电路的作用与组成部分

电池是电源元件，其 参数为电动势 E 和内阻 Ro；
灯泡主要具有消耗电能 的性质，是电阻元件，其 参数为电阻R；
筒体用来连接电池和灯 泡，其电阻忽略不计，认 为是无电阻的理想导体。
开关用来控制电路的通 断。
电路与电路模型
导线
• 实际电路：
灯
开开关关
电
泡
池
• 电路模型：
+
S E 开关
IR
R0
干电池
电珠
aR 注意：
b 若 U= –5V，则电压的实际方向 从 b 指向 a 。
在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负 之分。
参考方向：人为规定的方向。
关联的参考方向： U=IR
UI
非关联的参考方向： U= -IR
UI
a
a
实际
实际
方向
方向
I
I
a
a
++
U
实际 极性
--
+-
U
实际 极性
-+
b
b
I>0
简单电路：
S E 电源 中间环节 负载
复杂电路：
发电机
升压 变压器
输电线
降压 变压器
电灯 电动机
wenku.baidu.com电炉
电源
中间环节
负载
我们常将具有一定功能的电路视为一个系统。
对一个系统而言，电源（或信号源）的作 用称为激励，由激励引起的结果（如某个元件 上的电流、 电压）称为响应。
激励和响应的关系就是作用和结果的关系， 往往对应着输入与输出的关系。
开关闭合,接通 电源与负载。
特征:
E I
R0 R
I
E


U
R
R0

I
① 电流的大小由负载决定。
U = IR 负载端电压 或 U = E – IRo
② 在电源有内阻时，I U 。
P = PE – P
UI = EI – I²Ro
负载 电源 内阻 ③ 电源输出的功率由负载决定。
取用 产生 消耗 负载大小的概念:
kV 、V、mV、 μV
电动势E
低电位 高电位 (电位升高的方向)
kV 、V、mV、 μV
电路分析中的假设正方向（参考方向）
问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量
的实际方向，电路如何求解？
电流方向 AB？
A IR B
电流方向 BA？
R
U1
U2
解决方法
(1) 在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；
功率 功率 功率
负载增加指负载取用的
电流和功率增加(电压一定)。
电源与负载的判别
1. 根据 U、I 的实际方向判别
电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出，
负载：
（发出功率）；
U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。 （吸收功率）。
2. 根据 U、I 的参考方向判别
U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载；
线性电阻的概念：
遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段 电路电压与电流的比值为常数。
即： RU常数 I
电路端电压与电流的关系称为伏安特性。
线性电阻的伏安特性
I/A
是一条过原点的直线。
o
U/V
线性电阻的伏安特性
1.5 电源有载工作、开路与短路
1.5.1 电源有载工作
I
开关闭合,接通
E

I<0
(a)
(b)
b
b
U>0
U<0
(c)
(d)
例：如图，设 I=1A, 则 Iab=? a
(1) +1A (2) -1A
RI b
1.4 欧姆定律
U、I 参考方向相同时， U、I 参考方向相反时，
+
U=IR
+
U = – IR
U IR
U
–
–
表达式中有两套正负号：
IR
① 式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；
实际电路都是根据人们的需要将实际的电路元 件或器件搭接起来，以完成人们的预想要求。
如发电机、变压器、电动机、电阻器及电容器 等，但是，实际元器件的电磁特性十分复杂。为 便于对电路的分析和数学描述，常将实际元器件 理想化（即模型化）
理想电路元件：
在一定条件下，突出其主要电磁性，忽略 次要因素，将实际电路元件理想化（模型化） 。
第1章 电路的基本概念与基本定律
1.1 电路的作用与组成部分 1.2 电路模型 1.3 电压和电流的参考方向 1.4 欧姆定律 1.5 电源有载工作、开路与短路 1.6 基尔霍夫定律 1.7 电路中电位的概念及计算
第1章 电路的基本概念与基本定律
本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解电路的基本定律并能正确应用； 3. 了解电路的有载工作、开路与短路状态，
含源网络的功率
I
+
U
-
含源 网络
P = UI
电压电流正方向一致
I
+
U
-
含源 网络
P = –UI
电压电流正方向不一致
结论
在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。 当 计算的 P > 0 时, 则说明 U、I 的实际
方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。
当计算的 P < 0 时, 则说明 U、I 的实际方
满足 ∑P=0: 结果正确
1.5.2 电源开路
开关 断开 特征:
I=0
I
E

Ro
U0
U = U0 = E 电源端电压 ( 开路电压 )
P = 0 负载功率
有I
电路中某处断开时的特征:
源
1. 开路处的电流等于零；
电 路
I =0
2. 开路处的电压 U 视电路情况而定。
R
+ U –
1.5.3 电源短路
b
电流： I
箭标 aR b
电压：
正负极性 a + U –
b
双下标 Iab
双下标 Uab
(3) 实际方向与参考方向的关系
实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；
实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。
例： I aR b
+U–
若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；
若 I = –5A，则电流从 b 流向 a 。 若 U = 5V，则电压的实际方向 从 a 指向 b；
分析 “电路” 问题的 核心点
• 任何电路，都是在电动势、电 压或电流的作用下进行工作的， 对于电路的分析和计算就是要 讨论电压、电动势和电流状态 以及它们之间的关系。
即讨论响应的状态及与激励的关系
1. 2 电路模型（circuit model)
为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路 模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其 组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路 相对应的电路模型。
3. 电位（electric potential)
电路中某点的电位就是该点到参考点之间的 电压，数值上等于电场力把单位正电荷从该点移 到参考点所做的功。参考点用 或 表示。
Va=Uao
4.电动势（electromotive force)
I
电源的电动势 Eba 在数值上
a
等于电场力把单位正电荷从
Eba
理解电功率和额定值的意义； 4. 会计算电路中各点的电位。
1.1 电路的作用与组成部分
电路是电流的通路，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。
1. 电路的作用 (1) 实现电能的传输、分配与转换
发电机
升压 输电线 降压
变压器
变压器
(2)实现信号的传递与处理
电灯 电动机 电炉
...
I
电U特I源=征外I0:S 部 端RE0子被短电短接源路端电电流ER0压（很大）U0
R
P= 0
负载功率
PE = P = I²R0 电源产生的能量全被内阻消耗掉
电路中某处短路时的特征:
若 P 0 吸收功率或消耗功率（起负载作用）
电阻消耗功率肯定为正
若 P 0 输出功率（起电源作用）
电源的功率可能为正（吸收功率） ，也可能为负（输出功率）
电源与负载的判别: 关联的参考方向： P=UI 非关联的参考方向： P= - UI 若 P>0 表明元件是吸收功率是负载 若 P<0 表明元件是发出功率是电源
Uab
电源的低电位端 b 经电源内
b
部移到高电位端 a 所做的功。
单位：电动势与电压的单位相同。为伏特(V)
1.3 电压和电流的参考方向
1. 电路基本物理量的实际方向 物理中对基本物理量规定的方向
物理量 电流 I
电压 U
实际方向
正电荷运动的方向
高电位 低电位 (电位降低的方向)
单位
kA 、A、mA、 μA
电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路 工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。
电路的组成：电源，负载和中间环节
电源：将非电能转换成电能的装置， 例如：发电机、干电池
负载：将电能转换成非电能的装置 例如：电动机、电炉、灯
中间环节：连接电源和负载的部分，起传输和分 配电能的作用。例如：输电线路
② U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考
方向之间的关系。
通常取 U、I 参考方向相同。
例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。
+
UI 6V 2A
R
– (a)
+
U 6V
I R
– –2A
(b)
解：对图(a)有, U = IR 所以 : RU63Ω I2
对图(b)有, U = – IR 所:以 RU63Ω I 2
3
I1
I4
U3
4 U1 1
I2 2 U2
解： P1= – U1I1= - 14×2= – 28 W P2=U2I2=10 ×1=10 W P3= - U3I1= - (-4) ×2=8 W P4= - U2I4= - 10 ×(-1)=10 W
验算： P1+P2+P3+P4=(-28)+10+8+10=0
电路模型：
由理想电路元件所组成的电路，就是实 际 电路的电路模型。
理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、 电容元件和电源元件等。
例：手电筒
手电筒由电池、灯 泡、开关和筒体组成。
手电筒的电路模型
I
++
E
–U
Ro
–
电池
S 开关
导线
R 灯泡
手电筒的电路模型
I
++
E
–U
Ro
–
电池
S 开关
导线
R 灯泡
今后分析的都是指电 路模型，简称电路。在 电路图中，各种电路元 件都用规定的图形符号 表示。
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)
例：如图，已知U1=14V, I1=2A, U2=10V, I2=1A, U3= - 4V, I4= - 1A, 求各方可框电路中的功率， 并说明是吸收功率还是发出功率。
方向:正电荷移动的方向 单位:安培(A)
毫安(mA) 微安(A)
Iab b
a
S
i =dq / dt I = q / t (直流)
2. 电压(voltage)
I
ab两点间的电压Uab 在数值上等于电场力把单
a
位正电荷从a点移到b点所
Eba
Uab
做的功。
b
Uab=Va-Vb
单位：伏特(V)
千伏(kV) 毫伏(mV)
向相反，此部分电路发出电功率，为电源。
所以，从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质， 或是电源，或是负载。
电气设备的额定值
额定值: 电气设备在正常运行时的规定使用值 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：灯泡：UN = 220V ，PN = 60W
电阻： RN = 100 ，PN =1 W 电气设备的三种运行状态
常用理想元件如下：
电阻(resistance)
R
电感(inductance)
L
电容(capacitance)
C
电压源(voltage source)
电流源(current source)
E
Is
电路的基本物理量
1.电流(current)
概念:电荷有规则的定向运动 大小:单位时间通过导体横截
面的电荷量
P = UI 0，电源。
U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。
规定正方向的情况下电功率的写法
I
a
U
R
b
电压电流正方向一致
P U I
如果U I方向不一 致写法如何？
规定正方向的情况下电功率的写法
aI
U
R
b
电压电流正方向相反
P = –UI
功率有正负？
功率有正负
(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；
(3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。
2. 电路基本物理量的参考方向
(1) 参考方向
Ia
在分析与计算电路时，对 +
+
电量任意假定的方向。
E
RU
_
_
(2) 参考方向的表示方法
电源与负载 特征:

U
R
R0

I
E
I
R0 R ① 电流的大小由负载决定。
U = IR 负载端电压 或 U = E – IR0
U 电源的外特性 ② 在电源有内阻时，I U 。
E
当 R0<<R 时，则U E ，表明
当负载变化时，电源的端电压变
化不大，即带负载能力强。
0
I
1.5.1 电源有载工作
话筒 放 扬声器
大 器
2. 电路的组成部分
电源: 提供 电能的装置
发电机
升压 变压器
输电线
负载: 取用 电能的装置
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
2.电路的组成部分
信号处理：
信号源:
放大、调谐、检波等
提供信息 话筒
放 扬声器
大
器
直流电源:
负载
提供能源
直流电源