电路基本概念和基本定律
《电工与电子技术》电路的基本概念和基本定律
第二节 电路的基本物理量
第二节 电路的基本物理量
第二节 电路的基本物理量
通常电业部门用kW·h（千瓦时）测量用户消耗的电能。1kW·h（或1度电）
是功率为1kW的元件在1h内消耗的电能，即1kW·h = 3 600 000 J。
电气设备或元件长期正常运行的电流容许值称为额定电流，其长期正常运
行的电压容许值称为额定电压，额定电压和额定电流的乘积称为额定功率。
反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。电源电动势使电源两
端产生电压。电源电压在数值上与电源电动势相等。在电路中，电动势常用E
表示。单位是伏（V）。电路中，电压的实际方向定义为电场力推动正电荷移
动的方向，也就是电位降低的方向。可用极性“+”和“－”表示，其中“+”
表示高电位，“－”表示低电位。也可用一个箭头或双下标表示，如Uab表示
到另一点所做的功为1焦耳时，该两点间的电压为1伏特。常用的电压单位还有
千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（μV）。
第二节 电路的基本物理量
u ab
dw
dq
（1-4）
第二节 电路的基本物理量
电路中的电流和电压由电源电动势维持。电源电动势是指在电源内部，
非静电力把正电荷从负极板移到正极板时要对电荷所做的功。电源电动势是
称模型化），即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略其次要因素，把
它近似地看作理想电路元件。由理想电路元件组成的与实际电路元件相对应
的电路，并用统一规定的符号表示而构成的电路，就是实际电路的电路模型，
它是对实际电路电磁性质的科学抽象和概括。
第一节 实际电路和电路模型
理想电路元件（今后“理想”两字常略去不写）主要有理想电压源、理想
电路的基本概念和基本定律
电路的基本概念和基本定律
电路基本概念和基本定律
电路是由电工设备或元件按照一定方式组合而成，用于实现电能的传输和转换，以及传递和处理信号。
一般电路由电源、负载和连接导线组成。
电源是一种将其他形式的能量转换成电能或电信号的装置，如发电机、电池和各种信号源。
负载是将电能或电信号转换成其他形式的能量或信号的用电装置，如电灯、电动机、电炉等。
变压器和输电线是连接电源和负载的部分，起到传输和分配电能的作用。
电路分为外电路和内电路。
从电源一端经过负载再回到电源另一端的电路称为外电路，而电源内部的通路则称为内电路。
电路有三种状态：通路、开路和短路。
通路是连接负载的正常状态。
开路是电路中某处的连接导线断开，电路中的电流
为零，电源不输出电能。
短路是非正常连接，外电路的电阻可视为零，电流有捷径可通，不再流过负载。
电路中产生电流的条件是电路中有电源供电且电路必须是闭合回路。
电路的功能包括传递和分配电能，以及传递和处理信号。
电路的基本定律包括欧姆定律、基尔霍夫定律和电功率定律。
欧姆定律指出电流与电阻成正比，与电压成反比。
基尔霍夫定律分为节点定律和回路定律，用于分析电路中的电流和电压分布。
电功率定律则描述了电路中能量的转换和损失。
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
伏-安关系： 电压电流关系 （u，i关联参考方向下）
i u e
N
d e dt dLi di L dt dt
di u e L dt
电磁感应定律 感应电动势阻碍电流 变化，且其大小与电 流变化快慢有关
对于线性电感
伏安关系
说明1： 电压与电流的变化率成正比，电感是动态元件 当
如果U 、I方向不 一致该如何？
江苏大学电工电子教研室
电路的基本概念和基本定律
二、功率的计算：
U、 I 为关联参考方向时： U、 I 为非关联参考方向时：
P = UI或 p＝ui
三、功率性质： 若计算结果 P（p） 0
若计算结果P（p） 0
Hale Waihona Puke + u –+
i
i
u –
P = －UI或 p＝－ui
电工技术（电工学I）
第一章 电路的基本概念和基本定律 Basic conception and Laws of circuit
江苏大学电气信息工程学院
School of electric and information，UJS
电路的基本概念和基本定律
内容
1.1 电路的作用与组成
1.2 电路模型 1.3 电流和电压的参考方向 1.4 电路的功率
江苏大学电工电子教研室
电路的基本概念和基本定律
4.关联与非关联参考方向 对任一元件或一段电路 关联方向：
I
与
U
的参考方向一致
a
I U
b
非关联方向：
I
与
U
的参考方向相反
a
第一章电路的基本概念和基本定律
开关
实际电路
电源
电路模型 3
（1）电源：供给电能的设备。
把其它形式的能量转换为电能。
（2）负载： 消耗电能的设备。
把电能转换为其它形式的能量
（3）中间环节（又称传输控制环节）：
各种控制电器和导线，起传输、分 配、控制电能的作用。
4
1.1.2 电路中的物理量 1、电流
定义 电荷有规律的定向运动即形成电流
(2) 列电路方程：
Uab UR E
UR Uab E
IR
UR R
Uab E R
15Leabharlann R aIR E UR
b U
IR
U
R
E
(3) 数值计算
U 3V
IR
3-2 1
1A
（实际方向与假设方向一致）
U 1V
IR
1 2 1
1A
（实际方向与假设方向相反）
16
（共7 个）
31
(一) 克氏电流定律（KCL）
对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于由节点
流出的电流, 即： I 入= I 出 或者说，在任一瞬 间，一个节点上电流的代数和为 0。 即： I =0
例
I2
I1 I3 I2 I4
I1
I3
或：
I4
I1 I3 I2 I4 0
(二) 克氏电压定律（KVL）
对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其 电位升等于电位降。或各电压的代数和为 0。
I1
a
I2
即： U 0
R1
R2
例如： 回路 #3
电路的基本概念和基本定律
电路的基本概念和基本定律一、电路基本概述1.电流流经的路径叫电路，它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的，它的作用是A：实现电能的传输和转换；B：传递和处理信号（如扩音机、收音机、电视机）。
一般电路由电源、负载和连接导线（中间环节）组成。
（1）电源是一种将其它形式的能量转换成电能或电信号的装置，如：发电机、电池和各种信号源。
（2）负载是将电能或电信号转换成其它形式的能量或信号的用电装置。
如电灯、电动机、电炉等都是负载，是取用电能的设备，它们分别将电能转换为光能、机械能、热能。
（3）变压器和输电线是中间环节，是连接电源和负载的部分，它起传输和分配电能的作用。
2. 电路分为外电路和内电路。
从电源一端经过负载再回到电源另一端的电路，称为外电路；电源内部的通路称为内电路。
3．电路有三种状态：通路、开路和短路。
（1）通路是连接负载的正常状态；（2）开路是R→∝或电路中某处的连接导线断线，电路中的电流I＝0，电源的开路电压等于电源电动势，电源不输出电能。
例如生产现场的电流互感器二次侧开路，开路电压很高，将对工作人员和设备造成很大威胁；（3）短路是相线与相线之间或相线与大地之间的非正常连接，短路时，外电路的电阻可视为零，电流有捷径可通，不再流过负载。
因为在电流的回路中仅有很小的电源内阻，所以这时的电流很大，此电流称为短路电流。
短路也可发生在负载端或线路的任何处。
产生短路的原因往往是由于绝缘损坏或接线不慎，因此经常检查电气设备和线路的绝缘情况是一项很重要的安全措施。
为了防止短路事故所引起的后果，通常在电路中接入熔断器或自动断路器，以便发生短路时，能迅速将故障电路自动切除。
4、电路中产生电流的条件：（1）电路中有电源供电；（2）电路必须是闭合回路；5、电路的功能：（1）传递和分配电能。
如电力系统，它是由发电机，升压变压器，输电线、降压变压器、供配电线路和各种高、低压电器组成。
（2）传递和处理信号。
电路的基本概念和定律、定理
基尔霍夫电流定律
总结词
基尔霍夫电流定律也称为节点电流定 律，它指出在电路中，流入一个节点 的电流总和等于流出该节点的电流总 和。
详细描述
这意味着对于任意一个封闭的电路或 节点，所有流入的电流必须等于所有 流出的电流。这个定律是电路分析中 的一个基本原则，适用于任何电路中 的节点。
基尔霍夫电压定律
对于高频交流信号，诺顿定理可能不适用， 因为电路的分布参数效应需要考虑。
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05
CATALOGUE
诺顿定理
诺顿定理的定义
01
诺顿定理：在任何线性无源二端 网络中，对其外部任一节点，流 入该节点的电流代数和等于零。
02
诺顿定理是电路分析中的重要定 理之一，它与基尔霍夫电流定律 （KCL）相似，但适用于更广泛 的电路情况。
诺顿定理的应用
01
02
03
验证电路的正确性
通过应用诺顿定理，可以 验证电路中电流的正确性 ，确保电路设计无误。
电路的组成
总结词
电路的组成包括电源、负载、开关、导线等部分。
详细描述
电源是电路中提供电能的设备，如电池、发电机等；负载是电路中消耗电能的 设备，如灯泡、电机等；开关用于控制电路的通断；导线用于连接各元件，形 成电流的通路。
电路的状态
总结词
电路的状态分为开路、短路和闭路三种。
详细描述
开路是指电路中无电流通过的状态，通常是由于开关未闭合或导线断开等原因造成的；短路是指电流不经过负载 直接由电源正负极流过的状态，会导致电流过大、发热甚至烧毁电源；闭路是指电路中电流正常流通的状态，负 载正常工作。
总结词
基尔霍夫电压定律也称为回路电压定律，它指出在电路中，沿着任意闭合回路的电压降总和等于零。
电路基本概念与定律
电路基本概念与定律在现代科技的飞速发展中，电路是一个至关重要的概念。
无论是家庭电器、通信设备还是计算机系统，电路都扮演着一个不可或缺的角色。
本文将介绍电路的基本概念以及一些重要的定律。
一、电路的基本概念电路是由电子元件、导线以及其他连接部件组成的。
它们通过导电材料形成一个封闭的路径，使电流可以在其中流动。
在电路中，电子元件扮演着非常重要的角色。
电子元件包括电阻、电容和电感等。
它们分别对电流、电压和电磁场产生不同的影响，从而决定了电路的性质和功能。
二、欧姆定律欧姆定律是电路中最基本、最重要的定律之一。
它表明了电压、电流和电阻之间的关系。
根据欧姆定律，电流等于电压与电阻之间的比值，即I = V/R，其中I表示电流，V表示电压，R表示电阻。
根据欧姆定律，我们可以计算电路中的电流、电压和电阻的数值，并根据需求对电路进行优化和改进。
欧姆定律为电路的设计和分析提供了重要的理论支持。
三、基尔霍夫定律基尔霍夫定律是电路分析的基础之一。
它包括基尔霍夫第一定律和基尔霍夫第二定律。
基尔霍夫第一定律（电流定律）指出在任何一个电路节点，进入节点的电流等于离开节点的电流的总和。
基尔霍夫第二定律（电压定律）指出在电路中的任何一个闭合回路中，电压的代数和等于零。
这意味着电路中的电压可以根据闭合回路的电流和电阻进行计算。
凭借基尔霍夫定律，我们可以对复杂的电路进行分析，研究电流和电压的分布情况，从而了解电路的工作原理和性能。
四、功率和能量在电路中，功率和能量也是非常重要的概念。
功率表示单位时间内电路所消耗或产生的能量（或做功）的大小。
在直流电路中，功率可以通过电压和电流的乘积来计算，即P = VI。
能量表示电路中储存的电荷的能量。
在电容器和电感器中，电能可以以电势能和磁场能的形式存在。
能量也可以通过功率和时间的积分来计算。
理解电路中的功率和能量有助于我们评估电路的效率和耗能情况，从而在实际应用中进行合理的选择和设计。
五、总结电路作为现代科技的核心，理解电路的基本概念和定律对于电子工程师和科技爱好者来说至关重要。
电路的基本概念和基本定律
一、电压和电流
I
• 电路特征： I = E/(R0+R) U = IR = E – IR0 将上式乘以I，得 P = PE - △ P
+ E -
+
R
R0
U -
图3 电源有载工作
＜ ＜
< >
＞ ＞
二. 功率与功率平衡
UI EI I RO
2
P PE P
P: 电源输出的功率 PE : 电源产生的功率
＜ ＜
< >
＞ ＞
四. 额定值与实际值 ·额定值: 制造厂为了使电子设备能在给定的工作 条件下正常运行而规定的正常允许值。 ·使用时，电器的电压、电流、功率 实际值不一定等于额定值。 ①电器受外界影响 (eg:电压波动)。 ②负载变化时，电流、功率通常不一定处 于 额定工作状态。
＜ ＜
< >
＞ ＞
例
I2
I1 I 3 I 2 I 4
I3
I1
I4
或：
I1 I 3 I 2 I 4 0
＜ ＜
克氏电流定律的依据：电流的连续性。
< >
＞ ＞
1.6.2
基尔霍夫电压定律（KVL)
对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其 电位升等于电位降。或，电压的代数和为 0。 b 即： U 0 I1 I2
电动势的参考方向: 任选一方向为电动势的正方向。 电压、电动势的单位：伏特（V）。
＜ ＜
< >
＞ ＞
电压、电动势的表示方法：
a
1.箭头 2.正负号 3.双下标
电压、电流方向间的关系： 正方向相一致：
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第一章电路基本概念和基本定律知识要点·了解电路和电路模型的概念；·理解电流、电压和电功率；理解和掌握电路基本元件的特性；·掌握电位和电功率的计算；会应用基尓霍夫定律分析电路。
随着科学技术的飞速发展，现代电工电子设备种类日益繁多，规模和结构更是日新月异，但无论怎样设计和制造，几乎都是由各种基本电路组成的。
所以，学习电路的基础知识，掌握分析电路的规律与方法，是学习电工学的重要内容，也是进一步学习电机、电器和电子技术的基础。
本章的重点阐明有关电路的基本概念、基本元件特性和电路基本定律。
电路和电路模型1.1.1 电路的概念1. 电路及其组成简单地讲，电路是电流通过的路径。
实际电路通常由各种电路实体部件（如电源、电阻器、电感线圈、电容器、变压器、仪表、二极管、三极管等）组成。
每一种电路实体部件具有各自不同的电磁特性和功能，按照人们的需要，把相关电路实体部件按一定方式进行组合，就构成了一个个电路。
如果某个电路元器件数很多且电路结构较为复杂时，通常又把这些电路称为电网络。
手电筒电路、单个照明灯电路是实际应用中的较为简单的电路，而电动机电路、雷达导航设备电路、计算机电路，电视机电路是较为复杂的电路，但不管简单还是复杂，电路的基本组成部分都离不开三个基本环节：电源、负载和中间环节。
电源是向电路提供电能的装置。
它可以将其他形式的能量，如化学能、热能、机械能、原子能等转换为电能。
在电路中，电源是激励，是激发和产生电流的因素。
负载是取用电能的装置，其作用是把电能转换为其他形式的能（如：机械能、热能、光能等）。
通常在生产与生活中经常用到的电灯、电动机、电炉、扬声器等用电设备，都是电路中的负载。
中间环节在电路中起着传递电能、分配电能和控制整个电路的作用。
最简单的中间环节即开关和联接导线；一个实用电路的中间环节通常还有一些保护和检测装置。
复杂的中间环节可以是由许多电路元件组成的网络系统。
图1-1所示的手电筒照明电路中，电池作电源，灯作负载，导线和开关作为中间环节将灯和电池连接起来。
金属连片图1-1手电筒照明实际电路2. 电路的种类及功能工程应用中的实际电路，按照功能的不同可概括为两大类：一是完成能量的传输、分配和转换的电路。
如图1-1中，电池通过导线将电能传递给灯，灯将电能转化为光能和热能。
这类电路的特点是大功率、大电流；二是实现对电信号的传递，变换、储存和处理的电路，如图1-2是一个扩音机的工作过程。
话筒将声音的振动信号转换为电信号即相应的电压和电流，经过放大处理后，通过电路传递给扬声器，再由扬声器还原为声音。
这类电路特点是小功率、小电流。
1.1.2电路模型实际电路的电磁过程是相当复杂的，难以进行有效地分析计算。
在电路理论中，为了方便于实际电路的分析和计算，我们通常在工程实际允许的条件下对实际电路进行模型化处理，即忽略次要因素，抓住足以反映其功能的主要电磁特性，抽象出实际电路器件的“电路模型”。
例如电阻器、灯泡、电炉等，这些电气设备接受电能并将电能转换成光能或热能，光能和热能显然不可能再回到电路中，因此我们把这种能量转换过程不可逆的电磁特性称之为耗能。
这些电气设备除了具有耗能的电特性，当然还有其它一些电磁特性，但在研究和分析问题时，即使忽略其他这些电磁特性，也不会影响整个电路的分析和汁算。
因此，我们就可以用一个只具有耗能电特性的“电阻元件”作为它们的电路模型。
我们将实际电路器件理想化而得到的只具有某种单一电磁性质的元件，称为理想电路元件，简称为电路元件。
每一种电路元件体现某种基本现象，具有某种确定的电磁性质和精确的数学定义。
常用的有表示将电能转换为热能的电阻元件、表示电场性质的电容元件、表示磁场性质的电感元件及电压源元件和电流源元件等，其电路符号如图1-3所示。
本章后面将分别讲图1-2 扩音机电路解这些常用的电路元件。
我们把由理想电路元件相互连接组成的电路称为电路模型。
例如图1-1所示，电池对外提供电压的同时，内部也有电阻消耗能量，所以电池用其电动势E 和内阻R 0的串联表示；灯除了具有消耗电能的性质（电阻性）外，通电时还会产生磁场，具有电感性。
但电感微弱，可忽略不计，于是可认为灯是一电阻元件，用R 表示。
图1-4是图1-1的电路模型。
图1-4 手电筒电路的的电路模型电流、电压及其参考方向电路中的变量是电流和电压。
无论是电能的传输和转换，还是信号的传递和处理，都是这两个量变化的结果，因此，弄清电流与电压及其参考方向，对进一步掌握电路的分析与计算是十分重要的。
电阻 电感 电容电压源 电压源电流源 图1-3 理想电路元件的符号 负载电源1.2.1电流及其参考方向1. 电流电荷的定向移动形成电流。
电流的大小用电流强度来衡量，电流强度亦简称为电流。
其定义为：单位时间内通过导体横截面的电荷量，用公式表示为：dtdq i = （1-1） 其中i 表示随时间变化的电流，dq 表示在dt 时间内通过导体横截面的电量。
在国际制单位中，电流的单位为安培，简称安（A ）。
实际应用中，大电流用千安培（KA ）表示，小电流用毫安培（mA ）表示或者用微安培（μA ）表示。
它们的换算关系是：μA 10m A 10A 101KA 963===在外电场的作用下，正电荷将沿着电场方向运动，而负电荷将逆着电场方向运动（金属导体内是自由电子在电场力的作用下定向移动形成电流），习惯上规定：正电荷运动的方向为电流的正方向。
电流有交流和直流之分，大小和方向都随时间变化的电流称为交流电流。
方向不随时间变化的电流称为直流电流；大小和方向都不随时间变化的电流称为稳恒直流。
2. 电流的参考方向简单电路中，电流从电源正极流出，经过负载，回到电源负极；在分析复杂电路时，一般难于判断出电流的实际方向，而列方程、进行定量计算时需要对电流有一个约定的方向；对于交流电流，电流的方向随时间改变，无法用一个固定的方向表示，因此引入电流的“参考方向”。
参考方向可以任意设定，如用一个箭头表示某电流的假定正方向，就称之为该电流的参考方向。
当电流的实际方向与参考方向一致时，电流的数值就为正值（即i ＞0），如图1-5a 所示；当电流的实际方向与参考方向相反时，电流的数值就为负值（即i ＞0），如图1-5b 所示。
需要注意的是，未规定电流的参考方向时，电流的正负没有任何意义，如图1-5c 所示。
1.2.2电压及其参考方向1. 电压如图1-6所示的闭合电路，在电场力的作用下，正电荷要从电源正极a 经过导线和负载流向负极b （实际上是带负电的电子由负极b 经负载流向正极a ），形成电流，而电场力就对电荷做了功。
电场力把单位正电荷从a 点经外电路（电源以外的电路）移送到b 点所作的功，叫做a 、b 两点之间的电压，记作U a b 。
因此，电压是衡量电场力做功本领大小的物理量。
若电场力将正电荷dq 从a 点经外电路移送到b 点所作的功是dw ，则a 、b 两点间的电压为：E +U ab 图1-6 定义电压示意图参考方向实际方向实际方向a ）b ）c ） 图1-5 电流及其参考方向dqdw u ab = （1-2） 在国际制单位中，电压的单位为伏特，简称伏（V ）。
实际应用中，大电压用千伏（KV ）表示，小电压用毫伏（mV ）表示或者用微伏（μV ）表示。
它们的换算关系是：μV 10m V 10V 101KV 963===电压的方向规定为从高电位指向低电位，在电路图中可用箭头来表示。
2. 电压的参考方向在比较复杂的电路中，往往不能事先知道电路中任意两点问的电压，为了分析和计算的方便，与电流的方向规定类似，在分析计算电路之前必须对电压标以极性（正、负号），或标以方向（箭头），这种标法是假定的参考方向，如图1-7所示。
如果采用双下标标记时，电压的参考方向意味着从前一个下标指向后一个下标，图1-7元件两端电压记作u ab ；若电压参考方向选b 点指向a 点，则应写成u ba ，两者仅差一个负号，即u ab ＝-u ba 。
分析求解电路时，先按选定的电压参考方向进行分析、计算，再由计算结果中电压值的正负来判断电压的实际方向与任意选定的电压参考方向是否一致；即电压值为正，则实际方向与参考方向相同，电压值为负，则实际方向与参考方向相反。
1.2.3电位的概念及其分析计算a ）b ）图1-7 电压参考方向的表示方法u为了分析问题方便，常在电路中指定一点作为参考点，假定该点的电位是零，用符号“⊥”表示，如图1-6所示。
在生产实践中，把地球做为零电位点，凡是机壳接地的设备（接地符号是“⊥”），机壳电位即为零电位。
有些设备或装置，机壳并不接地，而是把许多元件的公共点做为零电位点，用符号“⊥”表示。
电路中其它各点相对于参考点的电压即是各点的电位，因此，任意两点间的电压等于这两点的电位之差，我们可以用电位的高低来衡量电路中某点电场能量的大小。
电路中各点电位的高低是相对的，参考点不同，各点电位的高低也不同，但是电路中任意两点之间的电压与参考点的选择无关。
电路中，凡是比参考点电位高的各点电位是正电位，比参考点电位低的各点电位是负电位。
【例1-1】 求图1-8中a 点的电位。
解 对于图1-8a 有()V V U a 24123050304=+⨯++-= 对于图1-8b ，因20Ω电阻中电流为零，故0=a U【例1-2】电路如图1-9所示，求开关S 断开和闭合时A 、B 两点的电位U A 、U B 。
a b图1-8 例1-1电解 设电路中电流为I ，如图所示。
开关S 断开时： ()A I 7402322020=++--= 因为 I U A 220=-所以 V I U A 760740220220=⨯-=-= 同理 ()V I U B 7607405203220-=⨯-=+-= 开关S 闭合时： A I 432020=+-= V I U A 12433=⨯==V U B 0=电功率及电能的概念和计算1.3.1电功率电流通过电路时传输或转换电能的速率，即单位时间内电场力所作的功，称为电功率，简称功率。
数学描述为：图1-9 例1-2电路图 Idqdw p = （1-3） 其中p 表示功率。
国际单位制中，功率的单位是瓦特（W)，规定元件1秒钟内提供或消1焦耳能量时的功率为1W 。
常用的功率单位还有千瓦（kW ）。
1kW=1000W将式（1-3）等号右边分子、分母同乘以d q 后，变为ui dtdq dq dw dt dw p =⨯== （1-4） 可见，元件吸收或发出的功率等于元件上的电压乘以元件上的电流。
为了便于识别与计算，对同一元件或同一段电路，往往把它们的电流和电压参考方向选为一致，这种情况称为关联参考方向，如图1-10a 所示。
如果两者的参考方向相反则称为非关联参考方向，如图1-10b 所示。