电工电子,第一章电路的基本概念与基本定律

第一章 电路的基本概念和基本定律本章是学习电工技术的理论基础，介绍了电路的基本概念和基本定律：主要包括电压、电流的参考方向、电路元件、电路模型、基尔霍夫定律和欧姆定律、功率和电位的计算等。

主要内容： 1．电路的基本概念（1）电路：电流流通的路径，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成的系统。

（2）电路的组成：电源、中间环节、负载。

（3）电路的作用：①电能的传输及转换；②信号的传递及处理。

2．电路元件及电路模型（1）电路元件：分为独立电源和受控电源两类。

①无源元件：电阻、电感、电容元件。

②有源元件：分为独立电源和受控电源两类。

（2）电路模型：由理想电路元件所组成反映实际电路主要特性的电路。

它是对实际电路电磁性质的科学抽象和概括。

采用电路模型来分析电路，不仅使计算过程大为简化，而且能更清晰地反映该电路的物理本质。

（3）电源模型的等效变换①电压源及电阻串联的电路在一定条件下可以转化为电流源及电阻并联的电路，两种电源之间的等效变换条件为：0R I U S S =或0R U I SS =②当两种电源互相变换之后，除电源本身之外的其它外电路，其电压和电流均保持及变换前完全相同，功率也保持不变。

3．电路的基本物理量、电流和电压的参考方向以及参考电位 （1）电路的基本物理量包括：电流、电压、电位以及电功率等。

（2）电流和电压的参考方向：为了进行电路分析和计算，引入参考方向的概念。

电流和电压的参考方向是人为任意规定的电流、电压的正方向。

当按参考方向来分析电路时，得出的电流、电压值可能为正，也可能为负。

正值表示所设电流、电压的参考方向及实际方向一致，负值则表示两者相反。

当一个元件或一段电路上的电流、电压参考方向一致时，称它们为关联参考方向。

一般来说，参考方向的假设完全可以是任意的。

但应注意：一个电路一旦假设了参考方向，在电路的整个分析过程中就不允许再作改动。

（3）参考电位：人为规定的电路种的零电位点。

第一章电路的基本概念与基本定律知识要点一、内容提要直流电路的基本概念和基本定理是分析和计算电路的基础和基本方法。

这些基础和方法虽然在直流电路中提出，但原则上也适用于正弦交流电路及其它各种线性电路。

并且，这些方法也是以后分析电子线路的基础。

本章重点讲述电路中几个基本物理量、参考方向、电路的工作状态及基本定律。

二、基本要求1.了解电路模型及理想电路元件的意义；2.能正确应用电路的基本定侓；3.正确理解电压、电流正方向的意义；4.了解电路的有载工作、开路与短路状态，并能理解电功率和额定值的意义；5.熟练掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点电位的方法。

三、学习指导本章重点讲述了三个问题：电压、电流和参考方向。

同时，对克希荷夫定律和电路中电位的概念及计算进行了详细的分析推导和计算。

虽然这些问题都比较简单，但由于它们贯穿电工学课程始终，所以读者应通过较多的例题和习题逐步建立并加深这些概念，使之达到概念清晰，运用自如灵活，能解决实际问题的目的。

1.1 电路的组成及作用在学习本课程中，首先应掌握电路的两大作用（即强电电路电的传输、分配和转换；弱电电路中是否准确地传递和处理信息），及其三大组成部分（即电源、中间环节、负载）。

要特别注意信号源与一般电源的概念与区别：信号源输出的电压与电流的变化规律取决于所加的信息；电源输出的功率和电流决定于负载的大小。

1.2 电路模型由理想电路元件组成的电路；其中理想电路元件包括电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。

电源的电压或电流称为激励；激励在各部分产生的电压和电流称为响应。

1.3 电路的几个基本物理量若要正确地分析电路，必须先弄清楚电路中的几个基本物理量。

因为电流、电压和电动势这些物理量已在物理课中讲过，但是本章主要讨论它们的参考方向（正方向）和参考极性。

在本章学习的过程中应注意两点：第一，在分析任何一个电路中列关系式时，必须首先在电路图上标明电压、电动势和电流的参考方向和参考极性；第二，考虑电压和电流本身给定的正负，即要注意两套正负符号。

第1章 电路的基本概念和基本定律本章的主要任务是学习电路的基本概念、基本物理量和基本定律，为掌握电路的分析计算方法奠定必要的基础。

本章基本要求(1) 正确理解理想电路元件、电路模型的概念；(2) 正确理解电流、电压的参考方向的概念，并掌握电流、电压参考方向的使用；(3) 计算元件或电路的功率，并判别元件或电路是吸收功率还是发出功率；(4) 掌握理想元件的电压与电流关系式；(5) 掌握基尔霍夫定律（KCL 和KVL ）的应用；(6) 了解电路的三种工作状态：额定工作状态、过载工作状态和欠载工作状态。

理解电气器件、设备的额定值。

本章习题解析1－1 试求图1－1所示电路的电压U ab 和U ba 。

图1－1解 (a)电压U 的参考方向如图所示，已知U ＝10V ，故有10==U U ab V10-=-=-=U U U ab ba V(b)直流电压源的电压参考方向如图所示，故有5=ab U V5-=-=ab ba U U V1－2 根据图1－2所示的参考方向和电压、电流的数值确定各元件电流和电压的实际方向，并计算各元件的功率，说明元件是吸收功率还是发出功率。

(a) (b)(c) (d)图1－2解 (a)因为电流为＋2mA ，电压为＋5V ，所以电流、电压的实际方向与参考方向相同。

电阻元件的功率为101010102533=⨯=⨯⨯==--UI P mW电阻元件的电压与电流取关联参考方向，计算结果P >0，说明电阻元件吸收功率。

(b)因为电流、电压随时间t 按照正弦规律变化，所以当电流i >0、电压u >0时，它们的实际方向与参考方向一致；当电流i <0、电压u <0时，它们的实际方向与参考方向相反。

电阻元件的功率为)(sin )sin()sin(t t t ui p ωωω255=⨯==W电阻元件的电压与电流取关联参考方向，计算结果p >0，说明电阻元件吸收功率。

(c)因为电流为－2mA ，所以电流的实际方向与参考方向相反；电压为＋5V ，所以电压的实际方向与参考方向相同。

第1章电路的基本概念与基本定理电路理论是电工与电子技术的基本理论。

本章着重介绍电流和电压的参考方向、基尔霍夫定律及电路等效原理等。

通过本章内容的学习可了解和掌握电路中的基本概念和定律，为后续分析复杂电路打下一个基础。

1.1电路的基本概念在高中，我们学过电压、电流、电动势、功率以及欧姆定律等电路的基本概念。

但高中所学的这些电路理论往往解决不了一些复杂电路。

本节将进一步讲解其有关知识。

1.1.1电路的组成人们在日常生活中广泛地使用着各种电器，如热水器、电扇等。

要用电首先要有电源，然后用导线、开关和用电设备或用电器连接起来，构成一个电流流通的闭合路径。

这个电流通过的路径就叫电路。

电路的形式是多种多样的，但从电路的本质来说，其组成都有电源、负载、中间环节三个最基本的部分。

其中电源的作用是为电路提供能量，如发电机利用机械能或核能转化为电能，蓄电池利用化学能转化为电能，光电池利用光能转化为电能等；负载则将电能转化为其他形式的能量加以利用，如电动机将电能转化为机械能，电炉将电能转化为热能等；中间环节用作电源和负载的联接体，包括导线、开关、控制线路中的保护设备等。

图1-1所示的手电筒电路中，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。

1.1.2 电路模型实际电路由各种作用不同的电路元件或器件所组成。

实际电路元件尽管外形和作用千差万别，种类繁多，但在电磁性质方面却可以归为几大类。

有的元件主要是提供电能的，如发电机、电池等；有的元件主要是消耗电能的，如各种电阻器、电灯、电炉等；有的元件主要是储存电场能量，如各种电容器；有的元件主要是储存磁场能量，如各种电感线圈。

为了便于对电路进行分析的计算，我们常把实际元件加以理想化，忽略其次要的因素用以反映它们主要物理性质的理想元件来代替。

这样由理想元件组成的电路就是实际电路的电路模型，简称电路。

手电筒电路的电路模型如图1-2所示。

用来表征上述物理性质的理想电路元件（今后理想两字常略去）分别称为恒压源U S 、恒流源I S 、电阻元件R 、电容元件C 、电感元件L 。

第一章电路的基本概念和基本定律电路的基本概念和基尔霍夫定律是电工技术和电子技术的基础。

§1-1 电路中的物理现象和电路模型一、实际电路电路：由电气器件或设备，按一定方式连接起来，完成能量的传输、转换或信息的处理、传递。

组成：电源、负载和中间环节。

日光灯实际电路二、理想电路元件、电路模型实际电路的分析方法：用仪器仪表对实际电路进行测量，把实际电路抽象为电路模型，用电路理论进行分析、计算。

1、理想电路元件实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或旗舰所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。

例如：一个白炽灯在有电流通过时，如下图所示：为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。

2、电路模型将实际电路中的元件用理想电路元件表示、连接，称为实际电路的电路模型。

如下图所示：U S三、电路的分类1、分布参数电路电路本身的几何尺寸相对于工作波长不可忽略的电路。

2、集中参数电路如果电路本身的几何尺寸l相对于电路的工作频率所对应的波长λ小的多，则在分析电路时可以忽略元件和电路本身几何尺寸。

例如：工作频率为50Hz，波长λ=6000km，所以在工频情况下，多数电路满足l<<λ，可以认为是集中参数电路。

集中参数电路分为：线性电路（元件参数为常数）★非线性电路（元件参数不为常数）§1-2电路中的基本物理量一、电流及电流的参考方向1、电流：带电粒子或电荷在电场力作用下的定向运动形成的电流。

dtdqi =（单位时间内通过某一截面的电荷量） 电流的单位：A （安培）、kA （千安）、mA(毫安）、μA （微安）A 10A 1 , A 10mA 1 , A 10kA 1-633===-μ2、电流的参考方向电流的实际方向：正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向（客观存在） 电流的参考方向：任意假定。

实际方向（2A ）（参考方向与实际方向相同）A)2( 0=>i i 实际方向（2A ）（参考方向与实际方向相反）A)2( 0-=<i i二、电压、电位及电压的参考方向1、电位（物理中的电势）电场力把单位正电荷从一点移到参考点所做的功。