称为无源元件；后两种元件是电路中提供能量的元件，称为有源元件。,1.2 电路的基
3、本物理量 1.2.1 电流,电流：由电荷的定向移动而形成的。电流的强弱用电流强度来度量，数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。设在dt 时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq，则通过该截面的电流强度为 。如果电流强度不随时间变化，则这种电流就称为直流，即 。,电流强度在工程上常简称电流，其单位是安培，简称安（A）。在1s内通过导体横截面的电荷为1库仑（C）时，其电流则为1A。 电流的方向，习惯上规定以正电荷移动的方向作为电流的正方向（实际方向）。参考方向是人们任意选定的一个方向，在电路图中用箭头表示。在分析电路时，首先要假定电流的参考方向，并以此为标准去分析计算，最后从答案的正负值来确
4、定电流的实际方向。本书电路图上所标出的电流方向都是参考方向 。,电流参考方向与实际方向的关系如图1-2所示:,图1-2,电压：电场力把单位正电荷dq从A点移动到B点所做的功 称为A点到B点间的电压,即 。 电路中两点之间的电压也称为两点之间的电位差，即UAB=VA-VB，VA为A点的电位，VB为B点的电位 。电压的单位为伏特，简称伏（V）。,1.2.2 电压、电位和电动势,电压的参考方向示意图如图1-4所示：,图1-4,电压的实际方向规定为从高电位点指向低电位点，是电压下降的方向。和电流一样，电路中两点间的电压也可任意选定一个参考方向，并由参考方向和电压的正负值来反映该电压的实际方向。,电位：
5、电场力把单位正电荷从电路中某点移到参考点所做的功称为该点的电位，用大写字母 V 表示。电路中某点的电位即该点与参考点之间的电压。 电路中各点的电位与参考点之间的关系为： 1）参考点的电位为0，比该点高的电位为正。 2）其他各点的电位为该点与参考点之间的电位差。 3）参考点选取不同，电路中各点的电位也不同，但任意两点间的电位差不变。 4）在研究同一电路系统时，只能选取一个电位参考点。,电动势：用来衡量电源力大小的物理量。电动势在数值上等于电源力把单位正电荷从电源的负极板移到正极板所做的功，用E表示。电动势的方向是正电荷移动的方向，从低电位到高电位。,电能：在直流电流为I 的电路中，A、B 两点间
6、的电压为U，在时间t 内电荷Q 受电场力作用，从A点移动到B点，则在时间t 内负载电阻R所消耗的电能为 。 电功率：单位时间内消耗的电能称为电功率，在直流电路中有 。 电能的单位是焦耳，简称焦（J）；功率的单位是瓦特，简称瓦（W）。 一段电路，在u和i 取关联参考方向时，若p0，电路是负载性质；若p0，电路是电源性质。,1.2.3 电能和电功率,1.3 线性电阻和欧姆定律 1.3.1 线性电阻,伏安特性：在温度一定的条件下，把加在电阻两端的电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。 线性电阻：若电阻元件的伏安特性曲线为一条经过原点的直线，则称其为线性电阻。 线性电阻作为一种理想电路元件，在电
7、路中对电流有一定的阻碍作用，这种阻碍作用的大小叫电阻。电阻用R表示，它的大小与自然材料有关，而与其电流、电压无关。,如图1-10所示，若给电阻通以电流i，这时电阻两端会产生一定的电压u。由线性电阻的伏安特性曲线可知，电压u与电流i的比值为一个常数，这个常数就是电阻R。,图1-10,电阻的单位为欧姆，简称欧，符号为。 电导：电阻的倒数，用G表示，即： 电导的单位为（西门子），简称西，其符号为S。 电阻、电导是从正、反两个方面来表征同一材料特性的两个电路参数。,欧姆定律 ：电压、电流参考方向关联时，为 或 电压、电流参考方向非关联时，为 或,1.3.2 欧姆定律,1.4 独立电源 1.4.1 电压
8、源,电压源：任何一个实际的电源都可以用一个电动势e 和内阻R0相串联的理想电路元件的组合来表示，这种电路模型称为电压源模型，简称 电压源。 理想电压源：在理想情况下，R0 =0，它的伏安特性是一条平行于横轴的直线，表明负载变化时，电源的端电压恒等于电源的电动势，即U=E。这种端电压恒定，不受输出电流影响的电压源称为理想电压源，也称为恒压源。,电压源和理想电压源的伏安特性曲线如图1-12。 理想电压源模型如图1-13所示。,图1-12,图1-13,电流源：一个实际的电源可用电流源模型来表示，即用一个电流源IS和内电阻R0相并联的理想元件的组合来表示。电流源模型简称电流 源。 理想电流源：在理想情
9、况下，R0=，伏安特性曲线是一条平行于纵轴的直线，表明负载变化时，电流源的输出电流恒等于电流源的短路电流，即I= IS。这种输出电流恒定，不受端电压影响的电流源称为理想电流源，也称为恒流 源。,1.4.2 电流源,电压源和理想电压源的伏安特性曲线如图1-15。 理想电压源模型如图1-16所示。,图1-15,图1-16,1.5 电路的工作状态 1.5.1 空载状态,空载状态：又称断路或开路状态。当开关S断开或连接导线断开时，电路就处于空载状态，此时电源和负载未构成通路，外电路所呈现的 电阻可视为无穷大，电路具有下列特征： 1）电路中电流为零。 2）电源的端电压等于电源的电动势，此电压称为空载电压
10、或开路电压，用UOC表示。因此，要想测量电源电动势，只要用电压表测量电路 的开路电压即可。 3）电源的输出功率和负载吸收的功率均为零。,短路状态：当电源两端的导线由于某种事故而直接相连时，电源输出的电流不经过负载，只经过连接导线直接流回电源，这种状态称为短路状态，简称短路。短路时外电路所呈现的电阻可视为零，电路具有下列特征： 1） 短路电流Is。在一般供电系统中，电源的内电阻很小，故短路电流很大。但对外电路无输出电流。 2） 电源和负载的端电压均为零。 3） 电源的输出功率和负载所吸收的功率均为零。,1.5.2 短路状态,有载工作状态：当开关闭合时，电路中有电流流过，电源输出功率，负载取用功率
11、，这种状 态称为有载工作状态。此时电路有下列特征： 1） 电路中的电流由负载电阻的大小决定。 2） 电源的端电压总是小于电源的电动势，这是因为电源的电动势减去内阻压降后才是电源的输出电压。若忽略线路上的压降，则负载的端电压等于电源的端电压。 3） 电源电动势发出的功率减去内阻上消耗的功率才是供给外电路的功率。,1.5.3 有载工作状态,电源内阻及负载电阻上所消耗的电能转换成热能散发出来，使电源设备和各种用电设备的温度升高。电流越大，温度越高。当电流过大时，设备的绝缘材料会因过热而加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏。另外，当电压过高时，也可能使设备的绝缘被击穿而损坏。反之，电压过低将使设备不能正常
12、工作，如电动 机不能起动，电灯亮度低等。,额定值：为了保证电气设备和器件能安全、可 靠、经济地工作，规定了每种设备和器件在工 作时所允许的最大电流、最高电压和最大功 率，这称为电气设备和器件的额定值，常用下 标符号“N”表示。这些额定值常标记在设备的 铭牌上，又称为铭牌值。,满载状态：电气设备应尽量工作在额定状态，这种状态又称为满载状态。电流和功率低于额定值的工作状态称为轻载；高于额定值的工作状态称为过载。在一般情况下，设备不应过载运行。在电路设备中常装设自动开关、热继电器等，用于在过载时自动切断电源，确保设备安全。,1.6 基尔霍夫定律 1.6.1 基尔霍夫电流定律,基尔霍夫电流定律（KCL
13、） 在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必然等于流出该节点的电流之和。,几个名词 支路: 电路中每一个含有电路元器件的分支。 节点：电路中三条或三条以上支路的连接点。 回路：电路中由若干元器件所组成的闭合路径。,对于图1-22所示电路中的节点A，有 即Ik= 0，(k=1,2,n ) 。 式中，Ik是连接于该节点的各支路电流，设有n条支路汇接于该节点。,KCL的另一种定义:在任一瞬时，通过电路中任一节点的各支路电流的代数和恒等于零。,图1-22,在应用基尔霍夫电流定律时，首先要假定各支路电流的参考方向。假定流出节点的电流为正，则流入节结的电流为负，反之亦然。这里的流入或流出都是针对电流的参考方向
14、来说的。 基尔霍夫电流定律不仅适用于电路的节点，还可推广应用于电路中任一假设的闭合面，即通过电路中任一假设闭合面的各支路电流的代数和恒等于零。该假设闭合面称为广义节点。,基尔霍夫电压定律（KVL）: 在任一瞬时，沿任一闭合回路绕行一周，回路中各元器件电压的代数和恒等于零。即 Uk=0 式中Uk是组成该回路的各元件电压，k=1,2, n （设有n个元件组成该回路）。,1.6.2 基尔霍夫电压定律,在应用KVL列写方程时，必须首先假定各元件电压的参考方向并指定回路的绕行方向（逆时针或顺时针），当元件电压方向与回路绕行方向一致时取“+”号，相反时取“-”号。 图1-23所示电路的KVL方程为：,图1-23,KVL的另一种定义: 在任一瞬时，电路中的任一回路各电压降的代数和恒等于这个回路内各电动势的代数和。 凡电动势Ej，电流Ik与回路绕行方向一致者取“+”号，相反者取“-”号。,
