第一章 电路的基本概念与基本定律

元件
想想 练练
电压、电位、 电动势有何异 同？
电功率大的用电器， 电功也一定大，这种说 法正确吗？为什么？
思考 回答
在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？ 应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、 减” 及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？ 电路分析中引入参考方向的目的是为分析和计算电路提 供方便和依据。应用参考方向时，“正、负”是指在参考方 向下，电压和电流的数值前面的正、负号，若参考方向下一 个电流为“－2A”，说明它的实际方向与参考方向相反，参考 方向下一个电压为“＋20V”，说明其实际方向与参考方向一 致；“加、减”指参考方向下列写电路方程式时，各项前面 的正、负符号；“相同、相反”则是指电压、电流是否为关 联参考方向， “相同”是指电压、电流参考方向关联，“相 反”指的是电压、电流参考方向非关联。
1.2.2 电压、电位和电动势
a
电动势E 只存 在于电源内部 ，其大小反映 了电源力作功 的本领。其方 向规定由电源 “负极”指向 电源“正极” 。
S
I
R0
+
U
+ _
b E
RL
–
电压U是反映电 场力作功本领的 物理量，是产生 电流的根本原因 。电压的正方向 规定由“高”电 位指向“低”电 位。
电位V是相对于参考点的电压。参考点的 电位:Vb=0；a点电位： Va=E-IR0=IR
电压和电位的关系：Uab=Va－Vb
电动势和电位一样属于一种势能，它能够将低 电位的正电荷推向高电位，如同水路中的水泵能够 把低处的水抽到高处的作用一样。电动势在电路分 析中也是一个有方向的物理量，其方向规定由电源 负极指向电源正极，即电位升高的方向。
电压、电位和电动势的区别
电压和电位是衡量电场力作功本领的物理量， 电动势则是衡量电源力作功本领的物理量；电路中 两点间电压的大小只取决于两点间电位的差值，是 绝对的量；电位是相对的量，其高低正负取决于参 考点；电动势只存在于电源内部。
如何在电路 中区分电源 和负载？
试述电路的功 能？何谓“电 路模型”？
集总参数 元件有何 特征？
学好本课程，个基本关系：听课 与笔记、作业与复习、自学与互学。
1.2 电路的基本物理量
1.2.1
dt
电流
电流(强度)— 单位时间内通过导体横截面的电量。 电流的大小：i = dq …… （1-1）
–
1.2.4 参考方向
(1)分析电路前应选定电压电流的参考方向，并标在图中；
(2)参考方向一经选定，在计算过程中不得任意改变。参考 方向是列写方程式的需要，是待求值的假定方向而不是 真实方向，因此不必追求它们的物理实质是否合理。
(3)电阻（或阻抗）一般选取关联参考方向，独立源上一般选 取非关联参考方向。
(4) 参考方向也称为假定正方向，以后讨论均在参考方向 下进行，实际方向由计算结果确定。 (5)在分析、计算电路的过程中，出现“正、负”、“加、 减”及“相同、相反”这几个名词概念时，切不可把它 们混为一谈。
例：右下图电路，若已知元件吸收功率为－20W，
电压U=5V，求电流I。
I
仔细读懂下面例题
+
第1章 电路的基本概念和基本定律
1.1 电路 1.2 电路的 基本物理量 1.3 基尔 霍夫定律
1.6 直流电路 中的几个问题
1.5 电路 的等效变换
1.4 电压源 和电流源
本章学习目的及要求
本章内容是贯穿全课程的重要理论 基础，要求在学习中给予足够的重视。 通过本章学习要求理解理想电路元件和 电路模型的概念；理解电压、电流、电 动势和电功率的概念；深刻理解和掌握 参考方向在电路分析中的应用；牢固掌 握基尔霍夫定律及其应用；深刻领会电 路等效和掌握电路等效的基本方法。
1000W的电炉加热1小时； 1度电的概念 100W的灯泡照明10小时； 40W的灯泡照明25小时。 日常生活中，家用电度表就是用来测量电功的 装置。只要用电器工作，电度表就会转动并且显示 电流作功的多少，即电功的大小不仅与电压、电流 的大小有关，还取决于用电时间的长短。
单位时间内电流做的功称为电功率，用“P ”表示： UIt W P = t = t = UI …… （1-6）
1）实际正方向：规定为从高电位指向低电位。 2）参考正方向：任意假定的方向。 注意：必须指定电压参考方向，这样电压的正值或负值 才有意义。
电位是一种由电路中的位置所确定的势能，具有 明显的相对性——其高低正负取决于电路参考点。 理论上电路参考点的选取是任意的，但实际应用 中经常以大地作为零电位点。 有些场合下，设备和 仪器的底盘或机壳与接地装置相连时，也常选取与 接地装置相连的机壳作为电路参考点；电子技术中为 方便于问题的分析和研究，还常常把电子设备的公 共连接点作为电路参考点。 某点电位在数值上等于该点与参考点之间的电压。 当电路参考点改变时，该电位随参考点发生变化， 但它与原来参考点之间的差值不会发生改变。
中间环节
S
开关 电 源 导线 负 载 R0
I
+
RL U
电源
+ _US
负 载
–
手电筒的实体电路
手电筒的电路模型
实际电路器件品种多，电磁特性多元而复杂， 直接画在电路图中困难而繁琐，且不易定量描述。 白炽灯电路
消耗电能的电 特性可用电阻 元件表征
R
由于白炽灯中耗能 的因素大大于产生 磁场的因素，因此 L 可以忽略。 白炽灯的电 路模型可表 示为：
集总参数电路元件的特征
元件中所发生的电磁过程都集中在元件内部进行 其次要因素可以忽略的理想电路元件；任何时刻从无 件两端流入和流出的电流恒等且元件端电压值确定。
电源和负载的区分
I + U – U、I关联 元 方向时， 件 假定元件 是负载。 – U +
I
U、I非关 元 联方向时， 件 假定元件 是电源。
为描述和表征电荷与元件间能量交换的规模及 大小，引入电路物理量电压、电位和电动势。 Wa－Wb 电压的定义式为： Uab = q 三者定义式 W －W0 的形式相同 电位的定义式为： Va = a q 因此 它们的单位相同 电动势的定义式为： E = W源 q 单位换算： 1V=10-3KV=103mV 电压和电流一样，也是一个有方向的物理量。
功 率 的 计 算
1. u、i取关联参考方向 + i p吸 = u i
例 U = 5V， I = - 1A
u
P吸= UI = 5× (-1) = -5 W p吸< 0 ，说明元件实际发出功率5W。
– 2. u、i取非关联参考方向 + u i
p吸 =－ u i 例 U = 5V， I = - 1A
P吸= －UI = －5× (-1) = 5 W p吸> 0 ，说明元件实际吸收功率5W。
1.3 基尔霍夫定律
基尔霍夫定律包括结点电流定律（KCL）和回 路电压（KVL）两个定律，是集总电路必须遵循的 普遍规律。 中学阶段我们学习过欧姆定律（VAR），它阐 明了线性电阻元件上电压、电流之间的相互约束关 系，明确了元件特性只取决于元件本身而与电路的 连接方式无关这一基本规律。 基尔霍夫将物理学中的“液体流动的连续性” 和“能量守恒定律”用于电路中，总结出了他的第 一定律（KCL）；根据“电位的单值性原理”又创 建了他的第二定律（KVL），从而解决了电路结构 上整体的规律，具有普遍性。基尔霍夫两定律和欧 姆定律合称为电路的三大基本定律。
国际单位制：U 【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】。
用电器铭牌数据上的电压、电流值称额定值， 所谓额定值是指用电器长期、安全工作条件下的最 高限值，一般在出厂时标定。其中额定电功率反映 了用电器在额定条件下能量转换的本领。例如额定 值为“220V、1000W”的电动机，是指该电动机运 行在220V电压时、1秒钟内可将1000焦耳的电能转 换成机械能和热能；“220V、40W”的电灯，说明 在它两端加220V电压时，1秒钟内它可将40焦耳的 电能转换成光能和热能。
解： 由图可知UI为关联参考方向，因此:
P －20 I= －4A U = 5 = 例：右下图电路，若已知元件中电流为I=－100A， 电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源 U I + 还是负载。
U 元件
解：由图可知UI为非关联参考方向，因此:
P = UI = 10×(-100) = 1000W 元件吸收正功率，说明元件是负载。
理想电压源 输出电压恒 定，输出电 流由它和负 载共同决定
理想电流源 输出电流恒 定，两端电 压由它和负 载共同决定
电路分析基本理论的主要任务就是寻求实际电路 共有的一般规律，电路模型则是用来探讨存在于具有 不同特性的、各种真实电路中共同规律的工具。
利用电路模型研究问题的特点
1.主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路， 其中电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算； 2.研究与实际电路相对应的电路模型，实质上就是 探讨各种实际电路共同遵循的基本规律。
1.3.1 几个常用的电路名词
1.支路：电路中流过同一电流的几个元件串联的分支。（m） 2.结点：三条或三条以上支路的汇集点（连接点）。（n） 3.回路：由支路构成的、电路中的任意闭合路径。(l） 4.网孔：指不包含任何支路的单一回路。网孔是回路，回路不 一定是网孔。平面电路的每个网眼都是一个网孔。 a + + m=3 US1 3 US2 3 _ n=2 _ 2 2 1 1 R3 l=3 R1 R2 网孔=2 b
欢迎学习电工电子技术
电工电子技术是矿山机电、矿井通风与安全、 煤矿开采技术等专业的主干技术基础课程。通过本 课程的学习可使学员掌握电路的基本理论、基本分 析方法和进行电路实验的基本技能，为后续专业课 程打下必要的基础。
电工电子技术理论体系严谨，内容贴近实际， 学生在学习中不仅可学会一种思维方法，而且深入 学习能养成科学的学习作风，从而终生受益。 学习电路分析要求透彻理解其中的诸多重要概 念，掌握其基本定理、定律分析电路的方法，并能 运用它们分析和解决电路中的一些实际问题。