电路的基本概念及其基本定律

项目一电路的基本概念及基本定律（时间：4次课，8学时）本章首先阐述了电路的基本知识，包括电路的组成、功能，电路的基本物理量——电压、电流、功率和电路的工作状态。在此基础上，重点介绍了两方面内容：一是基本电路元件及其伏安特性，即电路元件中电压与电流的关系，包括电阻、电感、电容元件的伏安特性和独立源、受控源的伏安特性；二是介绍了电路中电压与电流相互之间应遵循的规律——基尔霍夫定律。此外，在本章中还运用上述基本理论，对电路中的电位进行分析和计算。项目一电路的基本概念及其基本定律任务一电路及其组成任务二电路的基本物理量和参考方向任务三电气设备的额定值及电路的工作状态任务四电路的基本定律任务五电路中电位的计算任务六电源任务一电路及其组成电路是电工技术中的主要研究对象，电路理论是电路基础的主要部分。为了研究电路理论，首先要了解什么是电路，即给电路下一个定义。任务一电路及其组成1.1.1电路及其组成1.1.2电路的功能1.1.1电路及其组成基本概念：电路：有电流通过的路径。图1.1电路的组成电路一般由三部分组成：电源：供给电路电能的设备。它把其他形式的能量转换成电能，如发电机把机械能转换为电能。负载：各种用电设备。它是将电能转换成其他形式能量的装置，如电灯把电能转换为光能和热能。中间环节：连接电源和负载的部分。最简单的中间环节就是导线和开关，起到传输和分配电能或对电信号进行传递和处理的作用。1.1.2电路的功能按工作任务划分，电路功能有两类。能量的转换、传输和分配．如供电电路用发电机将其他形式的能量转换成电能，再通过变压器和输电线送到负载，将电能转换成其他形式的能量．信号的处理．如电话机、电视机、收音机等。将声音或图像信号转换成电信号经各种处理后，送到负载，负载再将电信号转换成声音或图像信号。图1.2电路的功能实际电路由各种作用不同的电路元件或器件所组成且电路元件种类繁多，电磁性质复杂。如图1.1中所示的白炽灯，除了具有消耗电能的性质外，当电流通过时，还具有电感性。为了便于对实际复杂问题进行研究，常常采用一种“理想化”的科学抽象方法，即把实际元件看作是电阻、电感、电容与电源等几种理想的电路元件。理想的电路元件是具有某种确定的电或磁性质的假想元件。常见理想元件的符号如图1.3所示。图1.3理想电路元件的符号图1.4电路图用理想电路元件构成的电路叫电路模型，用特定的符号代表元件连接成的图形叫电路图，如图1.4所示就是图1.1所示照明电路的电路图。任务二电路的基本物理量和参考方向在电路中需要分析研究的物理量很多，主要是电流、电压和电功率这3个，其中电流、电压是电路中的基本物理量。任务二电路的基本物理量和参考方向1.2.1电路的基本物理量和参考方向1.2.2元件的伏安关系1.2.1电路的基本物理量和参考方向1.电流和电流的参考方向电荷的定向移动形成电流。习惯上规定正电荷的运动方向为电流的方向(事实上，金属导体内部的电流是由带负电的自由电子定向运动形成的)，如图1.5所示。ddqit图1.5导体中的电子与电流表征电流强弱的物理量叫电流强度，简称电流。电流在数值上等于单位时间内通过导体横截面的电荷量，一般用符号表示，即如果电流的大小和方向均不随时间变化而变化，这种电流称为恒定电流，简称直流电流。直流电流通常用大写字母I表示，即随时间变化的电流一般用小写字母i表示。完整地表示电路中的电流应该既有电流的大小又要有其方向。在简单电路中，电流的实际方向较易判别，但在复杂电路中，电路中各电流的实际方向往往很难事先确定。此外，有些电路中电流的实际方向是随着时间在改变的，很难标明其实际方向。因此，在分析和计算电路时引入了一个重要的概念——电流的参考方向。qIt电流的参考方向是任意设定的，在电路图中一般用箭头表示。分析计算电路时，首先应设定电路中各个电流的参考方向，并在电路图上标出。若计算结果为正值，则表示电流的实际方向与参考方向一致；若电流为负值，则表示实际方向与参考方向相反。图1.6表示了电流的实际方向与参考方向的联系。图1.6电流的实际方向和参考方向的联系2.电压和电压的参考方向1)电压在图1.7中，极板a带正电，极板b带负电，在a、b间存在电场，其方向是由a指向b。在电场力的作用下，正电荷由a经外电路流向b。电场力对电荷做了功。用物理量来衡量电场力做功大小，引入了电压。其定义为：把单位正电荷从a点移动到b点电场力所做的功定义为a、b两点间的电压，即abddwuq式中，Uab电压的单位为V(伏[特])。通常直流电压用大写字母U来表示。图1.7电源电压2)电位电场力将单位正电荷从电场内的a点移动至无限远处所做的功，被称为a点的电位。由于无限远处的电场为零，所以电位也为零。因此，电场内两点间的电位差，也就是a、b两点间的电压。即为分析电路方便起见，一般在电路中任选一点为参考点，令参考点电位为零，则电路中某点相对于参考点的电压就是该点的电位。ababuuuau电压方向规定为由高电位指向低电位，即电位降方向。在电路分析中也可选取电压的参考方向。电压的参考方向可用箭头表示，即设定沿箭头方向电位是降低的；也可以用“+”、“－”表示；还可用双下标表示，如图1.8所示。若计算所得电压为正值，实际方向与参考方向一致；反之，则相反。在分析电路时电压和电流参考方向的选择是独立无关的，但为了方便分析问题，常常把两者的参考方向选择为一致，即选取成关联参考方向。图1.8电压参考方向的表示法3)电动势为维持恒定电流不断在电路中通过，必须保持恒定，因此需要电源力不断克服电场力，使正电荷由负极b移向正极a。电源力对电荷做功的能力用物理量电动势来衡量。电源电动势在数值上等于电源力把单位正电荷从负极b经电源内部移到正极a所做的功，用E表示。电动势的方向规定为由低电位指向高电位，即电位升方向，其单位也为V(伏[特])。３、电功率①电路中，单位时间内电路元件的能量变化用功率表示。即：元件吸收或发出的功率等于元件上的电压与电流之积。直流电路的这一公式写为②元件类型判别：当、参考方向一致时，该元件是负载；当、参考方向相反时，该元件是电源。③电能，单位为Ｊ（焦耳）．也可以用W·s或kW·h作单位.ddwptddddqwpqtpuiWPtsWhkW36000001UIUIPUIPUI0P0PPUI解：电路应遵守能量守恒定律，即由题意可知，元件1发出功率205W，元件2、4、5共吸收功率135W，则元件3吸收功率70W。例1-1图1.9示电路是5个元件组成的电路，关联方向下，如果，，，，计算元件3是吸收或发出的功率。图1.9例1-1图1205WP260WP445WP530WP0P1.2.2元件的伏安关系1、电阻元件1）金属导体的电阻导体对电流呈现的阻碍作用称为电阻，用字母R来表示。导体的电阻值R与导体的长度l成正比，与导体的横截面积s成反比，并与导体材料的性质有关，用公式表示为电阻率是单位长度单位截面积时导体的电阻值。越大，物质的导电能力就越差。另外，金属导体的电阻率还受温度的影响，一般的金属导体，温度越高，电阻率越大。lRs不同的材料，有不同的电阻率，表1.1列出了常用的电工材料在20℃时的电阻率及其温度系数。从表中可知，银的电阻率最小，是最好的导电材料，其次是铜和铝，但银的价格昂贵，除了必要的地方外，普遍采用铜和铝。材料名称电阻率(Ωm)(20℃)电阻率温度系数α(20℃)银铜铝钨铁铂锡铅锰铜康铜镍铬1.59×10-81.69×10-82.65×10-85.48×10-89.78×10-81.05×10-71.14×10-72.19×10-7(4.2~4.8)×10-7(4.8~5.2)×10-7(1.0~1.2)×10-60.003800.003930.004100.004500.005000.003000.004200.00390——0.00013表1.1常用导电材料的电阻率与温度系数例1-2一台电动机的线圈由直径为1.13mm的漆包铜线绕成，测得在20℃时电阻为1.64，求共用了多长的导线？解：23262(1.1310)1.00310m44sd681.641.00310/(1.6910)97mslR2）电阻元件的伏安关系：UIRUIR图1.10电阻元件的伏安关系关联参考方向非关联参考方向1826年，德国科学家欧姆通过科学实验总结出电阻元件中电流与两端电压之间的伏安关系，即欧姆定律。表述如下：电阻中电流的大小与加在电阻两端的电压成正比，与电阻值成反比。若电压与电流取关联参考方向时，如图1.10(a)所示，欧姆定律可表示为或(1-12)若电压与电流参考方向相反，如图1.10(b)所示，欧姆定律可表示为或(1-13)UIRURIUIRURI以电阻元件上的电压和电流为直角坐标系中的横坐标和纵坐标，画出的U-I函数特性曲线称为元件的伏安特性。当电阻元件的伏安特性是通过原点的直线(如图1.11(a)所示)时，称为线性电阻元件；反之，当电阻元件的伏安特性不是通过原点的直线而是一条曲线(如图1.11(b)所示)时，称为非线性电阻元件。图1.11电阻元件的伏安特性2、电感元件电感线圈或电感器：变压器线圈、日光灯镇流器线圈等。电感是反映磁场能性质的电路参数。电感元件是实际线圈的理想化模型，假想是由无阻导线绕制而成的，用L表示，其电路符号如图1.12所示。图1.12线性电感元件电感系数：按照右手螺旋法则，线性电感元件的磁链与电流i成正比，比例系数称为电感系数L。即式中，电感系数L的单位为H(亨[利])；磁链和磁通的单位均为Wb(韦[伯])。空心线圈的电感系数L是一个常数，与通过的电流大小无关。这种电感称为线性电感。线性电感的大小只与线圈的形状、尺寸、匝数，以及周围物质的导磁性能有关。线圈的截面面积越大，匝数越密，电感系数越大。Li２）电感元件的伏安关系:根据电磁感应定律，当电流随时间变化时，磁链、磁通也会发生变化。同时在电感线圈两端便会产生感应电动势(1-16)那么在电感元件两端便有感应电压，若电压与电流参考方向一致(如图1.12所示)，其伏安关系为(1-17)即电感两端电压与通过电流的变化率成正比。LddiuLtLddddddieNLttt3.电容元件1)电容电容元件(用C表示)通常由用绝缘介质隔开的两块金属板组成。这种结构的电容称为平板电容，中间的绝缘材料称为电介质，如图1.13(a)所示。实际的电容元件忽略介质及漏电损耗就是理想电容元件。当在电容元件两端加上电源时，两块极板上便聚集起等量的正、负电荷，如图1.13(b)所示。其电荷量q与外加电压之间有确定的函数关系。对于线性电容元件，q、u之间的关系为式中，C为电容元件的电容量，单位为F(法[拉])。qCu电容量的大小与两端电压无关，仅与电容器元件的形状、尺寸及电介质有关。如平板电容器的电容量为ACd式中，Ad为两极板正对面积，为两平行极板间距离，为电介质的介电常数。图1.13平板电容器2)电容元件的伏安关系：如图1.14所示电容元件，若所加电压随时间变化，则电容极板上的电荷量也随时间变化，根据电流定义，这时电容上便有电流通过。若电流与电压取关联参考方向，则即通过电容的电流与电容两端电压的变化率成正比。ddddquiCtt图1.14线性电容元件任务三电气设备的额定值及电路的工作状态1.3.1电气设备的额定值1.3.2电路的3种工作状态1.3.1电气设备的额定值为了保证电气设备在使用年限内安全、可靠运行，对其电压、电流、功率设定了一个限额值，这个限额值就称为电气设备的额定值。例如，“220V、60W”的白炽灯，“380V、4kW”的电动机等。大多数电气设备的使用寿命与绝缘材料的耐热性能及绝缘强度有关，因此电气设备的额定值主要有额定电流、额定电压、额定功率。1.额定电流当电气设备中通过工作电流时，由于电气设备本身有电阻，会产生热量，使电气设备温度升高。如果通过