CH01 电路的基本概念与基本定律

1.1 1.2 ※1.3 ※1.4 1.5 ※1.6 1.7 电路的作用与组成部分 电路模型 电压和电流的参考方向 欧姆定律 电源有载工作、开路与短路 基尔霍夫定律 电路中电位的概念及计算
1.1 电路的作用与组成部分
电路 — 若干电气设备或元件按照
一定方式组合起来的电流的通路。
1.1 电路的作用与组成部分
R0 I
U
R
b
负载电阻两端的电压为 U=IR 或写成U=E-IR0
可见电源端电压小于电动势，二者 之差为电源内阻的电压降IR0
1. 电源外特性
电源外特性关系式
U=E-IR0 U
E
R0« R
O
I
电源的外特性曲线
• 一般常见电源的内阻 都很小当R0« R时， 则 U E • 此时当电流(负载)变 动时，电源的端电压 变化不大。
a
E R0
b
U
R
式中：
PE = EI P = UI
为电源产生的功率 为电源输出的功率
P = I2R0 为电源内阻上消耗的功率
e.g. 1.4
（P15 例1.5.1）
已知:电路中，U=220V， I=5A，内阻R01= R02= 0.6。 求:(1)电源的电动势E1 和负载的反电动势E2 ； (2)说明功率的平衡 关系。
电压的实际方向与参考方向
• 实际方向：由高电位指向低电位，即电位降 的方向。
• 在分析电路之前，可以任意选择某一方向为电 压的参考方向。当实际电压方向与参考方向一 致时，电压值为正，反之为负。 • 参考方向的表示方法（三种）：
Uab
a
+
－
b
关联参考方向
如果指定的通过元件的电流的参考方向是 从标有电压“+”极性一端指向电压“-”极性一 端，则称电流和电压参考方向一致，即关联。
e.g. 1.1
• 如图所示
电动势为E=3V 方向由负极“-”指向正极 “+” 电压为U=2.8V 由指向 电流为I=0.28A 由流向 其参考方向为关联方向。 U 与 I 的参考方向选择亦 为关联方向的定义方式。 I=0.28A E=3V + R0 I =-0.28A
U=2.8V U =-2.8V
在使用电气设备或元器件时不得超过其额定值， 以免影响其正常使用甚至使其遭到损坏。 在使用电气设备或元件时，电压、电流、 功率的实际值不一定等于它们的额定值。
e.g. 1.5
（P16 例1.5.2）
已知：有一220V 60W的电灯，接在220V的电源上， 求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时电阻， 如每晚用3小时，问一个月消耗电能多少？ 解：
如图电压和 电流为关联 参考方向 a I a I
+
U
U
b
b
-
+
电 动 势
• 正电荷从高电位a向低电位b移动，
a端的正电荷逐渐减少会使其电位逐 渐降低。
a Eab b _ + I
•
为维持导体中的电流能够连续不
断地流过，且应使得导体a、b两端 的电压不致丧失，就要将b端的正电 荷移至a端。但电场力的作用方向恰 好与此相反，因此就必须要有另一 种力去克服电场而使b端的正电荷移 至a端。电源中必具有这种力——电 源力。
U 6V
(a)
R
U 6V
(b)
R
U -6V
(c)
R
U -6V
(d)
R
欧姆定律的符号
e.g. 1.2
• 对于(a)图
• 对于(b)图
U 6 R 3 I 2
2A U 6V (a)
6 U 3 R 2 I
-2A I
I
R
U 6V
(b)
R
e.g. 1.2
• 对于(c)图
• 对于(d)图
本节讨论问题的理论依据是欧姆定律
如图电路：
a
E R0 b U R
E 为电源的电动势 U 为电源的端电压 R0 为电源的内阻 R 为电路负载电阻
1.5 电路的工作状态
a
E R0 b
c
I
开关断开
R
开路
有载
U
开关闭合
d
cd短接
短路
一.有载工作状态
• 当开关闭合，电源与负载接通， a 即电路处于有载工作状态。 电路中的电流为 I=E/(R0+R) E 当电源电动势E和内阻R0一 定时，负载电阻R愈小，则 电流I愈大。
6 U 3 R 2 I
2A U -6V (c) I R
U 6 R 3 I 2
-2A U -6V (d) I R
电阻的伏安特性
I
R
l S
I
o
U
o
U
线性电阻伏安特性
非线性电阻伏安特性
e.g. 1.3
（P12 例1.4.2）
• 计算图中电阻R的 解：a点电位比b点电位低12V 值，已知Uab=-12V n点电位比b点电位低7V
Uab
电源力
电 动 势
• 大小：电源电动势Eab的数值等于电源力把单位
正电荷从电源的低电位b端经电源内部移到电源 高电位a端所作的功，也就是单位正电荷从电源 低电位端移到高电位端所获得的能量。
• 方向：电动势的实际方向是由电源低电位端指
向电源高电位端，即电位升。
• 单位：与电压的单位相同: 伏特(V) • 标量性：电动势、电压和电流都是标量。
几个概念
激励与响应
激励 — 电源或电信号的电压或电流。 响应 — 由激励在电路各部分产生的电压或电流。
电路分析与电路综合
电路分析 电路综合
电路结构 元件参数
激励与响 应的关系
1.2 电路模型
为什么电路元件要理想化?
便于对实际电路进行分析和用数学描述， 将实际元件理想化（或称模型化）。
电流、电压 电荷、磁通
a
E1=5V n I= -2A R Unm m
m点电位比b点电位高3V 于是： n点电位比m 点电位低 7+3 =10V 即 Unm = - 10V
U nm 10 R 5 I 2
E2=3V
b
• P13 【练习与思考】1.4.2
1.5 电路的工作状态
• 本节讨论直流电路的有载工作状态、开路 状态和短路状态，所讨论的内容有电流、 电压及功率等方面的特性。
参考方向是在分析计算时 人为规定的方向。
电 流
概念: 电荷有规则的定向运动。 方向: 正电荷移动的方向。 大小: 单位时间通过导体横 截面的电荷量。 单位: 安培(A) 毫安(mA) 微安(A)
a S Iab b
i =dq / dt
I=q/t
(DC)
电流的实际方向
• 习惯上规定正电荷的运动方向(或负电荷 运动的相反方向)为电流的正方向。电流 的正方向是客观存在！ • 在分析问题前，有时无法预知电流的实 际方向；而交流电路的电流方向又时刻 发生变化，也无法指定其电流方向。
电路的作用 （1）能量的传输和转换 （2）信号的传递和处理 （3）测量电量 （4）存储信息
电路的组成
（1）电源 （2）负载 （3）中间环节
能量的传输和转换
发电机
升压
变压器
输电线
降压 变压器
电灯 电动机 电炉…
电源
中间环节
电力系统电路示意图
负载
信号的传递和处理
信号源
放 大 器
负载
中间环节 扩音机电路示意图
P = UI P=U2/R=I2R0
U
功率值的正负与电流、电压的正负及方向有关。
3. 电源与负载的判定
从实际方向考虑 电源：U与I的实际方向相反，I 从“+”端流 出，发出功率。 负载：U与I的实际方向相同，I 从“+”端流 入，取用功率。
I U
电源Biblioteka a baU
I R
a
U
I R
b
负载
b
3. 电源与负载的判定
2. 功率与功率平衡
功率 — 设电路任意两点间的电压为 U ,
流入此部分电路的电流为 I， 则这部分电路
消耗的功率为:
a
I
P=UI
E R0
U
R
单位：瓦特(W)或千瓦(kW) 1W功率的含义是：在1s时间内，转换1J的能量。
b
2. 功率与功率平衡
I
• 当式U=E-IR0各项乘以 电流I时，得到 UI= EI-I2R0 或 P = PE - P
第 1 章 电路的基本概念与基本定律
河北工业大学
电工学教研室
基本要求
• • • • 了解电路模型及理想电路元件的意义； 理解电压、电流的参考方向的意义； 理解电路基本定律并能正确应用； 了解电路的有载工作状态、开路、短路 状态； • 理解额定值及电功率的意义； • 理解电位的概念及其计算。
目 录
E1I是电源产生的功率；E2I是负载取用的功率；I2R01是 电源内阻上损耗的功率；I2R02是反电动势电源(负载)内 阻上损耗的功率。可见电路具有功率平衡特性。
*3. 电源与负载的判定
分析电路时，如何判别哪个元件是电源？哪个是负载？ 对于电阻R，其消耗的功率
电源 I 负载 E2 R02
E1 或 作为负载，其电流与电压 R01 的实际方向与参考方向均关联。
电路元件的理想化
在一定条件下突出元件主要的电磁性质， 忽略其次要因素，把它近似地看作理想电路元 件。
电路与电路模型
导线 灯 泡
开关 电 池
I
S
E
R0
＋
U
R
－
常用理想元件符号
• 电阻元件 • 电容元件 R C L IS