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1、第第1章章 电路模型电路模型与电路定律与电路定律第1页，本讲稿共36页学习要点学习要点n电流、电压参考方向及功率计算电流、电压参考方向及功率计算n常用电路元件的伏安特性常用电路元件的伏安特性n电路的负载、开路及短路状态电路的负载、开路及短路状态n额定值的意义额定值的意义n基尔霍夫定律基尔霍夫定律n电位的概念及计算电位的概念及计算第第1章章 电路模型及电路定律电路模型及电路定律第2页，本讲稿共36页第第1章章 电路模型及电路定律电路模型及电路定律n n1.1 电路及基本物理量电路及基本物理量n n1.2 电路模型电路模型n n1.3 电气设备的额定值及电气设备的额定值及电路的工作状态电路的工作状
2、态n n1.4 基尔霍夫定律基尔霍夫定律n n1.5 电位的概念及计算电位的概念及计算第3页，本讲稿共36页1.1 电路及基本物理量电路及基本物理量电路的组成电路的组成电路的组成电路的组成电路是为了某种需要而将某些电工设备或电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。由元件按一定方式组合起来的电流通路。由电源电源、负载负载和和中间环节中间环节3部分组成。部分组成。电路的主要功能电路的主要功能n一：进行能量的转换、传输和分配。一：进行能量的转换、传输和分配。n二：实现信号的传递、存储和处理。二：实现信号的传递、存储和处理。1.1.1 电路的组成及功能电路的组成及功能第4
3、页，本讲稿共36页1.1.2 电流电流电荷的定向移动形成电流。电荷的定向移动形成电流。电流大小：单位时间内通过导体截面的电量。电流大小：单位时间内通过导体截面的电量。大写大写 I 表示直流电流表示直流电流小写小写 i 表示电流的一般符号表示电流的一般符号第5页，本讲稿共36页正电荷运动方向规定为正电荷运动方向规定为电流的实际方向电流的实际方向。电流的方向用箭头或双下标变量表示。电流的方向用箭头或双下标变量表示。任意假设的电流方向称为任意假设的电流方向称为电流的参考方向电流的参考方向。如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际
4、方向相反。方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。第6页，本讲稿共36页1.1.3 电压、电位和电动势电压、电位和电动势电路中电路中a a、b b点两点间的点两点间的电压电压定定义为单位正电荷由义为单位正电荷由a a点移至点移至b b点点电场力所做的功。电场力所做的功。电路中某点的电路中某点的电位电位定义为单位正电荷由该点定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。移至参考点电场力所做的功。电路中电路中a a、b b点两点间的电压等于点两点间的电压等于a a、b b两点的电两点的电位差。位差。第7页，本讲稿共36页电压的实际方向电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。规定由电位高处指向
5、电位低处。与电流方向的处理方法类似，与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为可任选一方向为电压的参考方向电压的参考方向例：例：当当ua=3V ub=2V时时u1=1V最后求得的最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。考方向一致，否则说明两者相反。u2=1V第8页，本讲稿共36页 对一个元件，电流参考方向和电压参考方向对一个元件，电流参考方向和电压参考方向可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常可以相互独立地任意确定，但为了方便起见，常常将其取为一致，称常将其取为一致，称关联方向关联方向；如不一致，称；如不一致，称非关联方向非关联方
6、向。如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用关联方向，在标示时标出一种即可。如果采用非关联方向，则必须全部标示。如果采用非关联方向，则必须全部标示。第9页，本讲稿共36页 电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为运到正极所做的功，称为电源的电动势电源的电动势。电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。为由负极指向正极。第10页，本讲稿共36页1.1.4 电功率电功率电场力在单位时间内
7、所做的功称电场力在单位时间内所做的功称为为电功率电功率，简称功率。，简称功率。功率与电流、电压的关系：功率与电流、电压的关系：关联方向时：关联方向时：p=ui非关联方向时：非关联方向时：p=uip0时吸收功率，时吸收功率，p0时放出功率。时放出功率。第11页，本讲稿共36页例例例例：求图示各元件的功率：求图示各元件的功率.（a）关联方向，）关联方向，P=UI=52=10W，P0，吸收，吸收10W功率。功率。（b）关联方向，）关联方向，P=UI=5(2)=10W，P0，吸收，吸收10W功率。功率。第12页，本讲稿共36页解解：元元件件A：非非关关联联方方向向，P1=U1I=101=10W，P10
8、，产生，产生10W功率，电源。功率，电源。元元件件B：关关联联方方向向，P2=U2I=61=6W，P20，吸吸收收10W功率，负载。功率，负载。P1+P2+P3=1=+6+4=0，功率平衡。，功率平衡。例例例例：I=1A，U1=10V，U2=6V，U3=4V。求求各各元元件件功功率率，并并分分析析电路的功率平衡关系。电路的功率平衡关系。第13页，本讲稿共36页1.2 电路模型电路模型 为了便于对电路进行分析计算，常常将实际电路元件理为了便于对电路进行分析计算，常常将实际电路元件理为了便于对电路进行分析计算，常常将实际电路元件理为了便于对电路进行分析计算，常常将实际电路元件理想化，也称模型化，即
9、在一定条件下突出其主要的电磁性质，想化，也称模型化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，想化，也称模型化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，想化，也称模型化，即在一定条件下突出其主要的电磁性质，忽略次要的因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近忽略次要的因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近忽略次要的因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近忽略次要的因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近似表示。由理想电路元件所组成的电路，称为电路模型。常似表示。由理想电路元件所组成的电路，称为电路模型。常似表示。由理想电路元件所组成的电路，称为电路模型。常似表示。由理想电路元件所组成的电路，称为
10、电路模型。常见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、见的电路元件有电阻元件、电容元件、电感元件、电压源、电流源。电流源。电流源。电流源。电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端钮的电压、电流关系即电流关系即电流关系即电流关系即伏安关系伏安关系伏安关系伏安关系（VARVAR）来决定的。）来决定的。）来决定的。）来决定的
11、。1.2.1 电路模型的概念电路模型的概念第14页，本讲稿共36页1.2.2 理想电路元件理想电路元件伏安关系（欧姆定律）：伏安关系（欧姆定律）：关联方向时：关联方向时：u=Ri非关联方向时：非关联方向时：u=Ri1电阻元件电阻元件符号：符号：功率：功率：电阻元件是一种消耗电能的元件。电阻元件是一种消耗电能的元件。第15页，本讲稿共36页伏安关系：伏安关系：2电感元件电感元件符号：符号：电电感感元元件件是是一一种种能能够够贮贮存存磁磁场场能能量量的的元元件件，是实际电感器的理想化模型。是实际电感器的理想化模型。称为电感元件的电感，单位是亨利（）。称为电感元件的电感，单位是亨利（）。只有电感上的
12、电流变化时，电只有电感上的电流变化时，电感两端才有电压。在直流电路感两端才有电压。在直流电路中，电感上即使有电流通过，中，电感上即使有电流通过，但，相当于短路。但，相当于短路。存储能量：存储能量：第16页，本讲稿共36页3电容元件电容元件电电容容元元件件是是一一种种能能够够贮贮存存电电场场能能量量的的元元件件，是实际电容器的理想化模型。是实际电容器的理想化模型。伏安关系：伏安关系：符号：符号：只有电容上的电压变化时，电容只有电容上的电压变化时，电容两端才有电流。在直流电路中，两端才有电流。在直流电路中，电容上即使有电压，但，电容上即使有电压，但，相当于开路，即相当于开路，即 电容具有电容具有隔
13、直作隔直作用用。C称为电容元件的电容，单位是法拉（称为电容元件的电容，单位是法拉（F）。）。存储能量：存储能量：第17页，本讲稿共36页4理想电压源理想电压源（1）伏安关系）伏安关系u=uS 端电压为端电压为us，与流过电与流过电压源的电流无关，由电压源的电流无关，由电源本身确定，电流任意，源本身确定，电流任意，由外电路确定。由外电路确定。（2）特性曲线与符号）特性曲线与符号第18页，本讲稿共36页（2）特性曲线与符号）特性曲线与符号i=iS流过电流为流过电流为is，与电源与电源两端电压无关，由电两端电压无关，由电源本身确定，电压任源本身确定，电压任意，由外电路确定。意，由外电路确定。5理想电
14、流源理想电流源（1）伏安关系）伏安关系第19页，本讲稿共36页1.2.3 实际电源的两种模型实际电源的两种模型实际电源的伏安特性实际电源的伏安特性或或 可见一个实际电源可可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一用两种电路模型表示：一种为电压源种为电压源Us和内阻和内阻Ro串串联，另一种为电流源联，另一种为电流源Is和内阻和内阻Ro并联。并联。第20页，本讲稿共36页实际使用电源时，应注意以下实际使用电源时，应注意以下3点：点：（1）实实际际电电工工技技术术中中，实实际际电电压压源源，简简称称电电压压源源，常常是是指指相相对对负负载载而而言言具具有有较较小小内内阻阻的的电电压压源源；实实际际电电
15、流流源源，简简称称电电流流源，常是指相对于负载而言具有较大内阻的电流源。源，常是指相对于负载而言具有较大内阻的电流源。（2）实实际际电电压压源源不不允允许许短短路路由由于于一一般般电电压压源源的的R0很很小小，短短路路电电流流将将很很大大，会会烧烧毁毁电电源源，这这是是不不允允许许的的。平平时时，实实际际电电压压源不使用时应开路放置，因电流为零，不消耗电源的电能。源不使用时应开路放置，因电流为零，不消耗电源的电能。（3）实实际际电电流流源源不不允允许许开开路路处处于于空空载载状状态态。空空载载时时，电电源源内内阻阻把把电电流流源源的的能能量量消消耗耗掉掉，而而电电源源对对外外没没送送出出电电能
16、能。平平时时，实实际际电电流流源源不不使使用用时时，应应短短路路放放置置，因因实实际际电电流流源源的的内内阻阻R0一一般般都都很很大大，电电流流源源被被短短路路后后，通通过过内内阻阻的的电电流流很很小小，损损耗耗很小；而外电路上短路后电压为零，不消耗电能。很小；而外电路上短路后电压为零，不消耗电能。第21页，本讲稿共36页1.3 电气设备的额定值及电电气设备的额定值及电路的工作状态路的工作状态1.3.1 电气设备的额定值电气设备的额定值额定值额定值额定值额定值是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。额定值有额定电压常运行而规定的
17、正常容许值。额定值有额定电压UN与额定电流与额定电流IN或额定功率或额定功率PN。必须注意的是，电气。必须注意的是，电气设备或元件的电压、电流和功率的实际值不一定等设备或元件的电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值。于它们的额定值。第22页，本讲稿共36页1.3.2 电路的工作状态电路的工作状态1、负载状态、负载状态P=UI：电源输出的功率：电源输出的功率PS=USI：电源产生的功率：电源产生的功率P=I2R0：内阻消耗的功率：内阻消耗的功率第23页，本讲稿共36页2、空载状态、空载状态3、短路状态、短路状态第24页，本讲稿共36页例例：设设图图示示电电路路中中的的电电源源额额定定功功
18、率率PN=22kW，额额定定电电压压UN=220V，内内阻阻R0=0.2，R为为可可调调节节的的负负载载电阻。求：电阻。求：（1）电源的额定电流）电源的额定电流IN；（2）电源开路电压）电源开路电压U0C；（3）电源在额定工作情况下的负载电阻）电源在额定工作情况下的负载电阻RN；（4）负载发生短路时的短路电流）负载发生短路时的短路电流ISC。第25页，本讲稿共36页解：解：(1)电源的额定电流为：电源的额定电流为：(2)电源开路电压为：电源开路电压为：(3)电源在额定状态时的负载电阻为：电源在额定状态时的负载电阻为：(4)短路电流为：短路电流为：第26页，本讲稿共36页1.4 基尔霍夫定律基尔
19、霍夫定律支路、节点、回路支路、节点、回路电路中两点之间通过同一电流的不分叉的一段电电路中两点之间通过同一电流的不分叉的一段电路称为路称为支路支路。电路中电路中3条或条或3条以上支路的联接点称为条以上支路的联接点称为节点节点。电路中任一闭合的路径称为电路中任一闭合的路径称为回路回路回路回路。回路内部不含。回路内部不含支路的称支路的称网孔网孔图示电路有图示电路有3条支路、条支路、两个节点、两个节点、3个回路、个回路、两个网孔。两个网孔。第27页，本讲稿共36页1.4.1 基尔霍夫电流定律（基尔霍夫电流定律（KCL）在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于
20、从该节点流出的电流之和。从该节点流出的电流之和。在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。表述一表述一表述一表述一表述二表述二可假定流入节点的电流为正，流出节点的电可假定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负；也可以作相反的假定。流为负；也可以作相反的假定。所有电流均为正。所有电流均为正。第28页，本讲稿共36页KCL通常用于节点，但是对于包围几个节通常用于节点，但是对于包围几个节点的闭合面也是适用的。点的闭合面也是适用的。例：列出下图中各节点的例：列出下图中各节点的KCL方程方程解：取流入为正解：取流入为正以上三式相加：以上三式相加：I1I2
21、I3 0 节点节点a I1I4I60节点节点b I2I4I50节点节点c I3I5I60第29页，本讲稿共36页1.4.2 基尔霍夫电压定律（基尔霍夫电压定律（KVL）表述一表述一表述二表述二在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等在任一瞬时，在任一回路上的电位升之和等于电位降之和。于电位降之和。在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。在任一瞬时，沿任一回路电压的代数和恒等于零。电压参考方向与回路绕行方向一致时取电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号，相反时取负号。正号，相反时取负号。所有电压均为正。所有电压均为正。第30页，本讲稿共36页对于电阻电路，回路中电阻上电压降的代数对于电阻电路，
22、回路中电阻上电压降的代数和等于回路中的电压源电压的代数和。和等于回路中的电压源电压的代数和。在运用上式时，电流参考方向与回路绕行方在运用上式时，电流参考方向与回路绕行方向一致时向一致时iR前取正号，相反时取负号；电压源前取正号，相反时取负号；电压源电压方向与回路绕行方向一致时电压方向与回路绕行方向一致时us前取负号，相前取负号，相反时取正号。反时取正号。第31页，本讲稿共36页KVL通常用于闭合回路，但也可推广应用通常用于闭合回路，但也可推广应用到任一不闭合的电路上。到任一不闭合的电路上。例：列出下图的例：列出下图的KVL方程方程第32页，本讲稿共36页例：图示电路，已知例：图示电路，已知U1
23、=5V，U3=3V，I=2A，求，求U2、I2、R1、R2和和US。解：解：I2=U32=32=1.5AU2=U1U3=53=2VR2=U2I2=21.5=1.33I1=II2=21.5=0.5AR1=U1I1=50.5=10US=UU1=235=11V第33页，本讲稿共36页例：图示电路，已知例：图示电路，已知US1=12V，US2=3V，R1=3，R2=9，R3=10，求，求Uab。解：由解：由KCL I3=0，I1=I2由由KVL I1 R1 I2 R2=US1由由KVL解得：解得：解得：解得：第34页，本讲稿共36页1.5 电位的概念及计算电位的概念及计算1.5.1 电位的概念电位的概念电路中的某一点到参考点之间的电压，称作该点的电位。电路中的某一点到参考点之间的电压，称作该点的电位。电路中选定的参考点虽然一般并不与大地相联接，往往电路中选定的参考点虽然一般并不与大地相联接，往往也称为也称为“地地”。在电路图中，参考点用符号。在电路图中，参考点用符号“”表示。表示。第35页，本讲稿共36页1.5.2 电位的计算电位的计算选选b点为参考点点为参考点选选d点为参考点点为参考点选用不同的参考点，各点电位的数值不同，但任意两点之间选用不同的参考点，各点电位的数值不同，但任意两点之间的电压不随参考点的改变而变化。的电压不随参考点的改变而变化。第36页，本讲稿共36页