1、模块一 电路的基础知识,模块一 电路的基础知识,课题一 电路的基本描述 学习情境：手电筒照明电路 【任务一】电路的描述 【任务二】电路的基本物理量及测量课题二 电路的基本定律 学习情境：电饭煲工作电路 【任务一】欧姆定律 【任务二】基尔荷夫定律,课题一 电路的基本描述,学习情境 手电筒照明电路,模块一 电路的基础知识,电路的定义,【任务一】电路的描述知识链接1：电路的构成,模块一 电路的基础知识,实际电路是由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。电路可以很简单，如手电筒电路，它只涉及一个单回路；也可以很复杂，如电视机电路等，它包含许多回路，成为电网络。,模块一 电路的基础知识,能量
2、的传输、分配与转换（如电力系统等“强电”电路， 特点是大功率、大电流）对电信号的传递与处理（如电子技术中等“弱电”电路，特点是小功率、小电流）,电路的功能,实际电路的组成,模块一 电路的基础知识,电路由电源、负载和导线、开关等组成,电源是向电路提供电能的装置,负载是取用电能的装置,课外阅读P25,三种理想电路元件常用的三种最基本的理想元件是：电阻元件 、电容元件、电感元件 ；另外还有电压源和电流源两种理想电源元件。 每一种理想元件都有各自的数学模型和精确定义。,电路模型所谓电路模型，就是把实际电路的本质抽象出来所构成的理想化了的电路。将电路模型用规定的理想元件符号画在平面上形成的图形称作电路图
3、。下图就是一个最简单的电路图。,电源,开关,负载,模块一 电路的基础知识,对实际电路元件理想化的意义为了分析电路方便起见， 必须在一定条件下对实际电路元(器)件加以近似化， 忽略其次要性质， 用一些以表示实际电路元(器)件主要物理性质的模型来代替实际电路元(器)件。 构成模型的元(器)件称为理想电路元件。,电路模型,模块一 电路的基础知识,具有相同的主要电磁性能的实际电路部件， 在一定条件下可用同一电路模型表示。如日光灯和电动机都可以用电感元件来表示其电气模型。 同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。如电感线圈，在不同性质电路中，其电气模型就不一样,【任务一】电路的描
4、述知识链接2：电路的三种工作状态,模块一 电路的基础知识,【任务一】电路的描述知识拓展1：保护和控制装置,模块一 电路的基础知识,保护设备的目的是为了保护电路配线和仪器。保护设备只允许安全限制内的电流通过。当有超过额定电流量的电流(过载电流)通过时,保护设备会自动切断电路直到过载电流问题得到解决。 控制设备通常被设置在电路中允许用户简单地开始、停止或改变电流。通常控制设备包括开关、温度调节装置和灯的调光器。,课外阅读P173-189页“低压电器”。,【任务一】电路的描述知识拓展1：保护和控制装置,模块一 电路的基础知识,【任务一】电路的描述知识拓展2：电路图的形式,模块一 电路的基础知识,最常
5、用的电路物理量（电路变量） ：电流，电压，电功率。,一电流及其参考方向 1.产生电流的条件 有电源提供电荷。 有闭合回路。 2.电流的定义 电荷的定向运动形成电流。,电流既是一种物理现象，同时也是一个表征带电粒子有序运动强弱的物理量,模块一 电路的基础知识,【任务二】电路的基本物理量及测量知识链接1：电流及测量,2.电流的大小单位时间（t）内通过导体横截面的电量（q）定义为电流强度，简称电流，用符号i表示。,电流的单位为安培（A），毫安（mA），微安（A）等。1A=103 mA1A=106 A,交流电流：,直流电流：,电流的大小和方向都不随时间变化,电流的大小和方向都随时间变化,模块一 电路的
6、基础知识,3.电流的参考方向 电流的实际方向规定为正电荷运动的方向，电子运动的方向为电流的反方向。 对于交流电，电流方向不断改变；有些实际电路难以事先确定电流方向。,模块一 电路的基础知识,电流值为正，电流的实际方向与参考方向相同。电流值为负，电流的实际方向与参考方向相反。, 电流参考方向的引入,模块一 电路的基础知识,例题判断图中电流的实际方向，其中，i1=-0.5A,i2=1A,解：图1，电流为负，电流的实际方向为：从b流向a图2，电流为正，电流的实际方向为：从a流向b, 电流参考方向的表示,模块一 电路的基础知识,参考方向是为了分析电路的方便，人为假设的电流方向。 电路中所标电流方向一般
7、代表电流的参考方向。 未标示参考方向情况下求出的电流正负值是毫无意义的。 从电流最终结果的正负来确定电流的实际方向。 算式列出或结果算好后,电流的方向均不可改标。,注意：,模块一 电路的基础知识,4.电流的测量电流表,电流表串联在待测电路中，电流从电流 表的正极流入，负极流出。,模块一 电路的基础知识,1.电位电场力将单位正电荷（q） 由该点移至参考点所作的功（W)。用符号 U 表示，单位为伏特（v)，千伏（kV），毫伏（mV），微伏（ V）等。,参考点：计算电位的起点，即零电位点。 参考点不同，则同一点的电位值会改变,1V=103mV 1V=106V 1kV=103V,【任务二】电路的基本物
8、理量及测量知识链接2：电压及测量,模块一 电路的基础知识,2.电压,电压也叫“电位差”，是指电路中a、b两点间单位正电荷（q）由a点转移到b点时所做的功（W），用符号u或U表示。,直流电压,交流电压,电压的大小和方向都不随时间变化,电压的大小和方向都随时间变化,模块一 电路的基础知识,3.电压的参考方向,与电流类似,分析电路时也必须事先任意假定电压 的参考方向。其标注方法有三种：, 极性表示法(又称参考极性)：电压U的参考方向从正极指向负极。,箭头表示法：电压的参考方向从高电位指向低电位。,双下标表示法 ：Uab 表示电压参考方向由a指向b。,模块一 电路的基础知识,注意：,电压的参考方向可以
9、任意选定。 电路中所标正、负极为电压的参考方向。 如果在参考方向条件下求出的电压值为正 ，则表示电压的实际方向与参考方向相同；如果在参考方向条件下求出的电压值为负，则表示电压的实际方向与参考方向相反。 电压的实际方向：高电位( 极)指向低电位( 极) ，即电压降的方向。,模块一 电路的基础知识,3.电压的测量,电压表应与被测元件相并联。,模块一 电路的基础知识,用万用表测电流和电压时： 1、测量电流与电压不能旋错档位。如果误将电阻档或电流档去测电压，就极易烧坏电表。万用表不用时，最好将档位旋至交流电压最高档，避免因使用不当而损坏。 2、测量直流电压和直流电流时，注意“+”“-”极性，不要接错。
10、如发现指针开反转，既应立即调换表棒，以免损坏指针及表头。 3、如果不知道被测电压或电流的大小，应先用最高档，而后再选用合适的档位来测试，以免表针偏转过度而损坏表头。所选用的档位愈靠近被测值，测量的数值就愈准确。,动手提示,模块一 电路的基础知识,问题与思考,1.为什么要假定电流和电压的参考方向？2.什么是电流的参考方向和实际方向，它们之间有何关系？3.电压和电位有何区别和联系？参考点不同，某一点的电位是否改变？两点之间的电压是否改变？,关联参考方向 ：,同一元件的i和 u的参考方向取为一致称为 关联参考方向。,如果图中只标了电流或电压一个参考方向， 则另一个隐含为关联方向。,电流的参考方向为从
11、流向,电压的参考极性为左边为，右边为,模块一 电路的基础知识,例题在图(a)中，各方框泛指元件。已知 I1=3A, I2=2A, I3=1A,a=10V，b=8V，c= 3V。 (1)欲验证I1、I2数值是否正确，问电流表在图中应如何连接? 并标明电流表极性。(2)求Uab和Ubd，若要测量这两个电压，问电压表如何连接?并标明电压表极性。,模块一 电路的基础知识,解 (1)验证I1、I2数值的电流表应按图(b)所示串入所测支路，其极性已标注在图上。,(2)Uab=ab=108=2VUbd=bd=8(3)=11V或 Ubd=bd=ba+ad=Uba+Uad而 Uba=ba=810=2V Uad=
12、ad=10(3)=13V故 Ubd=Uba+Uad=2+13=11V,以上用两种思路计算所得结果完全相同,模块一 电路的基础知识,1. 电功率的定义电路中的一部分a、b段，图中采用了关联参考方向，设在dt时间内，由a点转移到b点的正电荷量为dq，ab间的电压为u，根据对电压定义式的讨论可知，在转移过程中dq失去的能量为,正电荷失去能量，也就是这段电路吸收或消耗了能量，因此，ab段电路所消耗的功率为,在直流电路中，,模块一 电路的基础知识,【任务二】电路的基本物理量及测量知识链接3：电能和电功率及测量,2. 电功率的单位,功率的单位为瓦特，简称瓦(W)。实用中还有千瓦(kW)，毫瓦(mW)等。,
13、1kW=103W 1mW=10-3W,3. P为正负时的意义,在电压电流符合关联参考方向的条件下，如图所示(a)，一段电路的功率代表该段电路消耗的功率，当P为正值时，表明该段电路消耗功率；当P为负值时，则表明该段电路向外提供功率，即产生功率。如果电压、电流不符合关联参考方向，如图 (b)所示，则结论与上述相反。,模块一 电路的基础知识,在计算功率时: 1、u，i参考方向关联时:P0,元件或者支路实际上吸收功率; P0,元件或者支路实际上发出功率; P0,元件或者支路实际上吸收功率。,注意：,模块一 电路的基础知识,二、 电能,电路在dt时间内消耗的电能为,若通电时间为t ，则在此时间里，电能消
14、耗的电能为,在直流电路中，有,(t为通电时间),电能的单位为焦耳，简称焦(J)。实用单位还有度，1度=1千瓦1小时=1千瓦时(kWh)。,模块一 电路的基础知识,例题 在图中，方框代表电源或电阻，各电压、电流的参考方向均已设定。已知I1=2A,I2=1A,I3=1A,U1=7V,U2=3V,U3=4V,U4=8V,U5=4V。求各元件消耗或向外提供的功率。,解 元件1、3、4的电压、电流为关联方向，P1=U1I1=72=14W(消耗)P3=U3I2=41=4(提供)P4=U4I3=8(1)=8(提供),元件2、5的电压、电流为非关联方向。 P2=U2I1=32=6W(提供) P5=U5I3=4
15、(1)=4W(消耗),电路向外提供的总功率为： 4+8+6=14W电路消耗的总功率为： 14+4=18W计算结果说明符合能量守恒原理，因此是正确的。,模块一 电路的基础知识,问题与思考,1.如何规定关联参考方向与非关联参考方向？ 2.计算功率P=ui 时 u与i采用关联参考方向和采用非关联参考方向所得结果有何不同？,模块一 电路的基础知识,功率和电能的测量,模块一 电路的基础知识,日常生活中，用电度表测量电功如图示。定义度【KWh】为电功单位。1度电=1 KWh=1000W3600s=3.6106J 当用电器工作时，电度表转动并且显示电流作功的多少。显然电功的大小不仅与电压电流的大小有关，还取
16、决于用电时间的长短。 功率的测量有两种方式。如图示，一种为间接法，用电压表和电流表分别测量用电器的参数再计算求得功率。另一种直接用功率表（瓦特计）测量。,课题二 电路的基本定律,学习情境 电饭煲工作电路,模块一 电路的基础知识,模块一 电路的基础知识,电阻元件反映电子器件（或设备）消耗电能的一种物理性能。电路中用电阻表示为一种理想的二端元件。,1电阻元件的伏安关系,若电阻R值与其工作电压或电流无关，是一个常数，那么这样的电阻元件称为线性电阻元件。,线性电阻元件是一种理想电路元件，其伏安特性曲线是通过u、i平面坐标原点且位于、象限的直线，即元件的端电压与电流成正比。这个关系称为欧姆定律。,欧姆定
17、律：,模块一 电路的基础知识,【任务一】欧姆定律知识链接1：电阻元件,2. 电导,电阻的倒数叫做电导,用G表示。在SI中,电导的单位是西门子，简称西(S)，用电导表征电阻时,欧姆定律可写成,或,如果电阻的端电压和电流为非关联方向时,则欧姆定律应写为,或,二电阻元件的性质,1电阻元件均是无记忆的。 2开路和短路 线性电阻当R0（或G）时，称为短路，短路时电阻两端电压为零；当R（或G0）时，称为开路，开路时流过电阻的电流为零。,模块一 电路的基础知识,三、电阻元件的功率,电阻元件的功率表达式为：,线性电阻元件总是消耗电能的，而不可能放出电能。当电阻值一定时，电阻消耗的功率与电流（或电压）的平方成正
18、比，而不是电流（或电压）的线性函数。,应用以上式时，一定要注意，I必须是流过电阻R的电流，U必须是电阻两端的电压。,模块一 电路的基础知识,常见电阻元件,模块一 电路的基础知识,1、测量电阻时，不要用手触及元件的裸体的两端（或两支表棒的金属部分），以免人体电阻与被测电阻并联，使测量结果不准确。 2、测量电阻时，如将两支表棒短接，调“零欧姆”旋钮至最大，指针仍然达不到0点，这种现象通常是由于表内电池电压不足造成的，应换上新电池方能准确测量。 3、万用表不用时，不要旋在电阻档，因为内有电池，如不小心易使两根表棒相碰短路，不仅耗费电池，严重时甚至会损坏表头,动手提示,模块一 电路的基础知识,【任务一
19、】欧姆定律知识链接2：电源有载工作、开路与短路,模块一 电路的基础知识,1.电源有载工作全电路欧姆定律图中，RL为负载电阻，R0为电源内阻，Us为电源电压。当开关S闭合时， U=Us-RLIPPUs一P 上式称为全电路欧姆定律，其表示： 表明内阻越小电流(负载)变动时，电源的端电压波动不大，同时也说明了它带负载能力强。反之，当Ro越大（不能忽略）时，电源的端电压随电流(负载)变化波动明显，说明它带负载能力弱。 式中，PUs=UsI，是电源产生的功率； P=UI， 是电源输出的功率；P=RoI2，是电源内阻损耗的功率。,思路：理顺各个物理量的逻辑关系,【例1-1-3】 在图1-1-26a所示的电
20、路中，已知电源电动势E=220 V，内阻R0=10，负载RL=100 ，求：(1)电路电流I；(2)电源端电压U；(3)负载上的电压降；(4)电源内阻上的电压降。 【解】,注：通过例题培养用框图的逻辑关系理解题意和绘制表格的能力。,模块一 电路的基础知识,模块一 电路的基础知识,_,【例1-1-4】 如图1-1-27所示的电路中，已知U=200 V，I=5 A，内阻R01= R02=05 。(1)求电源的电动势E1和负载反电动势E2。(2)试说明两个电源的功率关系。,【解】,【解】,说明： PE10，表明该电源此时吸收功率，消耗电能，相当于负载。,2.电源开路,模块一 电路的基础知识,图所示的
21、电路中，当开关s断开时，就称电路处于 开路状态。开路时，电源没有带负载，所以又称电源空载 状态。电路开路，相当于电源负载为无穷大，因此电路 中电流为零。无电流，则电源内阻没有压降U损耗，电 源的端电压Uab等于电源电动势E，电源也不输出电能。 电路开路时外电阻视为无穷大，电路开路时的特征:,I = 0Uab = E,Ps = 0,3.电源短路图所示电路，当电源的两端由于某种原因被电阻值接近为零的导体连接在一起，电源处于短路状态。电源短路状态，外电阻可视为零，电源端电压也为零， 电流不经过负载，电流回路中仅有很小的电源内阻R0，因 此回路中的电流很大，这个电流称为短路电流，用IS表示。电源短路时
22、的特征：,Uab = 0IS = E/ R0 PE = P = R0IS2PL = 0,模块一 电路的基础知识,【任务一】欧姆定律知识拓展1：电气设备的额定值和工作状态,模块一 电路的基础知识,额定值指用电器长期、安全工作条件下的最高限值，一般在出厂时标定。,电气设备的额定值常有：额定电压、额定电流和额定功率等，分别用UN、IN和PN表示。,当电气设备工作电压在额定值，称为额定（满载）工作状态。在此工作状态下设备的安全性、可靠性、寿命周期都是最佳的。 当电气设备工作电压小于额定值，称为欠压（欠载）状态。在此工作状态下设备的工作效率低下。 当电气设备工作电压高于额定值，称为过压（过载）状态。在此
23、工作状态下设备极易发生故障或烧毁，是需要严格制约的。,【任务一】欧姆定律知识拓展2：电饭煲的工作原理,模块一 电路的基础知识,电饭煲又称作电锅、电饭锅。是利用电能转变为内能的炊具。 【原理】当饭煮好的时候，电饭煲内的水便会蒸发，由液态转为气态。物体由液态转为气态时，要吸收一定的能量，叫做“潜热”。这时候，温度会一直停留在沸点。直至水分蒸发后，饭煲里的温度便会再次上升。电饭煲里面有温度计和电子零件，当它发现温度再次上升的话，便会自动停止煮饭。 【主要器件】 1、发热盘 2、限温器 3、保温开关 4、杠杆开关 5、限流电阻,节点：电路中3个或3个以上两端元件联接的点，称为节点。,支路：电路中通过同
24、一电流的每一个分支，（或联接于两个节点之间的一段电路）称为支路。,回路：电路中任一闭合的路径，称为回路,网孔：回路内不含有其它支路的回路。,例题图示电路中每个方框代表一元件 节点数 N = 2支路 B = 3回路数 L = 3网孔数 M = 2,模块一 电路的基础知识,【任务二】基尔霍夫定律知识链接1：描述电路结构的专业术语,基尔霍夫定律是电路中电压和电流所遵循的基本规律，也是分析和计算电路的基础。,1基尔霍夫电流定律（KCL）,KCL可描述为：对于电路中的任一节点，在任一时刻，流出（或）流进该节点的所有支路电流的代数和恒等于零。,在图示各电流的参考方向下，依KCL,有,模块一 电路的基础知识
25、,【任务二】基尔霍夫定律知识链接2：KCL定律,1列写KCL方程时，根据各支路电流的参考方向，以流入为正或流出为正均可。 2KCL表达了电路中支路电流间的约束关系。（只与电路联接有关，而与元件组成无关）,注意：,模块一 电路的基础知识,【任务二】基尔霍夫定律知识拓展：广义节点的KCL,基尔霍夫电流定律也可推广应用于包围几个节点的闭合面，也称为广义节点。图所示电路中，把闭合面S看成一个节点，则三个流入该节点的电流Ia、Ib和Ic： I=0 即:IA+IB+IC=0 （1-1-13） 可见在任一时刻，通过任何一个闭合面的电流代数和也恒为零。它表示着流入闭合面的电流和流出闭合面的电流是相等的。,KV
26、L可描述为：对于任一网络中的任一回路，在任一时刻，沿该回路的所有电压降的代数和恒等于零。,u =0 或：U =0 （直流）,例题 图中： U1 + U2 U3 + U4 U5 U6 = 0,首先要确定回路的绕行方向。若按顺时针方向绕行，支路电压的参考方向与回路绕行方向一致时（从“”极性指向“”极性）电压取正号，相反时（从“”极性指向“”极性）该电压取负号。,模块一 电路的基础知识,【任务二】基尔霍夫定律知识链接2：基尔霍夫电压定律（KVL）,注意：,1.任何两点间的电压与计算时所选择的路径无关。 2.列写KVL方程时，所选回路的绕行方向任意。 3.两端元件正负号的确定方法：当参考方向与绕行方向
27、一致时取正号；反之取负号。 4.KVL可推广应用于开路电路。 5.电压求解的法则：欲求电路中任意两端的电压，只需按所求电压的某一点沿电路任一路径绕至另一点。该路径上所有压降的代数和就等于待求电压 。,模块一 电路的基础知识,模块一 电路的基础知识,【例1-1-8】如图1-1-36，列写回路cadbc方程。解：首先，标注各元件电压参考方向和回路绕行方向，再才列些电压方程式：,Ubc + Uca + Uad+ Udb = 0 即 U1 + U2 + U3 + U4 = 0 图1-1-34所示回路是由电动势和电阻构成的， 因此上式也可表示为：E + R1I1 + R2I2 + R3I2 = 0E =
28、 - R1I1 - R2I2 - R3I2E=(RI) 任一回路内，电阻上电压的代数和等于电源电动势的代数和。电动势正负号的选定通常规定为参考方向与所选回路循行方向相反时取正号，一致时取负号；电流的参考方向与所选回路循行方向一致时，电阻上电压降取负号，相反时电压降取正号。 电路任意两点电压的KVL的描述，以图1-1-36中Uab为例： Uab=U3+U4=-U2-U1 上述表明：以从a到b为绕行方向，沿着任意一条以a为起点，b为终点的路径，经过的电压极性与绕行一致为正，否则为负。 电路中任意两点间的电压是与计算路径无关的, 是单值的。所以, 基尔霍夫电压定律实质是势能场做功的体现与路径无关。,
29、模块一 电路的基础知识,【例1-1-9】如图1-1-37电路，U1=15V,U2=25V,R1=7，R2=10，R3=8，R4=40，求Uab。 解：a、b开路故原电路是由两个单回路组成，回路电流分别为：,则Uab = I1R3 -I2R4=-2V,1.电流、电压、功率和电位电流和电压是电路中的基本物理量，其参考方向和关联方向是个很重要的概念。分析计算电路时，必须首先设定电流和电压的参考方向，这样计算的结果才有实际意义。功率P=UI，在关联参考方向下，P0，表示电路消耗功率；P0，表示电路提供功率。电路中某点到参考点之间的电压就是该点的电位，其计算方法与计算电压相同。2.欧姆定律和基尔霍夫定律它们都是电路理论中的重要定律，欧姆定律确定了电阻元件上电压和电流之间的约束关系，通常称特性约束。KCL定律确定了电路中各支路电流之间的约束关系，其内容为：对电路中任一节点在任一时刻，有I=0；KVL确定了回路中各电压之间的约束关系，其内容为：对电路中的回路，在任一时刻，沿回路绕行方向，有U=0。基尔霍夫定律表达的约束关系通常称为拓朴约束。两种约束关系是分析电路的基础。,本章小结,模块一 电路的基础知识,
