DG_01电路的基本概念

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1、第一章第一章电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基本定律第一章电路的基本概念和基本定律第一章电路的基本概念和基本定律 教学难点：教学难点：1了解电路的三种工作状态特点。了解电路的三种工作状态特点。2理理解解理理想想元元件件与与电电路路模模型型、线线性性电电阻阻与与非非线线性性电电阻阻的的概念。概念。教学重点：教学重点：1. 了了解解电电路路的的基基本本组组成成、电电路路的的三三种种工工作作状状态态和和额额定定电电压压、电流、功率等概念。电流、功率等概念。2掌握电流、电压、电功率、电能等基本概念。掌握电流、电压、电功率、电能等基本概念。3掌掌握握电电阻阻定定律律、欧欧姆姆定定律律、焦焦耳耳定

2、定律律，了了解解电电阻阻与与温温度的关系。度的关系。序号序号内容内容 学时学时 1 绪论绪论 0.5 2 第一节第一节 电路电路1 3 第二节第二节 电流和电压电流和电压 4 第三节第三节 电阻电阻1 5 第四节第四节 部分电路欧姆定律部分电路欧姆定律 6 第五节第五节 电能和电功率电能和电功率1.5 7 本章小结本章小结 8 本章总学时本章总学时4学时分配：学时分配：第一章电路的基本概念和基本定律第一章电路的基本概念和基本定律第一节电路第一节电路第二节电流和电压第二节电流和电压第三节电阻第三节电阻第四节部分电路欧姆定律第四节部分电路欧姆定律第五节电能和电功率第五节电能和电功率本章小结本章小结

3、第一节电路第一节电路 一、电路的基本组成一、电路的基本组成二、电路模型二、电路模型( (电路图电路图) )一、电路的基本组成一、电路的基本组成动画动画 M1-1电路的状态电路的状态1什么是电路什么是电路电电路路是是由由各各种种元元器器件件( (或或电电工工设设备备) )按按一一定定方方式式连连接接起起来来的总体，为电流的流通提供了路径。的总体，为电流的流通提供了路径。2电路的基本组成电路的基本组成 电路的基本组成包括以下四个部分：电路的基本组成包括以下四个部分：( (1) )电源电源( (供能元件供能元件) )：为为电电路路提提供供电电能能的的设设备备和和器器件件( (如电池、发电机等如电池、

4、发电机等) )。 图图1-1简单的直流电路简单的直流电路 ( (2) )负载负载( (耗能元件耗能元件):):使用使用( (消耗消耗) )电能的设备和电能的设备和器件器件( (如灯泡等用电器如灯泡等用电器) )。 控制电路工作状态的器件或设备控制电路工作状态的器件或设备( (如如开关等开关等) )。将电器设备和元器件按一定方式连接将电器设备和元器件按一定方式连接起来起来( (如各种铜、铝电缆线等如各种铜、铝电缆线等) )。( (3) )控制器件：控制器件：(4)(4)连接导线：连接导线：3电路的状态电路的状态 ( (1) )通通路路( (闭闭路路) )：电电源源与与负负载载接接通通，电电路路中

5、中有有电电流流通通过过，电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。 ( (2) )开开路路( (断断路路) )：电电路路断断开开，中中没没有有电电流流通通过过，有有称称为为空空载状态。载状态。( (3) )短短路路( (捷捷路路) )：电电源源两两端端或或电电路路中中某某些些部部分分被被导导线线直直相相连连接接，输输出出电电流流过过大大对对电电源源来来说说属属于于严严重重过过载载，如如没没有有保保护护措措施施，电电源源或或电电器器会会被被烧烧毁毁或或发发生生火火灾灾，所所以以通通常常要要在在电电路路或或电电气气设设备备中中安安装

6、装熔熔断断器器、保保险险丝丝等等保保险险装装置置，以以避避免免发发生生短短路路时时出现不良后果。出现不良后果。二、电路模型二、电路模型( (电路图电路图) ) 图图1-2手电筒的电路原图手电筒的电路原图由由理理想想元元件件构构成成的的电电路路叫叫做做实实际际电电路路的的电电路路模模型型，也也叫叫做做实实际际电电路路的的电电路路原原理理图图，简简称称为为电电路路图图。例例如如手手电电筒筒的的电电路路如如图图 1-2 所示。所示。 理想元件理想元件 电电路路是是由由电电特特性性相相当当复复杂杂的的器器件件组组成成的的，为为了了便便于于使使用用数数学学方方法法对对电电路路进进行行分分析析，可可将将电

7、电路路实实体体中中的的各各种种电电器器设设备备和和元元器器件件用用一一些些能能够够表表征征它它们们主主要要电电磁磁特特性性的的理理想想元元件件( (模模型型) )来来代代替替，而而对对它它的的实实际际上上的的结结构构、材材料料、形形状状等等非非电电磁磁特特性性不不予予考考虑。虑。表表 1-3常用理想元件及符号常用理想元件及符号第二节电流和电压第二节电流和电压 一、电流的基本概念一、电流的基本概念二、直流电流二、直流电流三、交流电流三、交流电流四、电压四、电压一、电流的基本概念一、电流的基本概念 电电路路中中电电荷荷沿沿着着导导体体的的定定向向运运动动即即形形成成电电流流，其其方方向向规规定定为

8、为正正电电荷荷流流动动的的方方向向( (或或负负电电荷荷流流动动的的反反方方向向) )，其其大大小小等等于于在在单单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量量，称称为为电电流流强强度度( (简简称称电电流流) )，用用符符号号 I 或或 i( (t) )表示，讨论一般电流时可用符号表示，讨论一般电流时可用符号 i 。设设在在 t = t2t1 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为为 q = q2q1，则在则在 t 时间内的电流强度可用数学公式表示为时间内的电流强度可用数学公式表示为式式中中， t 为为很很小小的的时时间间间间隔隔，时时间间的的国国际际单单位

9、位制制为为 秒秒( (s) )，电电量量 q 的的国国际际单单位位制制为为库库仑仑 ( (C) )。电电流流 i( (t) ) 的的国国际际单单位制为安培位制为安培 ( (A) ) 。常常用用的的电电流流单单位位还还有有毫毫安安 （mA）、微微安安（ A）、千千安安 （kA） 等，它们与安培的换算关系为等，它们与安培的换算关系为1 mA = 10-3A； 1 A = 10-6 A； 1 kA = 103 A二、直流电流二、直流电流 如如果果电电流流的的大大小小及及方方向向都都不不随随时时间间变变化化，即即在在单单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量量相相等等，则则称称之之为为

10、稳稳恒恒电电流流或或恒恒定定电电流流，简简称称为为直直流流 ( (Direct Current) )，记记为为 DC 或或 dc ，直直流流电电流流要要用用大写字母大写字母 I 表示。表示。直直流流电电流流 I 与与时时间间 t 的的关关系系在在 It 坐坐标标系系中中为为一一条条与与时时间间轴轴平行的直线。平行的直线。三、交流电流三、交流电流 如如果果电电流流的的大大小小及及方方向向均均随随时时间间变变化化，则则称称为为变变动动电电流流。对对电电路路分分析析来来说说，一一种种最最为为重重要要的的变变动动电电流流是是正正弦弦交交流流电电流流，其其大大小小及及方方向向均均随随时时间间按按正正弦弦

11、规规律律作作周周期期性性变变化化，将将之之简简称称为为交交流流( (Alternating current) )，记记为为 AC 或或 ac ，交交流流电电流流的的瞬瞬时时值值要要用小写字母用小写字母 I 或或 i( (t) ) 表示。表示。四、电压四、电压 1电压的基本概念电压的基本概念电电压压是是指指电电路路中中两两点点 A、B 之之间间的的电电位位差差( (简简称称为为电电压压) )，其其大大小小等等于于单单位位正正电电荷荷受受电电场场力力作作用用从从 A 点点移移动动到到 B 点点所所作作的的功功，电压的方向规定为电压的方向规定为从高电位指向低电位从高电位指向低电位的方向。的方向。 电

12、电压压的的国国际际单单位位制制为为伏伏特特( (V) )，常常用用的的单单位位还还有有毫毫伏伏( (mV) )、微伏微伏( ( V) )、千伏千伏( (kV) )等，它们与等，它们与 V 的换算关系为的换算关系为1 mV = 103 V；1 V =106 V；1 kV = 103 V。2直流电压与交流电压直流电压与交流电压如如果果电电压压的的大大小小及及方方向向都都不不随随时时间间变变化化，则则称称之之为为稳稳恒恒电电压压或或恒定电压恒定电压，简称为，简称为直流电压直流电压，用大写字母，用大写字母 U 表示。表示。如如果果电电压压的的大大小小及及方方向向随随时时间间变变化化，则则称称为为变变动

13、动电电压压。对对电电路路分分析析来来说说，一一种种最最为为重重要要的的变变动动电电压压是是正正弦弦交交流流电电压压( (简简称称交交流流电电压压) )，其其大大小小及及方方向向均均随随时时间间按按正正弦弦规规律律作作周周期期性性变变化化。交交流电压的瞬时值要用小写字母流电压的瞬时值要用小写字母 u 或或 u( ( i ) ) 表示。表示。 第三节电阻第三节电阻一、电阻元件一、电阻元件 二、电阻与温度的关系二、电阻与温度的关系一、电阻元件一、电阻元件电电阻阻元元件件是是对对电电流流呈呈现现阻阻碍碍作作用用的的耗耗能能元元件件，例例如如灯灯泡泡、电热炉等电器。电热炉等电器。电阻定律电阻定律 制成电

14、阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆米米 ( ( m) ) ； l 绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米 ( (m) ) ；S 绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米 ( (m2) ) ；R 电阻值，国际单位制为欧姆电阻值，国际单位制为欧姆 ( ( ) ) 。经常用的电阻单位还有千欧经常用的电阻单位还有千欧 ( (k ) 、兆欧兆欧 ( (M ) )1 k = 103 ；1 M = 106 二、电阻与温度的关系二、电阻与温度的关系 电电阻阻元元件件的的电电阻阻值值大大小小一一

15、般般与与温温度度有有关关，衡衡量量电电阻阻受受温温度度影影响响大大小小的的物物理理量量是是温温度度系系数数，其其定定义义为为温温度度每每升升高高 1 C 时时电电阻阻值值发生变化的百分数。发生变化的百分数。如如果果设设任任一一电电阻阻元元件件在在温温度度 t1 时时的的电电阻阻值值为为 R1，当当温温度度升升高高到到 t2 时时电电阻阻值值为为 R2 ，则则该该电电阻阻在在 t1 t2 温温度度范范围围内内的的( (平平均均) )温温度度系数为系数为如如果果 R2 R1 ，则则 0，将将 R 称称为为正正温温度度系系数数电电阻阻，即即电电阻阻值值随随着着温温度度的的升升高高而而增增大大；如如果

16、果 R2 R1，则则 0，将将 R 称称为为负负温温度度系系数数电电阻阻，即即电电阻阻值值随随着着温温度度的的升升高高而而减减小小。显显然然 的的绝绝对对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。值越大，表明电阻受温度的影响也越大。R2 = R1 1 (t2t1) 第四节部分电路欧姆定律第四节部分电路欧姆定律一、欧姆定律一、欧姆定律二、线性电阻与非线性电阻二、线性电阻与非线性电阻一、欧姆定律一、欧姆定律 电阻元件的伏安关系服从欧姆定律，即电阻元件的伏安关系服从欧姆定律，即U = RI 或或 I = U / R = GU其其中中 G = 1/R，电电阻阻 R 的的倒倒数数 G 叫叫做做电电导导，其其国

17、国际际单单位位制制为为西门子西门子 ( (S) ) 。 二、线性电阻与非线性电阻二、线性电阻与非线性电阻电电阻阻值值 R 与与通通过过它它的的电电流流 I 和和两两端端电电压压 U 无无关关 ( (即即R = 常常数数 ) ) 的的电电阻阻元元件件叫叫做做线线性性电电阻阻，其其伏伏安安特特性性曲曲线线在在 IU 平面坐标系中为一条通过原点的直线。平面坐标系中为一条通过原点的直线。电电阻阻值值 R 与与通通过过它它的的电电流流 I 和和两两端端电电压压 U 有有关关 ( (即即R 常常数数) ) 的的电电阻阻元元件件叫叫做做非非线线性性电电阻阻，其其伏伏安安特特性性曲曲线线在在 IU 平平面面坐

18、坐标标系系中为一条通过原点的曲线。中为一条通过原点的曲线。通通常常所所说说的的“电电阻阻” ，如如不不作特殊说明，均指线性电阻。作特殊说明，均指线性电阻。图图1-41-4线性电阻的伏安特性曲线线性电阻的伏安特性曲线第五节电能和电功率第五节电能和电功率一、电功率一、电功率二、电能二、电能三、电气设备的额定值三、电气设备的额定值四、焦耳定律四、焦耳定律一、电功率一、电功率 电电功功率率( (简简称称功功率率) )所所表表示示的的物物理理意意义义是是电电路路元元件件或或设设备备在在单单位位时时间间内内吸吸收收或或发发出出的的电电能能。两两端端电电压压为为 U、通通过过电电流流为为 I 的的任意二端元

19、件任意二端元件( (可推广到一般二端网络可推广到一般二端网络) )的功率大小为的功率大小为P = UI 功功率率的的国国际际单单位位制制单单位位为为瓦瓦特特( (W) )，常常用用的的单单位位还还有有毫毫瓦瓦( (mW) )、千瓦千瓦( (kW) )，它们与它们与 W 的换算关系是的换算关系是1 mW = 10 3 W； 1 kW = 103 W 吸吸收收或或发发出出：一一个个电电路路最最终终的的目目的的是是电电源源将将一一定定的的电电功功率率传传送送给给负负载载，负负载载将将电电能能转转换换成成工工作作所所需需要要的的一一定定形形式式的的能能量量。即即电电路路中中存存在在发发出出功功率率的的

20、器器件件( (供供能能元元件件) )和和吸吸收收功功率率的的器器件件( (耗耗能元件能元件) )。习习惯惯上上，通通常常把把耗耗能能元元件件吸吸收收的的功功率率写写成成正正数数，把把供供能能元元件件发发出出的的功功率率写写成成负负数数，而而储储能能元元件件( (如如理理想想电电容容、电电感感元元件件) )既不吸收功率也不发出功率，即其功率既不吸收功率也不发出功率，即其功率 P = 0。通常所说的功率通常所说的功率 P 又叫做又叫做有功功率有功功率或或平均功率平均功率。二、电能二、电能 电电能能是是指指在在一一定定的的时时间间内内电电路路元元件件或或设设备备吸吸收收或或发发出出的的电电能能量量，

21、用用符符号号W表表示示，其其国国际际单单位位制制为为焦焦耳耳( (J) )，电电能能的的计计算公式为算公式为W = P t = U I t通常电能用通常电能用千瓦小时千瓦小时( (kW h) )来表示大小，也叫做来表示大小，也叫做度度( (电电) )：1 度度( (电电) ) = 1 kW h = 3.6 106 J即即功功率率为为 1 000 W 的的供供能能或或耗耗能能元元件件，在在 1 小小时时的的时时间间内内所所发出或消耗的电能量为发出或消耗的电能量为 1 度。度。【例例1-1】有有一一功功率率为为 60 W 的的电电灯灯，每每天天使使用用它它照照明明的的时时间间为为 4 小小时时，如

22、如果果平平均均每每月月按按 30 天天计计算算，那那么么每每月月消消耗耗的的电电能能为多少度？合为多少为多少度？合为多少 J ? 解：该电灯平均每月工作时间解：该电灯平均每月工作时间 t = 4 30 = 120 h，则则W = P t = 60 120 = 7200 W h = 7.2 kW h即每月消耗的电能为即每月消耗的电能为 7.2 度，约合为度，约合为3.6 106 7.2 2.6 107 J三、电气设备的额定值三、电气设备的额定值为为了了保保证证电电气气设设备备和和电电路路元元件件能能够够长长期期安安全全地地正正常常工工作作，都都规定了额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。规定了

23、额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。额定电压额定电压电气设备或元器件所允许施加的最大电压。电气设备或元器件所允许施加的最大电压。额定电流额定电流电气设备或元器件允许通过的最大电流。电气设备或元器件允许通过的最大电流。额定功率额定功率在额定电压和额定电流下消耗的功率，即允在额定电压和额定电流下消耗的功率，即允许消耗的最大功率。许消耗的最大功率。额额定定工工作作状状态态电电气气设设备备或或元元器器件件在在额额定定功功率率下下的的工工作作状状态，也称态，也称满载满载状态。状态。轻轻载载状状态态电电气气设设备备或或元元器器件件在在低低于于额额定定功功率率的的工工作作状状态态，轻载时电气设备不能得到

24、充分利用或根本无法正常工作。轻载时电气设备不能得到充分利用或根本无法正常工作。过过载载( (超超载载) )状状态态电电气气设设备备或或元元器器件件在在高高于于额额定定功功率率的的工工作状态，过载时电气设备很容易被烧坏或造成严重事故。作状态，过载时电气设备很容易被烧坏或造成严重事故。轻载和过载都是不正常的工作状态，一般是不允许出现的。轻载和过载都是不正常的工作状态，一般是不允许出现的。 四、焦耳定律四、焦耳定律 电流通过导体时产生的热量电流通过导体时产生的热量( (焦耳热焦耳热) )为为 Q = I2 R tI 通过导体的直流电流或交流电流的有效值，单位为通过导体的直流电流或交流电流的有效值，单

25、位为 A。R 导体的电阻值，单位为导体的电阻值，单位为 。T 通过导体电流持续的时间，单位为通过导体电流持续的时间，单位为 s。Q 焦耳热单位为焦耳热单位为 J。 本章小结本章小结本章介绍了电路的基本概念，内容包括：本章介绍了电路的基本概念，内容包括：一、电路一、电路二、电流二、电流三、电压三、电压四、电功率与电能四、电功率与电能五、电阻五、电阻一、电路一、电路电电路路是是由由各各种种元元器器件件( (或或电电工工设设备备) )按按一一定定方方式式连连接接起起来来的的总总体体, ,为为电电流流的的流流通通提提供供了了路路径径。电电路路的的基基本本组组成成电电源源、负负载载、控控制制器器件件和和

26、联联结结导导线线等等四四个个部部分分。电电路路有有通通路路、开开路路、短短路路等等三三种种状态。状态。由由理理想想元元件件构构成成的的电电路路叫叫做做实实际际电电路路的的电电路路模模型型，也也叫叫做做实实际电路的电路原理图，简称为电路图。际电路的电路原理图，简称为电路图。二、电流二、电流在在电电场场力力作作用用下下，电电路路中中电电荷荷沿沿着着导导体体的的定定向向运运动动即即形形成成电电流流，其其方方向向规规定定为为正正电电荷荷流流动动的的方方向向( (或或负负电电荷荷流流动动的的反反方方向向) )，其其大大小小等等于于在在单单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量量，称称为为

27、电电流流强度强度( (简称电流简称电流) )。电电流流的的大大小小及及方方向向都都不不随随时时间间变变化化，则则称称为为直直流流电电流流。电电流的大小及方向均随时间做周期性变化，则称为交流电流。流的大小及方向均随时间做周期性变化，则称为交流电流。三、电压三、电压 电电压压是是指指电电路路中中两两点点 A、B 之之间间的的电电位位差差，其其大大小小等等于于单单位位正正电电荷荷因因受受电电场场力力作作用用从从 A 点点移移动动到到 B 点点所所作作的的功功，电电压压的的方方向向规定为从高电位指向低电位的方向。规定为从高电位指向低电位的方向。 电电压压的的大大小小及及方方向向都都不不随随时时间间变变

28、化化，则则称称之之为为直直流流电电压压。电电压的大小及方向均随时间做周期性变化，则称为交流电压。压的大小及方向均随时间做周期性变化，则称为交流电压。四、电功率与电能四、电功率与电能 电电功功率率是是电电路路元元件件或或设设备备在在单单位位时时间间内内吸吸收收或或发发出出的的电电能能，P = UI 。电电能能是是指指在在一一定定的的时时间间内内电电路路元元件件或或设设备备吸吸收收或或发发出出的的电电能能量，量，W = P t =UIt1度度( (电电) ) = 1 kW h = 3.6 106 J为为了了保保证证电电气气设设备备和和电电路路元元件件能能够够长长期期安安全全地地正正常常工工作作，都

29、都规定了额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。规定了额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。五、电阻五、电阻1电电阻阻元元件件是是对对电电流流呈呈现现阻阻碍碍作作用用的的耗耗能能元元件件，电电阻阻定定律律为为电电阻阻元元件件的的电电阻阻值值一一般般与与温温度度有有关关，衡衡量量电电阻阻受受温温度度影影响响大大小小的的物物理理量量是是温温度度系系数数，其其定定义义为为温温度度每每升升高高 1 C 时时电电阻阻值值发发生变化的百分数，即生变化的百分数，即2电电阻阻元元件件的的伏伏安安特特性性关关系系服服从从欧欧姆姆定定律律，即即 U = RI 或或 I = U/R = GU 。其其中中，电电阻阻 R 的的倒倒数数 G 叫叫做做电电导导，其其国国际际单单位位制制为西门子为西门子( (S) )。3电流通过导体时产生的热量为电流通过导体时产生的热量为 Q = I2Rt ( (焦耳定律焦耳定律) )。