第1章 直流电路的基本概念

第一章 直流电路的基本概念






1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
电路与电路模型 电流与电压 电源 电阻与电导 电功率与电功 电器设备的额定值
1.1 电路及电路模型
1.1.1 电路
电路是电流的流通路径，它是由一些电气设备和 元器件按一定方式连接而成的整体。
开关 干 电 池
小电珠
二. 关联方向与非关联方向
当在一个元件上将电流和电压的参考方向取得一致时， 称为关联参考方向；反之则称为非关联参考方向。对于负载 上的电流和电压的参考方向，习惯上常取关联参考方向。
a
i
+ u － (a) 关联方向
b
a
i
b － u + 非关联方向
(b)
注意：每提及一个电流或电压，应同时指明其参 考方向；每求解一个电流或电压，应预先设定其参考 方向。电流或电压的参考方向一旦选定，在电路分析 计算过程中，不能随意改变。
电流源符号 伏安特性曲线
理想电流源：i=iS 端电流为is，与电流源两端的电压无关，由电源本身确 定，电流源两端的电压由外电路确定。
u
实际电流源:
电 源
Ri Is
a
I
Ri Is
U ab
RL
Ri 称为电源的内阻
U ab I Is Ri
b
1.3.3 受控源 独立电源：指电压源的电压或电流源的电流不 受外电路的控制而独立存在的电源。 受控电源：指电压源的电压或电流源的电流受 电路中其它部分的电流或电压控制的电源。
b
可见：通过电压源的电流随负载电阻变化而变化，而电压 源的端电压不变 。
实际电压源:
电 源
I
Ri

Us

US
u
Ri越大则 斜率越大
Ri

U
RL
0
Us

i
Ri 称为电源的内阻
U U s IRi
为理想电压源
伏安特性曲线 Ri 0 则电源转变
1.3.2 电流源
is ( I s )
i Is O
u
0
u
i i
+
0
i
-
i
+
R
R
u
u
(a ) 线性电阻元件
(b ) 非线性电阻元件
1.4.2 线性电阻元件
1 G ） 电阻的单位是欧姆（ R 电导－电阻的倒数，用符号 G表示， 单位：西门子（ S ）
欧姆定律:
I R(G )

U 关联的参考方向
U R I
I G U
I

G (R)
U 非关联的参考方向
dq q i i Q I tdt t
大写I表示直流电流
小写 i 表示电流的一般符号
电流的单位是安培（A），简称安
一. 电流的方向 正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向。
参考方向 a 实际方向 (a) i>0
i
b a
参考方向
i
b
实际方向 (b) i<0
U2 P UI I 2 R R
无论关联还是非关联，电阻上的功率总为:
U2 P I 2R R
I2 P U 2G 或 G
【实例1-4】试求图所示电路中各元件的功率。
2A 2A
3V
(a )
3A
+
-
+
3V
(b )
-
-
4V
(c )
+
解：元件的电压、电流参考方向如图所示， （a）关联参考方向：P UI 3 2 6W 此时元件吸收功率 6W 。 P （b）非关联参考方向： -UI (3) 2 6W 此时元件吸收功率 6W 。 （c）非关联参考方向：P UI (4) (3) -12W 此时元件发出功率 12W 。
受控源的 组成
控制支路 受控支路
四种受控源的模型

iC 0
iS
任意


uC 0
iS
任意
uC

u S u c uC u

iC
u S riC

电压控制电压源
iC 0
(a ) VCVS (a)
电流控制电压源

i S iC
uC 0
(b (b) )
CCVS
(2)实现信号的传递与处理
放 大 器 Ⅰ 放 大 器 Ⅱ 放 大 器 Ⅲ
话筒
将语音转换为 电信号
扬声器
信号转换、放大、信号处理
接受转换信号 的设备
1.1.2 电路模型
将实际元件理想化，由理想化的电路元件组成 的电路称为电路模型。 S
开关 干 电 池
E
小电珠
+ +
–
U
开关
R
Ro
–
导线 小电珠
干电池 手电筒电路的电路模型
电压的单位是伏特（V），简称伏 改变电压起点和终点的顺序，电压的数值不 变，但要相差一个负号，即
uab uba
一. 电压的方向 电压的实际方向规定由高电位点指向低电位点。 电压的参考方向为任意假设的电压方向。
电 压 的 实 际 方 向 电 压 的 实 际 方 向
+
U 2 V
U 2 V
RS
a
+
U
I
R
US
+ -
-b
（2）电源的端电压 U ： U U S IRS 24 2 2 20V （3）电压降： U IR 2 10 20V
1.5 电功率与电功
1.5.1 电功率
电功率是能量对时间的变化率，简称功率， 用 p 表示，功率的单位为 W （瓦特，简称瓦）。
话筒
放 大 器 Ⅰ
放 大 器 Ⅱ
放 大 器 Ⅲ
扬声器
（a） 手电筒电路
（b） 音频放大电路
一. 电路的组成：
电源：电路中提供电能或信号的器件 (干电池,蓄电池,发电机)或信号源。 中间环结：连接及控制电源和负载的部分 (连接导线,开关) 负载：将电能转换成非电能的用电设备 (电灯,电炉,电阻器，电动机)
U R I
I G U
【实例1-3】如图所示电路，若 U S 24V ，电源内 阻 RS 2 ，负载电阻 R 10 ，求：（1）电路中的电 流 I ；（2）电源的端电压 U ；（3）负载电阻上的电 压降。 解：选定电压、电流参考方向如图所示， （1）电路中的电流 I ：
US 24 I 2A RS R 2 10
注意：在电路分析计算中，没有规定参考方向的 电流数值的含义是不正确的。为了确切地表示电流， 必须标明其参考方向。在电路中能看到的电流方向是 其参考方向，而实际方向由判断得出。
1.2.2 电压
电路中a、b点两点间的电压定义为单位正电
荷由a点移至b点电场力所做的功。
dWab 大写U表示直流电压 uab dq 小写 u表示电压的一般符号
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沈许龙 主 编 吕黎 崔金魁 王晶 副主编
第一章 直流电路的基本概念 学习要点


理解理想元件及电路模型的概念 理解电流、电压及其参考方向的 概念 熟练掌握电功率的概念及其计算 熟练掌握电阻元件及电压源、电 流源的参数与伏安特性
6
1KW h 1000 3600 3.6 10 J
1.6 电器设备的额定值
额定值就是为保证安全、正常使用电器设备， 制造厂家所给出的电压、电流或功率的限制数值。 1. 额定值反映电气设备的使用安全性；
2. 额定值表示电气设备的使用能力。 例如：一只灯泡上标明“220V 、 W ”。 40
1.5.2 电功
电功率是单位时间内电场力所做的功，那么 在一段时间内电场力所做的功，即为时间 t 内所消 耗（或发出）的总能量。
W
q (t )
由于
udq
dq i dt
q ( t0 )
W u(t )i(t )dt
t0
t
直流电路 单位：焦耳（ J ） 千瓦· （ KW ·h ） 时
W UIT

uC
iS guC
u S 任意

iC
u S 任意


( c ) VCCS
电压控制电流源 (c)
(d ) CCCS
(d) 电流控制电流源
1.4 电阻与电导
1.4.1 电阻元件的定义
电阻元件可定义为：一个二端电路元件，若在 任意时刻，其端电压与电流之间的关系，可用一平 面上过坐标原点的曲线确定，则称此二端元件为电 阻元件。
(b)
(a)
如果求出的电压值为正，说明参考方向与实际 方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。与 电流方向的处理方法类似。
二. 关联方向与非关联方向
I1
R1
I 3？
+
R3
U3？
R2
R1
I3
+
US1
-
+
US1
(a)
-
US2
+
-
为什么要假设参考方向呢？这是因为在分析复 杂电路时往往不能预先确定某段电路上电流、电压 的实际方向。
1.3 电源
1.3.1 + 电压源 －
Us + － us
u Us O
伏安特性曲线
u s（ U ） s + － Us 电压源Baidu Nhomakorabea号 + －
i
理想电压源：u=uS
端电压为us，与流过电压源的电流无关，由电源本身确
定，流过电压源的电流由外电路确定。 【实例1-1】一个负载RL接于10V 的恒压源上，如图所示，求： 当① RL 10 ，② RL 100 ，③ RL 时， 通过恒压源的电流大小。 a I 解：选定电压、电流参考方向如图所示， + + ① 当 RL 10 时， 10 1A ， ； U ab 10V I U ab RL 10V 10 ② 当RL 100 时， 0.1A ， ； U ab 10V I ③ 当 RL 时， I 0 A ， ab 10V 。 U
电气设备的三种运行状态 额定工作状态： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠) 过载(超载)： I > IN ，P > PN (设备易损坏)
欠载(轻载)： I < IN ，P < PN (不经济)
电路图常用的电路元件符号
名 称 电阻器 电容器 电感器 接 地 符 号 名 称 电压源 电流源 电压表 电流表 符 号 名 称 符 号
+
US
-
白炽灯 干电池 熔断器 开 关
IS

V A
1.2 电流与电压
1.2.1 电流
电荷的定向移动形成电流。 电流的大小用电流强度表示，简称电流。
电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。
A i

u
i

B
关联的参考方向 关联参考方向 非关联的参考方向 非关联参考方向
p u i
p u i
A
u
B
注：无论是关联还是非关联参考方向： 消耗能量（吸收能量）
提供能量（发出能量）
P0 P0
线性电阻的功率: 关联:
I R(G )
非关联:
I

G (R)
U

U


U2 P UI I 2 R R
电源:提供 电能的装置
负载:取用 电能的装置
发电机
升压 变压器
输电线
降压 变压器
电灯 电动机 电炉 ...
中间环节：传递、分 配和控制电能的作用
二. 电路的作用：
(1) 实现电能的传输和转换
发电机
电灯 电动机电 炉 ...
升压
变压器
输电线
降压 变压器
热能,水能, 核能转电能
传输分配电能
电能转换为光能, 热能和机械能