电路的基本概念和基本定律最新课件

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1、第第1章章 电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基本定律内容提要：内容提要： 本章从电路模型入手介绍组成电路的本章从电路模型入手介绍组成电路的各种电路元件及其伏安特性，阐述了电路各种电路元件及其伏安特性，阐述了电路理论中的基本定律理论中的基本定律基尔霍夫定律。对基尔霍夫定律。对电压、电流的参考方向，电路的各种工作电压、电流的参考方向，电路的各种工作状态、电气设备的额定值作了简要的分析状态、电气设备的额定值作了简要的分析和说明。和说明。1.1 电路和电路模型电路和电路模型 1.2 电流电压及其参考方向电流电压及其参考方向 1.3 电功率和电能电功率和电能 1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1

2、.5 无源电路元件无源电路元件 1.6 有源电路元件有源电路元件1.8 电路的基本状路的基本状态和和电气气设备的的额定定值 具体内容：具体内容： 电路的基本概念和基本定理是对电路进电路的基本概念和基本定理是对电路进行分析的理论基础，本章所介绍的电路模型、行分析的理论基础，本章所介绍的电路模型、电路元件及其伏安特性、描述电路的物理量电路元件及其伏安特性、描述电路的物理量电流、电压和电位，既是对电磁学的总电流、电压和电位，既是对电磁学的总结和复习，也是电工学课程的开始，但也容结和复习，也是电工学课程的开始，但也容易出错，所以请同学们认真对待。易出错，所以请同学们认真对待。基本要求：基本要求：1.1

3、.1 电路的组成电路的组成 电路电路是为了一定目的，将一些电气设备和器件按一定方是为了一定目的，将一些电气设备和器件按一定方式连接而组成的电流的流通路径。式连接而组成的电流的流通路径。 组成电路的电气设备或器件称为组成电路的电气设备或器件称为电路器件电路器件。 电路中提供电能或信号的器件，电路中提供电能或信号的器件， 称为称为电源电源。在电源内部。在电源内部非静电力将非电能（机械能、化学能、原子能等等）转化为非静电力将非电能（机械能、化学能、原子能等等）转化为电能。电能。 电路中吸收电能并将电能转变为非电能或电信号的（电电路中吸收电能并将电能转变为非电能或电信号的（电压、电流）的元件，称为压、

4、电流）的元件，称为负载负载。1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.1.2 电路的功能和分类电路的功能和分类 根据电路连接的目的和功能，电路可分为力能电路和信根据电路连接的目的和功能，电路可分为力能电路和信号电路两大类。号电路两大类。 力能电路力能电路：是以传输和分配电能，并将电能转换为非电：是以传输和分配电能，并将电能转换为非电能为目的的电路。例如，电力系统的中，给动力、电热、电能为目的的电路。例如，电力系统的中，给动力、电热、电解、电镀和照明用电的电路。解、电镀和照明用电的电路。 其其特点特点是，电压高、电流和功率大，俗称是，电压高、电流和功率大，俗称“强电强电”系统系统。 连接电源和负载

5、的电线和元件称为连接电源和负载的电线和元件称为中间环节中间环节，它包括导，它包括导线、开关等装置和设备，其作用是传输电能和电信号，实现线、开关等装置和设备，其作用是传输电能和电信号，实现对电路控制、测量和保护。对电路控制、测量和保护。 信号电路信号电路：是以传递和处理信号为目的的电路。：是以传递和处理信号为目的的电路。如收音机电路。信号电路相对于力能电路来说，功如收音机电路。信号电路相对于力能电路来说，功率和电流都小，电压低，俗称率和电流都小，电压低，俗称“弱电弱电”系统系统。如电。如电话机的功率只有几毫瓦、大型扩音机的功率只有几话机的功率只有几毫瓦、大型扩音机的功率只有几千瓦。千瓦。 由以上

6、分析可知，由以上分析可知，电路的功能和目的电路的功能和目的有两种。有两种。 一是，实现电能的传输和转换；一是，实现电能的传输和转换； 二是，实现信号的传递和处理。二是，实现信号的传递和处理。1.1.3 电路模型电路模型 实际电路元件是一物理实体，它们在工作过程中，所表实际电路元件是一物理实体，它们在工作过程中，所表现的电磁性能和能量转换过程比较复杂，在电路分析中，为现的电磁性能和能量转换过程比较复杂，在电路分析中，为了方便，常将电路元件用具有某一性能的理想电路元件或它了方便，常将电路元件用具有某一性能的理想电路元件或它们的组合表示，称为们的组合表示，称为电路元件的模型电路元件的模型。 理想电路

7、元件理想电路元件是一种理想化的模型，是实际器件在一定是一种理想化的模型，是实际器件在一定条件下，只考虑其中起主要作用的某些电磁现象时，而抽象条件下，只考虑其中起主要作用的某些电磁现象时，而抽象化的器件，简称为化的器件，简称为电路元件电路元件。如，电阻元件是一种只表示消。如，电阻元件是一种只表示消耗电能的元件；电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可耗电能的元件；电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件；电容元件是表示其周围空间存在着以储存磁场能量的元件；电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件等。电场而可以储存电场能量的元件等。 理想电路元件分为理想电路元件分

8、为有源元件有源元件和和无源元件无源元件两大类。两大类。 有源元件有源元件是能给电路提供电能的元件。常见的有源元件为电是能给电路提供电能的元件。常见的有源元件为电压源和电流源，它反映了电路的能源形式和对电路的作用；压源和电流源，它反映了电路的能源形式和对电路的作用； 无源元件无源元件是不能给电中提供电能的元件。常见的无源元件有是不能给电中提供电能的元件。常见的无源元件有电阻、电感和电容，它反映了将电能转变为其他形式能量的电阻、电感和电容，它反映了将电能转变为其他形式能量的性能。性能。 常见元件的图形符号如图常见元件的图形符号如图1.1.3所示。所示。电压源电压源电阻电阻电感电感电容电容图图1.1

9、.3 常见电路元件符号图常见电路元件符号图电流源电流源+ +- - 对具有两个引出端的元件对具有两个引出端的元件, 称为称为二端元件二端元件; 对具有两个以上对具有两个以上引出端的元件引出端的元件, 称为称为多端元件多端元件。 由电路元件模型组成的电由电路元件模型组成的电路称为路称为电路模型电路模型。右图为最简单。右图为最简单的电路模型。的电路模型。常见的电路元件实物图如下：常见的电路元件实物图如下：普通金属膜电阻普通金属膜电阻绕线电阻绕线电阻电阻排电阻排热敏电阻热敏电阻图图1.1.4 最简单的电路模型最简单的电路模型图图1.1.5 常见电路元件实物图常见电路元件实物图陶瓷电感陶瓷电感带有磁心

10、的电感带有磁心的电感铁氧体电感铁氧体电感普通电容普通电容电解电容电解电容电力电容电力电容1.1.4 网络和系统网络和系统 电路中各元件之间根据要求有着特定的连接关系，在电路电路中各元件之间根据要求有着特定的连接关系，在电路分析中，为描述这些关系引入了一些概念。分析中，为描述这些关系引入了一些概念。 结点结点：电路中三个或三个以上元件的公共连接点。：电路中三个或三个以上元件的公共连接点。 支路支路：两个结点之间，由一个或几个元件串联构成的一段：两个结点之间，由一个或几个元件串联构成的一段无分支电路。无分支电路。 回路回路：由一条或多条支路组成的闭：由一条或多条支路组成的闭合路径。合路径。 网孔网

11、孔：除组成回路本身的支路外，：除组成回路本身的支路外，内部不包含其他支路的回路。内部不包含其他支路的回路。 网孔一定网孔一定是回路，回路不一定是网孔。是回路，回路不一定是网孔。B BA A图图1.1.6 1.1.6 复杂的电路呈网状复杂的电路呈网状, 又称又称网络网络。 在电工领域内，电路和网在电工领域内，电路和网络这两个术语是通用的，但习惯上将复杂杂电路称为网络。络这两个术语是通用的，但习惯上将复杂杂电路称为网络。 现代工程中，把按支路和结点连接的结构称为现代工程中，把按支路和结点连接的结构称为网络网络。 在支路（回路、网络）内各元件都是无源元件，称为在支路（回路、网络）内各元件都是无源元件

12、，称为无源无源支路（回路、网络）支路（回路、网络），含有源元件时，称为，含有源元件时，称为有源（含源）支路有源（含源）支路（回路、网络）（回路、网络）。 一个网络还可以和其他网络或一个网络还可以和其他网络或元件连接构成更大的网络，网络的元件连接构成更大的网络，网络的连接端称为连接端称为端钮端钮。根据网络端钮的。根据网络端钮的个数，网络可分为个数，网络可分为二端网络二端网络、三端三端网络网络、N端网络端网络等。等。B BA A图图1.1.6 1.1.6 1.2.1 电流及其参考方向电流及其参考方向 载流子（电子、离子等）的定向运动载流子（电子、离子等）的定向运动, 称为称为电流电流。其方向。其方

13、向规定为正电荷运动的方向。用符号规定为正电荷运动的方向。用符号i (I)表示，电流与电量的关表示，电流与电量的关系为系为q为极短时间为极短时间t内通过导体横截面的电荷量。内通过导体横截面的电荷量。 在国际单位制中，电流的单位为安（在国际单位制中，电流的单位为安（A）。其辅助单位为）。其辅助单位为毫安（毫安（mA）、微安（）、微安（ A）等。）等。 电流具有电流具有磁效应磁效应、热效应热效应和和化学效应化学效应等特征。等特征。 1.2 电流电流 电压及其参考方向电压及其参考方向1.2.2 电位、电压和电动势电位、电压和电动势 电位电位：在数值上等于电场力把单位正电荷从电场中某点：在数值上等于电场

14、力把单位正电荷从电场中某点移到无限远（参考点）处所作的功。移到无限远（参考点）处所作的功。 理论上认为，电场无限远处的电位为零，把它作为衡量理论上认为，电场无限远处的电位为零，把它作为衡量电场中各点电位的参考点。电场中各点电位的参考点。 工程上常选大地的电位为零，与大地相连的部件（如机工程上常选大地的电位为零，与大地相连的部件（如机壳）作为参考点，没有与大地相连部分的电路，常选取许多壳）作为参考点，没有与大地相连部分的电路，常选取许多元件的公共点作为参考点，并称为元件的公共点作为参考点，并称为“地地”，用符号，用符号“ ”表表示。示。 电路分析中，可任选电路中一点作为参考点，参考点用电路分析中

15、，可任选电路中一点作为参考点，参考点用接壳符号接壳符号“”标出，电路中某点标出，电路中某点a的电位记为为的电位记为为va(Va)。 电压：电压： 是描述电场力移动电荷时作功的物理量，它在数值上等于是描述电场力移动电荷时作功的物理量，它在数值上等于电场力把单位正电荷从电场中的电场力把单位正电荷从电场中的a点移到点移到b点所作的功。用字母点所作的功。用字母u(U)表示，表示，a、b两点间的电压记为两点间的电压记为Uab。下标。下标ab表示电压方向表示电压方向为为ab。 电压、电位的单位是伏特电压、电位的单位是伏特, 符号为符号为V。辅助单位有千。辅助单位有千伏（伏（kV）、毫伏（）、毫伏（mV）和

16、）和 微伏（微伏（V）等。）等。 电压和电位的关系为电压和电位的关系为由物理学知识可知：由物理学知识可知： (1)在电路中电压的方向为电位降低的方向。在电路中电压的方向为电位降低的方向。 (2)电位是相对，电压是绝对的。电路中各点的电位值都是电位是相对，电压是绝对的。电路中各点的电位值都是相对于参考点而言的，参考点不同，各点的电位是不同的；但相对于参考点而言的，参考点不同，各点的电位是不同的；但任意两点之间的电压即电位差是绝对的，与参考点无关。任意两点之间的电压即电位差是绝对的，与参考点无关。 (3)电位值和电压值与计算时所选取的路径无关。电位值和电压值与计算时所选取的路径无关。 电动势：电动

17、势： 是衡量电源非静电力克服电场力移动电荷时作功的物理量，是衡量电源非静电力克服电场力移动电荷时作功的物理量，在数值上等于非静电力把单位正电荷经电源内部，由低电位端在数值上等于非静电力把单位正电荷经电源内部，由低电位端移到高电位端所作的功。电动势用字母移到高电位端所作的功。电动势用字母e(E)表示，单位与电压表示，单位与电压相同，其方向为经电源内部由低电位指向高电位，即电源内部相同，其方向为经电源内部由低电位指向高电位，即电源内部电位升高的方向。电位升高的方向。1.2.3 电压、电流的参考方向电压、电流的参考方向 电压、电流是标量，但具有方向，在电路分析时，要正确电压、电流是标量，但具有方向，

18、在电路分析时，要正确地用数学表达式表示各物理量间的关系，需要知道各支路电流地用数学表达式表示各物理量间的关系，需要知道各支路电流和各元件电压的方向。而在较复杂的电路中，常常无法预知及和各元件电压的方向。而在较复杂的电路中，常常无法预知及判别出它们的方向。我们的做法是，给它们假设一个方向作为判别出它们的方向。我们的做法是，给它们假设一个方向作为分析电路的标准，这些假设的电压、电流方向称为分析电路的标准，这些假设的电压、电流方向称为参考方向参考方向，或称为或称为正方向正方向。 在电路图中，用箭头表示电压、电流的参考方向，用在电路图中，用箭头表示电压、电流的参考方向，用“+”、“-”表示电位的极性。

19、一般地，电路图上所标电压、表示电位的极性。一般地，电路图上所标电压、电流方向都是其参考方向。电流方向都是其参考方向。 在规定电压、电流的参考方向以后，可以用代数量来表示在规定电压、电流的参考方向以后，可以用代数量来表示电路中各支路电压、电流的大小和方向。电路中各支路电压、电流的大小和方向。当电压、电流的实际当电压、电流的实际方向与参考方向相同时，则依据参考方向求得的电压、电流的方向与参考方向相同时，则依据参考方向求得的电压、电流的值为正；反之为负值为正；反之为负。 电路元件的电压、电流参考方向可以任意选择。但其电压电路元件的电压、电流参考方向可以任意选择。但其电压和电流的实际方向间有一定的联系

20、。如欧姆定律，在电阻元件和电流的实际方向间有一定的联系。如欧姆定律，在电阻元件的电压和电流的参考方向一致时，可表示为的电压和电流的参考方向一致时，可表示为 ；但当假；但当假定电压和电流的参考方向相反时，其表达式为定电压和电流的参考方向相反时，其表达式为 。 为了电路分析方便起见，在假定电路元件的电压、电流参为了电路分析方便起见，在假定电路元件的电压、电流参考方向时，通常采用电压和电流一致的参考方向，并把这一参考方向时，通常采用电压和电流一致的参考方向，并把这一参考方向关系称为考方向关系称为关联参考方向关联参考方向。 说明说明：在表示各物理量时，小写字母表示变化的量，如：在表示各物理量时，小写字

21、母表示变化的量，如i、u；大写字母表示直流量、有流值、平均值等。；大写字母表示直流量、有流值、平均值等。1.3 电路的功和功率电路的功和功率1.3.1 功和功率的概念功和功率的概念 电路接通后，同时进行着电能和非电能的电路接通后，同时进行着电能和非电能的转换。由能量守恒可知，转换。由能量守恒可知，电源供给的电能等于电源供给的电能等于负载消耗或吸收电能的总和负载消耗或吸收电能的总和。 负载消耗或吸收的电能即电场力移动电荷负载消耗或吸收的电能即电场力移动电荷q所做的功，又称为所做的功，又称为电路的功电路的功，一般用，一般用W表示。表示。 电流传递、转换电能的速率叫电流传递、转换电能的速率叫电功率电

22、功率, 简称简称功率功率，用用p或或P表示。表示。 对于恒定电流，功和功率为对于恒定电流，功和功率为 功率的单位为瓦特，简称瓦功率的单位为瓦特，简称瓦(W)，辅助单位有千，辅助单位有千瓦瓦(kw)，毫瓦，毫瓦(mW)等。等。 功的单位为焦耳，简称焦（功的单位为焦耳，简称焦（J）。工程上常使用）。工程上常使用千瓦时（俗称为度）作为电功（能）的单位。千瓦时（俗称为度）作为电功（能）的单位。 1.3.2 功率的意义功率的意义 电压、电流是代数量，功和功率也是代数量。电压、电流是代数量，功和功率也是代数量。其正负的意其正负的意义与电压、电流参考方向配合有关义与电压、电流参考方向配合有关，这一点要特别注

23、意。，这一点要特别注意。 （1）对负载习惯上规定电压、电流的参考方向一致）对负载习惯上规定电压、电流的参考方向一致(为关为关联参考方向联参考方向)，其电功率的表达式为，其电功率的表达式为 （2）对电源惯上规定电压、电流参考方向相反，其电功）对电源惯上规定电压、电流参考方向相反，其电功率的仍可采用率的仍可采用 在这种规定的情况下，在这种规定的情况下，计算结果计算结果p0时，负载实际消耗功率，时，负载实际消耗功率，电源对外电路提供电能。当计算结果电源对外电路提供电能。当计算结果p0； P2和和P3的电压和电流的参考方向为非关的电压和电流的参考方向为非关联参考方向，视为电源联参考方向，视为电源 P2

24、= U2I=-84 W= -32 W0。故故P1 、P2为负载；为负载； P3为电源。为电源。 整个电路的功率为整个电路的功率为P=16+32-24 W=24 W0，总体上为消耗功率。，总体上为消耗功率。+ +- -+ + +- - -例例1.1图图 1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基尔霍夫定律基尔霍夫定律是德国物理学家是德国物理学家G基尔霍夫在基尔霍夫在1847年提出年提出的。它的。它是分析电路的依据，是分析电路的依据，阐述了电路中各支路电流间和回阐述了电路中各支路电流间和回路中各部分电压间各自遵循的规律。路中各部分电压间各自遵循的规律。 基尔霍夫定律包括两条：基尔霍夫电流定律（又称第一基

25、尔霍夫定律包括两条：基尔霍夫电流定律（又称第一定律）和基尔霍夫电压定律（又称第二定律）。定律）和基尔霍夫电压定律（又称第二定律）。1.4.1 基尔霍夫电流定律（简称基尔霍夫电流定律（简称KCL） 内容：在任何时刻内容：在任何时刻, 流出电路中任一结点的电流流出电路中任一结点的电流总和等于流出该结点的电流总和总和等于流出该结点的电流总和。即。即p为电流流入该结点的支路数，为电流流入该结点的支路数，q为电流流出该结点的为电流流出该结点的支路数。将上式右边移项到左边，则支路数。将上式右边移项到左边，则KCL的一般式为的一般式为 i=0因此，因此，KCL也可以表述为：也可以表述为：流出（或流入）一个节

26、点流出（或流入）一个节点的所有支路电流的代数和恒等于零的所有支路电流的代数和恒等于零。图图1.4.1 电路实例电路实例对图对图 1.4.1 中的节点中的节点a应用应用KCL则有则有 i1=i3+i4 -i1+i3+i4 =0 说明：说明： （1）KCL原是适原是适用于节点的用于节点的, 也可以也可以把它推广运用于电路把它推广运用于电路的任一假设的封闭面的任一假设的封闭面（称为（称为广义结点广义结点）。）。例如图例如图1.6.1所示封闭所示封闭面面S所包围的电路。所包围的电路。 -i1+i6+i2 =0 （2）该定律是瞬时定律，对任意电路都成立。）该定律是瞬时定律，对任意电路都成立。 （3）所谓

27、）所谓“流入流入”和和“流出流出”都以参考方向来判断，因都以参考方向来判断，因此在分析应用该定律时，必须先规定各支路电流的参考方向。此在分析应用该定律时，必须先规定各支路电流的参考方向。 （4）在应用）在应用i=0式列式列KCL方程时，将遇到两套正、负号方程时，将遇到两套正、负号问题，我们又称问题，我们又称电流具有双重符号电流具有双重符号。一套是各电流项前面的运。一套是各电流项前面的运算符号算符号“+”、“-”，它取决于电流正方向是流入还是流出结，它取决于电流正方向是流入还是流出结点。若规定流入结点（正方向指向结点）的电流项前为点。若规定流入结点（正方向指向结点）的电流项前为“+”号，则流出结

28、点（正方向背向结点）的电流项前为号，则流出结点（正方向背向结点）的电流项前为“-”号；号；反之亦然。另一套是电流值本身的正、负；它取决于电流的实反之亦然。另一套是电流值本身的正、负；它取决于电流的实际方向是否与参考方向相同。正值表示电流的实际方向与参考际方向是否与参考方向相同。正值表示电流的实际方向与参考方向相同，负值表示电流的实际方向与参考方向相反，因此，方向相同，负值表示电流的实际方向与参考方向相反，因此，电流定律又可表示为电流定律又可表示为 i=0 。1.4.2 基尔霍夫电压定律（简称基尔霍夫电压定律（简称KVL） 内容：任何时刻内容：任何时刻, 沿着任一个闭合回路循行一周，回路中沿着任

29、一个闭合回路循行一周，回路中所有支路电压的代数和恒等于零所有支路电压的代数和恒等于零。即。即 说明：说明： （1）该定律是瞬时定律，对任意电路都成立。）该定律是瞬时定律，对任意电路都成立。 （2）在应用式）在应用式 u=0列列KVL方程时，也将遇到两套正、负方程时，也将遇到两套正、负号问题。一套是式中电压号问题。一套是式中电压u前的正、负号，它取决于各部分电前的正、负号，它取决于各部分电压参考方向是否和循行方向一致；一致者，该电压项前面取压参考方向是否和循行方向一致；一致者，该电压项前面取“+”号，相反则取号，相反则取“-”号。另一套正、负号是电压值的正、号。另一套正、负号是电压值的正、负，取

30、决于其实际方向是否与参考方向一致。负，取决于其实际方向是否与参考方向一致。 （3）列）列KVL式之式之前要规定回路的循行方前要规定回路的循行方向。一般地，回路的循向。一般地，回路的循行方向是任意选择的，行方向是任意选择的，可用箭头表示，也可用可用箭头表示，也可用文字表示。文字表示。 在图在图1.4.1中中, 对回对回路路abcga 应用应用KVL, 有有 （4）KVL同样适用于不闭合的回路，如图同样适用于不闭合的回路，如图1.4.2所示所示ABCDA回路，回路，A、B间无支路连通，此时仍可根据间无支路连通，此时仍可根据KVL列出方列出方程程由上式可知断口处无电流，但存在电压。由上式可知断口处无

31、电流，但存在电压。图图 1.4.2 ABDC 例例 1.4.1 求例求例1.4.1图中电流图中电流I4、I5、I及电源电压及电源电压US。已知。已知I1=2 mA，I2=1 mA，I3=1 mA，R3=2 k ，R2=R4=2 k ，R5=1 k 。 解解 对结点对结点A、B、C列列KCL式得式得 代入已知条件得代入已知条件得 对对ACDUS回路列回路列KVL式得式得 BCDA例例1.4.1 图图 本节讨论电阻、电感、电容等无源元件电压、电流间的本节讨论电阻、电感、电容等无源元件电压、电流间的伏安特性。伏安特性。1.5.1 电阻元件电阻元件 电阻元件是一种将电能转化为热能的理想元件。电流通电阻

32、元件是一种将电能转化为热能的理想元件。电流通过电阻时，将受到阻碍，沿电流方向产生电压降，即过电阻时，将受到阻碍，沿电流方向产生电压降，即电阻上电阻上电流和电压的方向总是一致的电流和电压的方向总是一致的，如图，如图1.5.1(a)所示。电压降与所示。电压降与电流之间的关系遵从欧姆定律，在电流之间的关系遵从欧姆定律，在u、i满满足关联参考方向下，其表达式为足关联参考方向下，其表达式为 u=RiR是元件的是元件的电阻电阻，表示电阻元件对电流的阻，表示电阻元件对电流的阻碍能力（电能消耗）。碍能力（电能消耗）。+ +-图图 1.5.1(a)1.5 无源电路元件无源电路元件 电阻也可以用参数电阻也可以用参

33、数电导电导来表征，它是电阻的倒数，用字母来表征，它是电阻的倒数，用字母G来表示，即来表示，即G=1/R，则欧姆定律的表示式为，则欧姆定律的表示式为 i=Gu电导的单位是西门子，简称西，符号为电导的单位是西门子，简称西，符号为S。 电流通过电阻元件时电阻消耗的电功率，电流通过电阻元件时电阻消耗的电功率，在电流和电压满足关联参考方向下为在电流和电压满足关联参考方向下为 如果电阻元件的电流和电压的参考方向不关联如果电阻元件的电流和电压的参考方向不关联, 则欧姆定则欧姆定律的表达式为律的表达式为 或或图图 1.5.1(b) 线性线性电阻的伏安特性电阻的伏安特性Oiu1.5.2 电感元件电感元件 电感元

34、件是一种电能与磁场能量相互转换的理想元件。电感元件是一种电能与磁场能量相互转换的理想元件。 电流产生磁场。磁通电流产生磁场。磁通 是描述磁场的物理量，磁通是描述磁场的物理量，磁通 与产生与产生它的电流它的电流i之间的之间的关联方向关联方向符合右手螺旋定则，如图符合右手螺旋定则，如图1.5.3所示。所示。 通常用导线制成线圈以增强线圈内部空间的磁通常用导线制成线圈以增强线圈内部空间的磁场。磁通与线圈相交链，与场。磁通与线圈相交链，与N匝线圈交链的匝线圈交链的磁链磁链为为 =N 磁链磁链 与磁通与磁通 的单位韦伯，简称韦（的单位韦伯，简称韦（Wb）。）。 电感元件的磁链电感元件的磁链 与产生它的电

35、流与产生它的电流i成正比，其比例系数为成正比，其比例系数为常数，定义为常数，定义为电感电感L（自感系数），是电感元件的参数。即（自感系数），是电感元件的参数。即L= /i 或或 =Li 单位单位:亨利，简称亨亨利，简称亨(H)。辅助单位：毫亨。辅助单位：毫亨(mH)、微亨、微亨( H)。 i 图图 1.5.3 习惯上规定感应电动势习惯上规定感应电动势eL的参考方向与磁链的参考方向与磁链 的参考方向的参考方向符合右手螺旋定则，此时电感线圈中的感应电动势为符合右手螺旋定则，此时电感线圈中的感应电动势为 若规定电感元件的电压和电流若规定电感元件的电压和电流的参考方向如图所示，则根据的参考方向如图所示

36、，则根据KVL得得 对上式进行积分得，电感元件的电流和电压之间的关系为对上式进行积分得，电感元件的电流和电压之间的关系为ieLui+-+-eLL上式表明，电感元件在某一时刻的电流值不仅取决于区间上式表明，电感元件在某一时刻的电流值不仅取决于区间0 ,t的电压值，而且与电流的初始值有关，因此，的电压值，而且与电流的初始值有关，因此，电感元件具电感元件具有有“记忆记忆”功能，是一种记忆元件功能，是一种记忆元件。 在电压、电流关联参考方向下，电感元件吸收的电功率为在电压、电流关联参考方向下，电感元件吸收的电功率为 若电流若电流i由零增加到由零增加到I值，电感元件吸收的电能为值，电感元件吸收的电能为

37、若电流由若电流由I减少到零值，电感元件吸收的电能为减少到零值，电感元件吸收的电能为比较上两式，二者量值相等，因此，比较上两式，二者量值相等，因此，电感元件是储能元件电感元件是储能元件。 1.5.3 电容元件电容元件 电容元件是一种将外部电能与电场内部储能进行相互转换电容元件是一种将外部电能与电场内部储能进行相互转换的理想元件。的理想元件。 电容元件与电源接通以后，其极板上的电荷与两极板间的电容元件与电源接通以后，其极板上的电荷与两极板间的电压成正比，即电压成正比，即 q=Cu，或，或 C=q/u其中其中C定义为定义为电容电容，它表明电容储存电荷的能力。，它表明电容储存电荷的能力。 单位单位：法

38、拉，简称法：法拉，简称法(F)。辅助单位：微法。辅助单位：微法(mF)和皮法和皮法(pF)。 对电容元件，在如图所示的关联参考方向下（如在充电过对电容元件，在如图所示的关联参考方向下（如在充电过程中），电流和电压之间的关系为程中），电流和电压之间的关系为ui+-C 将上式两边积分并整理，可得电容电压的表达式将上式两边积分并整理，可得电容电压的表达式上式这表明，电容元件在某一时刻的电压值不仅决定于区间上式这表明，电容元件在某一时刻的电压值不仅决定于区间0,t的电流值，而且还与其初始电压有关，因此，的电流值，而且还与其初始电压有关，因此，电容元件电容元件也是记忆元件也是记忆元件。 在电压、电流关联

39、参考方向下，电容元件吸收的电功率为在电压、电流关联参考方向下，电容元件吸收的电功率为 电容电压由零升高到电容电压由零升高到U，电容器吸收的电能为，电容器吸收的电能为 电容电压由电容电压由U降到零，电容器吸收的电能为降到零，电容器吸收的电能为 比较上两式，二者量值相等，因此，比较上两式，二者量值相等，因此，电容元件是储能电容元件是储能元件元件。 1.6 有源电路元件有源电路元件 能给电路提供电能的元件为能给电路提供电能的元件为有源电路元件有源电路元件。 有源电路元件分为有源电路元件分为独立源独立源和和受控源受控源两大类。两大类。 独立源独立源能独立地给电路提供电压和电流，而不受其他支能独立地给电

40、路提供电压和电流，而不受其他支路的电压或电流支配；路的电压或电流支配；受控源受控源向电路提供的电压和电流，是向电路提供的电压和电流，是受其他支路的电压或电流控制的。受其他支路的电压或电流控制的。 本节介绍独立源，它包括两种理想模型电源电压源和电本节介绍独立源，它包括两种理想模型电源电压源和电流源；及实际电源元件。流源；及实际电源元件。 1.6.1 电压源电压源 电压源是一个理想二端元件。电压源具有两个特点电压源是一个理想二端元件。电压源具有两个特点: (1) 电压源对外提供的电压源对外提供的端电压端电压(又称又称源电压源电压)是确定的值是确定的值US或是某种确定的时间函数或是某种确定的时间函数

41、us(t), 与流过它的电流无关与流过它的电流无关(不不会因所接的外电路不同而改变会因所接的外电路不同而改变), 即即u(t)=us(t)。 (2) 通过电压源的电流通过电压源的电流i(t)由与它连接的外电路决定。由与它连接的外电路决定。 常见的电压源有直流电压源常见的电压源有直流电压源(源电压为恒定值源电压为恒定值)和正弦交和正弦交流电压源。其图形符号及伏安特性如下流电压源。其图形符号及伏安特性如下:图图1.6.1 电压源的图形符号电压源的图形符号图图1.6.2 直流电压源的伏安特性直流电压源的伏安特性uUSiO 说明说明: 电压为零的电压源相当于短路电压为零的电压源相当于短路。 对图对图1

42、.6.3所示参考方向所示参考方向, 电压源发出的功率为电压源发出的功率为 p=usi p0时时, 电压源发出功率；电压源发出功率； p0时时, 电压源接受功率。电压源接受功率。 与恒压源并联的元件对外电路不起作用，等效变换时可与恒压源并联的元件对外电路不起作用，等效变换时可以去掉。以去掉。 1.6.2 电流源电流源 电流源也是一个理想二端元件电流源也是一个理想二端元件,它具有以下两个特点它具有以下两个特点: (1) 电流源向外电路提供的电流电流源向外电路提供的电流(又称为又称为源电流源电流)是恒定值是恒定值IS或是某种确定的时间函数或是某种确定的时间函数is(t)，即，即i(t)=is(t),

43、与其端电压的大与其端电压的大小和方向无关。小和方向无关。 (2) 电流源的端电压电流源的端电压u(t)由与它连接的外电路决定。由与它连接的外电路决定。 直流电流源的源电流直流电流源的源电流Is为常数。电流源的图形符号如下。为常数。电流源的图形符号如下。图图1.6.4 电流源的图形符号电流源的图形符号uISiO图图1.6.5 直流电压源的伏安特性直流电压源的伏安特性+ +- - 电流为零的电流源相当于开路电流为零的电流源相当于开路。 在图在图1.6.4所示参考方向下，电流源发出的功率为所示参考方向下，电流源发出的功率为p=uis p0, 电流源发出功率电流源发出功率; p0, 电流源接受功率。电

44、流源接受功率。 与恒流源串联的元件对外电路不起作用，等效变换时可以与恒流源串联的元件对外电路不起作用，等效变换时可以去掉。去掉。 1.6.3 实际有源元件及其模型实际有源元件及其模型 电压源、电流源是由实际有源元件抽象出来的理想元件。电压源、电流源是由实际有源元件抽象出来的理想元件。一个实际有源元件如蓄电池、发电机等电源不仅产生电能，而一个实际有源元件如蓄电池、发电机等电源不仅产生电能，而且在能量转换过程中还有功率损耗，即存在内阻。且在能量转换过程中还有功率损耗，即存在内阻。 一个实际有源元件的电路模型可用一个电压源一个实际有源元件的电路模型可用一个电压源US与内阻与内阻RS的串联组合来表示，

45、也可以用一个电流源的串联组合来表示，也可以用一个电流源IS与内阻与内阻RS的并联组合的并联组合表示表示，如图，如图1.6.7(a)、(b)点画线框中部分所示。点画线框中部分所示。IRS+ +- -URLRSI+ +- -URL图图1.6.7(b)图图1.6.7(a) (a)图中电压源源电压的数值上等于实际有源元件的开路电压，图中电压源源电压的数值上等于实际有源元件的开路电压， (b)图中电流源源电流的数值等于实际有源元件的短路电流。图中电流源源电流的数值等于实际有源元件的短路电流。 以上两种电路模型分别简称为实际有源元件的以上两种电路模型分别简称为实际有源元件的电压源与内电压源与内阻串联组合阻

46、串联组合和和电流源与内阻并联组合模型电流源与内阻并联组合模型。由图。由图1.6.7可得两种可得两种组合模型的外特性方程为组合模型的外特性方程为1.6.4 电源互换原理电源互换原理两种电源组合模型的等效互换两种电源组合模型的等效互换 一个实际有源元件可以用两种电源组合模型表示，对外电一个实际有源元件可以用两种电源组合模型表示，对外电路来说是等效的。这就说明，电压源组模型和电流源组合模型路来说是等效的。这就说明，电压源组模型和电流源组合模型是可以相互等效互换的，这一变换原理简称为是可以相互等效互换的，这一变换原理简称为电源互换原理电源互换原理。 由组合模型的外特性方程可得转换的条件为由组合模型的外

47、特性方程可得转换的条件为 或或注意：内阻不变；注意：内阻不变； 理想电压源和理想电流源不能等于互换。理想电压源和理想电流源不能等于互换。RS+ +- -URS+ +- -U电压源联接注意事项电压源联接注意事项 电流源联接注意事项电流源联接注意事项 要求要求Us1 = Us2 不要求不要求is1=is2 不要求不要求Us1 = Us2 要求要求is1=is2 例例1.6.1 一实际电源给负载一实际电源给负载RL供电，已知电流的开路电压供电，已知电流的开路电压UOC=4 V，内阻，内阻RS=1 。试画了电源的两种组合模型，并计算负。试画了电源的两种组合模型，并计算负载载RL分别接于两种模型时的电流

48、、电压和消耗的功率以及电流分别接于两种模型时的电流、电压和消耗的功率以及电流产生和内部消耗的功率。产生和内部消耗的功率。 解解 （1）电源的电压源组合模）电源的电压源组合模型如下。其中型如下。其中 ， ， 。由图可得由图可得负载电流为负载电流为负载电压为负载电压为负载消耗的功率为负载消耗的功率为电源产生的功率为电源产生的功率为电源内部消耗的功率为电源内部消耗的功率为IRS+ +- -URL （2）电源的电流源组合模型如）电源的电流源组合模型如下。其中下。其中 ， ， 。由图可得由图可得负载电流为负载电流为负载电压为负载电压为负载消耗的功率为负载消耗的功率为电源产生的功率为电源产生的功率为电源内

49、部消耗的功率为电源内部消耗的功率为 本例表明，同一实际电源的两种组合模型向负载提供的电本例表明，同一实际电源的两种组合模型向负载提供的电压、电流和功率都相同，但其内部产生的功率和损耗则不同，压、电流和功率都相同，但其内部产生的功率和损耗则不同，因此，因此，两种电源组合模型对外电路的作用是等效的，但内部并两种电源组合模型对外电路的作用是等效的，但内部并不等效不等效。RSI+ +- -URL 例例1.6.2 试求以下电压源模型的等效电流源模型及电流试求以下电压源模型的等效电流源模型及电流源模型的等效电压源模型。源模型的等效电压源模型。例例1.6.3 试求以下电路的等效电流源模型和等效电压源模型。试

50、求以下电路的等效电流源模型和等效电压源模型。1.8 电路的基本状态和电气设备的额定值电路的基本状态和电气设备的额定值1.8.1 电路的基本状态电路的基本状态 电路有三种基本状态，即通路（有（负）载）、开路、电路有三种基本状态，即通路（有（负）载）、开路、短路短路。 通路通路(有载有载)：如右图所示，：如右图所示，开关开关K合上时电路的工作状态称为合上时电路的工作状态称为通路通路或或有载有载状态状态。这时电路的主要特征为：。这时电路的主要特征为： 电源向负载提供电流，电源向负载提供电流， 。 电源端电压与负载端电压相等，电源端电压与负载端电压相等， ， 开路（空载）：开路（空载）：开关开关K断开

51、时，或由于其他原因切断电断开时，或由于其他原因切断电源与负载间的连接的工作状态称，为源与负载间的连接的工作状态称，为开路（空载）开路（空载），这时电，这时电路的主要特征为路的主要特征为 电流的电流为零，电流的电流为零，I=0。 负载的电流、电压和得到的功率都为零。负载的电流、电压和得到的功率都为零。对电源来说称为空载状态，不向负载提供电压、电源和功率，对电源来说称为空载状态，不向负载提供电压、电源和功率，但此时电源的端电压（开路电压）最大。但此时电源的端电压（开路电压）最大。 短路：短路：由于工作不慎或负载的绝缘由于工作不慎或负载的绝缘破损等原因，致使电源两端被阻值近似破损等原因，致使电源两端

52、被阻值近似为零的导体连通，称为为零的导体连通，称为短路短路，这时电路，这时电路的主要特征为的主要特征为 电源的端电压，即负载的的电压为零。电源的端电压，即负载的的电压为零。FU 负载的电流与功率亦为零。负载的电流与功率亦为零。 通过电源的电流最大，为短路电流通过电源的电流最大，为短路电流 。由于。由于力能（强电）电路内阻很小，电流相当大，电源产生的功率很力能（强电）电路内阻很小，电流相当大，电源产生的功率很大，且全部被内阻所消耗，若不采取防范措施，将会使电源设大，且全部被内阻所消耗，若不采取防范措施，将会使电源设备烧毁，导致火灾事故发生。因此，备烧毁，导致火灾事故发生。因此，短路一般是一种事故

53、，要短路一般是一种事故，要尽量避免尽量避免。 严格遵守操作规程和经常检查电气设备及线路的绝缘情况，严格遵守操作规程和经常检查电气设备及线路的绝缘情况，是避免出现短路事故的重要措施。另外为了防止出现短路而造是避免出现短路事故的重要措施。另外为了防止出现短路而造成的严重后果，通常在电路中接入熔断器，如前图中的成的严重后果，通常在电路中接入熔断器，如前图中的FU。 1.8.2 电气设备的额定值电气设备的额定值 电气设备的额定值电气设备的额定值是指导用户正确使用电气设备的技术数是指导用户正确使用电气设备的技术数据。这些技术数据是根据生产过程的要求和条件的需要设计制据。这些技术数据是根据生产过程的要求和

54、条件的需要设计制定的。定的。 电气设备的额定值电气设备的额定值就是电气设备在电路的正常运行下就是电气设备在电路的正常运行下,能能承受的电压，允许通过的电流，以及它们吸收和产生功率的限承受的电压，允许通过的电流，以及它们吸收和产生功率的限额。额定值用表示物理量的文字符号加下标额。额定值用表示物理量的文字符号加下标N表示，一如额定表示，一如额定电压电压UN、额定电流、额定电流IN、额定功率、额定功率PN和额定温升等等，其大小和额定温升等等，其大小通常标在设备的铭牌或在说明书中给出。某些额定值间有着某通常标在设备的铭牌或在说明书中给出。某些额定值间有着某种确定的、简单的数学关系，因此，设备的额定值并

55、不一定全种确定的、简单的数学关系，因此，设备的额定值并不一定全部标出，但在一些手册中可全部查到。部标出，但在一些手册中可全部查到。 电气设备的额定值的意义请参见教材。电气设备的额定值的意义请参见教材。例例1.8.1 一直流发电机，其额定电压为一直流发电机，其额定电压为UN=220 V，额定功率为，额定功率为PN=2.2KW。（。（1）该发电机的额定电流）该发电机的额定电流IN和额定负载电阻和额定负载电阻RN。（2）将）将10只只220V、40W的灯泡并联作为该发电机的负载，这的灯泡并联作为该发电机的负载，这些灯泡是否正常工作？为什么？（些灯泡是否正常工作？为什么？（3）发电机的输出功率。）发电

56、机的输出功率。解：（解：（1）该发电机的额定电流）该发电机的额定电流IN为：为：IN=PN/UN=2.2103/220=10 A，额定负载电阻额定负载电阻RN为：为： RN= UN/ IN=220/10=22 。 (2)将将10只只220V、40W的灯泡并联作为该发电机的负载时，因的灯泡并联作为该发电机的负载时，因为这些灯泡的实际电压与额定电压相等为这些灯泡的实际电压与额定电压相等,所以它们能正常工作。所以它们能正常工作。 （3）因为）因为10只只220V、40W的灯泡只需的灯泡只需1040=400W功率，所功率，所以发电机也就只发出以发电机也就只发出400W功率。所以，本题中的发电机并没有功率。所以，本题中的发电机并没有工作在额定状态。工作在额定状态。作业：作业：教材教材P2931：1.14、1.27、1.38。Class is Over! Thank you! Boys and girls!