電工電子技術項目化教程項目1直流電路任務1.1直流電路基礎知識任務1.2直流電路分析與計算任務1.1直流電路基礎知識一、任務引入任務1.1直流電路基礎知識手電筒是我們日常生活中常見的一種手持式照明工具。典型的手電筒由一個經由電池供電的燈泡、聚焦反射鏡和供手持用的手把式外殼組成，其外形和結構如圖1-1（a）、1-1（b）所示，燈泡、干電池等元件抽象之后，就得到了手電筒電路的理想化模型，如圖1-1（c）所示。手電筒具有結構簡單、體積小、重量輕等特點，被廣泛應用于日常生活中。任務1.1直流電路基礎知識二、教學目標知識目標：理解電路的基本概念；理解電壓和電流參考方向、關聯參考方向和非關聯參考方向的概念；掌握電源和電阻的特性及其電氣符號；掌握電路的基本定律；理解不同類型電源的相互轉換。能力目標：能夠根據電路概念辨別電路的各個組成部分；能夠分辨元件上電壓和電流的參考方向和關系；能夠建立實際電路的理想化模型;

能夠根據基爾霍夫定律分析簡單的電路。素質目標:

培養學生資料查閱和自主學習能力；培養學生的邏輯思維能力，對實際問題的分析能力。任務1.1直流電路基礎知識三、相關知識（一）電路的基本概念1.電路及電路的功能

若干個電路元件按照一定方式連接起來，構成電流的通路，稱為電路，又名網絡。在電路中隨著電流的通過實現能量的轉換、傳輸和分配。

電路的一個作用是電能的傳輸和分配；另一作用是信號(帶有信息的電壓或電流)的傳遞和處理，即把輸入的信號（稱為激勵）加工成為其他所需要的輸出信號（稱為響應）。

實際的電路盡管很復雜，但可把它劃分為電源，負載和中間環節三個基本部分。2.理想電路元件及電路模型

在實際電路分析中，需要將實際電路抽象為理想化的電路模型，然后對其進行分析，抽象過程需要引入一些理想化的電路元件，以簡化電路分析。任務1.1直流電路基礎知識（二）電壓和電流及其參考方向1.電流及其參考方向

電荷的定向移動形成電流，規定正電荷定向移動的方向為電流的方向，電流的大小以單位時間內通過導體橫截面的電荷量來衡量。設在時間dt內通過導體截面的電荷量為dq，則電流為:當電流的大小和方向都不隨時間變化時，稱直流（DC），大小和方向隨時間按照周期性變化的電流，稱為交流（AC），常用小寫字母i表示。電流的單位是安,A。常用的有千安（kA）、毫安（）、微安（）等圖1-2電流的參考方向任務1.1直流電路基礎知識2.電壓及其參考方向電路中A、B兩點間的電壓，在數值上等于電場力將單位正電荷從A點移到B點所做的功，AB間的電壓用uAB表示，即：如果正電荷由A移到B時能量減少，則此兩點間電壓的方向從A指向B。大小和方向都不隨時間變化的電壓，稱為直流電壓，用大寫字母U表示，大小或方向隨著時間變化的電壓，稱為交流電壓，用小寫字母u表示。任務1.1直流電路基礎知識如果指定流過元件的電流的參考方向是從所標電壓參考方向的正極性端流入元件，從元件的負極性端流出，即認為兩者的參考方向一致，則把電流和電壓的這種參考方向，稱為關聯參考方向，如圖1-4（a）所示；如果流過元件的電流參考方向是從所標電壓參考方向的負極性端流入元件，從元件的正極性端流出，即認為兩者的參考方向不一致，則把電流和電壓的這種參考方向，稱為非關聯參考方向，如圖1-4（b）所示。任務1.1直流電路基礎知識分析電路時，經常使用電位這一概念，在電路中任選一點為參考點，則某點的電位就是由該點到參考點的電壓，如果參考點為o，則a點的電位為:3.電位

在一個連通的系統中只能選擇一個參考點，參考點電位為零。如果已知a、b兩點的電位各為Va、Vb，則此兩點間的電壓:即兩點間的電壓等于這兩點的電位之差，所以電壓又叫電位差。電位參考點可以任意選取，常選擇大地、設備外殼或接地點作為參考點，常用符號“┴”表示。任務1.1直流電路基礎知識（三）電阻和電源1.電阻圖1-5電阻外形圖壓敏電阻大功率電阻碳膜電阻排阻光敏電阻水泥電阻貼片排阻功率電阻變阻器柱型貼片電阻金屬膜電阻電阻電阻元件種類繁多、結構形式各有不同，常見的電阻如圖1-5所示。

電阻元件是一種常見的電路元件，其反映的是對電流的阻礙程度，電阻在電路中起分壓、分流和負載等作用。任務1.1直流電路基礎知識圖1-6線性電阻的伏安特性曲線

電阻元件的伏安特性如圖1-6所示若電阻的電流和電壓參考方向為關聯參考方向，則：如果電阻元件的電流、電壓是非關聯參考方向，則電阻的倒數稱為電導G，電導的單位是西門子（S），簡稱西，在電流和電壓關聯參考方向下，任何瞬間電阻元件的電功率為：任務1.1直流電路基礎知識【例1-1】應用歐姆定律列寫出下面電路中的式子，并求出電阻（a）（b）（c）（d）圖1-7例1-1電路圖解：在圖1-7(a)所示電路中，電壓和電流參考方向是關聯，故：在圖1-7(b)所示電路中，電壓和電流參考方向是非關聯，在圖1-7(c)所示電路中，電壓和電流參考方向是非關聯，在圖1-7(d)所示電路中，電壓和電流參考方向是關聯，任務1.1直流電路基礎知識2.電源1）電壓源圖1-8電壓源電路圖圖1-10理想電壓源電路圖1-9電壓源的伏安特性如果一個電壓源的電壓，則此電壓源的伏安特性與電流軸重合的直線，它相當于短路。即電壓為零的電壓源相當于短路。由此，我們也可以發現，若使電壓源對外不輸出電壓，可將其短路，即起到“置零”的作用。當能輸出穩定的電壓時，該電源稱為電壓源。任務1.1直流電路基礎知識2）電流源圖1-12電流源的伏安特性圖1-11電流源電路圖如果一個電流源的電流，則此電流源的伏安特性是與電壓軸重合的直線，它相當于開路。即電流為零的電流源相當于開路，由此可知，若使電流源對外不輸出電流，可將其開路，即起到“置零”的作用。電流源是向電路輸出穩定電流的電源。任務1.1直流電路基礎知識圖1-13電壓源和電流源的轉換3）電壓源與電流源的等效變換實際電壓源模型和電流源模型能夠相互轉換，其轉換形式為：

轉換過程如圖1-13所示，在電壓源轉換為電流源的過程中，轉換后的電流源電流為電壓源電壓和其內阻的比值，轉換前后的內阻不變。任務1.1直流電路基礎知識（四）電路的三種工作狀態

電路有有載、開路和短路三種工作狀態，現以直流電路為例，分析此三種工作狀態下電流、電壓和功率的關系。1.有載工作狀態圖1-15電源有載工作圖

當電源和負載連通時，電路中有電流流通的狀態稱為有載工作狀態。

將圖1-15中的開關S閉合，接通電源與負載，電路進入有載工作狀態。1）電壓與電流2）功率任務1.1直流電路基礎知識3）元件性質的判定判別方法如下：①根據的實際方向判別：U和I的實際方向相反，即電流從“+”端流出，“-”端流入，發出功率，即為電源。U和I的實際方向相同，即電流從“+”端流入，“-”端流出，吸收功率，即為負載。②根據的參考方向判別：當元件的參考方向為關聯參考方向時，通過計算，如果說明該元件在吸收功率；如果說明該元件在發出功率；當元件的參考方向非關聯時，通過計算，如果說明該元件在吸收功率；如果說明該元件在發出功率。例如在給手機充電時，手機電池是負載，在吸收功率；在正常使用時，電池為手機正常使用提供能量，此時電池為電源，發出功率。任務1.1直流電路基礎知識圖1-16例1-3圖解：哈密南傳輸線終端的電壓、電流為非關聯參考方向，故說明電路中哈密南終端在向鄭州市線路終端發出功率，發出功率的大小為【例1-3】2013年9月20日，哈密南～鄭州±800kV,直流（DC）輸電線路全線架通，2014年1月18日，該工程全線運營。該線路的運行電壓為，電流，如圖1-16所示，計算哈密南傳輸線終端的功率，并說明功率為發出功率還是吸收功率。任務1.1直流電路基礎知識任務1.1直流電路基礎知識（四）電路的三種工作狀態2.開路狀態將圖1-17中開關S打開，電源與負載斷開，此時電路稱為開路（斷路）狀態。圖1-17電源開路圖電源開路時的特征可以表示如下：任務1.1直流電路基礎知識（四）電路的三種工作狀態3.短路狀態在圖1-18中所示的電路中，如果電源兩端由于某種原因連在一起，此時電路稱為短路狀態。電源短路時的特征可以表示如下：圖1-18電源短路圖短路是系統常見的嚴重故障，系統發生短路的原因很多，主要有：電氣設備、元件的損壞。自然原因。如：由于大風、低溫導線覆冰引起架空線倒桿斷線等。人為事故。如：工作人員違反操作規程帶負荷拉閘，造成相間弧光短路；人為疏忽接錯線造成短路或運行管理不善造成小動物進入帶電設備內形成短路事故等。任務1.1直流電路基礎知識（五）基爾霍夫定律基爾霍夫定律有兩條：一是電流定律，反映電路中任一節點上各支路電流之間的相互關系；二是電壓定律，反映任一回路中各段電壓之間的相互關系。先介紹一下電路中常用的幾個名詞

支路：電路中由一個元件或若干個元件串聯，流過同一電流的無分支部分叫支路，圖1-20中有aefb、ab和acdb三條支路。節點：三條或三條以上支路連接點。圖1-20中a和b兩個點。

回路：由支路構成的閉合路徑叫回路。在圖1-20中，有abfea、acdba和eacdbfe三個回路。網孔：將電路畫在平面上，內部不含有支路的回路稱為網孔，它是一種特殊的回路。如圖1-20中，abfea和acdba為網孔。圖1-20示例電路圖任務1.1直流電路基礎知識圖1-20示例電路圖1.基爾霍夫電流定律（KCL）流入任意一個節點的電流之和必定等于流出該節點的電流之和，或者說任一時刻任一節點的電流代數和為零。這就是基爾霍夫電流定律，簡寫為KCL，表示為：規定流入節點的電流取“＋”號，流出節點的電流取“－”號（若反之也可）基爾霍夫電流定律還可以推廣應用到任意假想封閉曲面，或稱廣義節點，對于任意封閉面上電流代數和為零。任務1.1直流電路基礎知識2.基爾霍夫電壓定律（KVL）對于電路中的任一閉合路徑而言，在任何一個時間，沿任一回路繞行方向（順時針方向或逆時針方向都可以），回路中各段電壓的代數和恒等于零，表示為：先要任意規定回路繞行的方向，凡支路電壓的參考方向與回路繞行方向一致，此電壓前面取“+”號，支路電壓的參考方向與回路繞行方向相反者則電壓前面取“-”號。列寫方程時，不論是應用基爾霍夫定律還是歐姆定律，首先都要在電路圖上標注電流和電壓的參考方向，因為所列寫方程中各項前的正負號是由它們的參考方向決定的，如果參考方向選的相反，則會相差一個負號。圖1-20示例電路圖圖1-20示例電路圖任務1.1直流電路基礎知識聯立方程得：根據歐姆定律可得：任務1.1直流電路基礎知識任務1.1直流電路基礎知識四、知識拓展1.直流與交流直流電簡稱DC，包括恒壓和恒流兩種形式，恒壓是指電壓的大小和方向不隨時間發生變化；恒流是指電流的大小和方向不隨時間發生變化。交流電簡稱AC，指大小和方向隨時間發生變化的電壓或電流。2.安全用電（1）安全用電的意義（2）電流對人體的傷害五、技能訓練常用電工工具的使用1.低壓驗電器圖1-24鋼筆式低壓驗電器圖1-25螺絲刀式低壓驗電器任務1.1直流電路基礎知識低壓驗電器又稱試電筆或電筆，是檢驗低壓導體和電氣設備是否帶電的一種常用工具，其檢驗范圍為60～500V2.鋼絲鉗圖1-27鋼絲鉗的結構和用途任務1.1直流電路基礎知識鋼絲鉗又名克絲鉗，是一種夾鉗和剪切工具，常用來剪切、鉗夾或彎絞導線、拉剝電線絕緣層和緊固及擰松螺釘等。3.尖嘴鉗圖1-28尖嘴鉗圖1-29剝線鉗4.剝線鉗任務1.1直流電路基礎知識剝線鉗用于剝削直徑3mm(截面積6mm2)以下塑料或橡膠絕緣導線的絕緣層，其鉗口有0.5～3mm多個直徑切口，以適應不同規格的線芯剝削尖嘴鉗的頭部尖細，適用于在狹小的空間操作。5.螺釘旋具圖1-30螺絲刀（a）大螺絲釘螺絲刀的用法（b）小螺絲釘螺絲刀的用法圖1-31螺絲刀的使用任務1.1直流電路基礎知識螺釘旋具俗稱螺絲刀，又稱改錐，用來緊固和拆卸各種帶槽螺釘。任務1.2直流電路分析與計算一、任務引入任務1.2直流電路分析與計算圖1-32大廳供電電路圖現用三盞吸頂燈給大廳供電，每盞燈的額定功率和額定電壓均是220V和100W，但不能確定吸頂燈如何與電源相連，如圖1-32所示，是使用左邊的連接方式合適還是右邊的合適？二者有何區別？二、教學目標知識目標：掌握電阻的串并聯等效；掌握電源的串并聯等效；掌握支路電流法分析電路的方法；理解疊加原理分析電路的方法。能力目標：能夠根據電阻的串并聯知識簡化電路；能夠進行電源的串并聯化簡；能夠應用支路電流法分析電路；能夠應用疊加原理分析電路。素質目標:培養嚴謹的邏輯推理和思維能力；培養對實際問題進行抽象和分析的能力。任務1.2直流電路分析與計算三、相關知識（一）電阻串并聯的等效變換1.電阻的串聯任務1.2直流電路分析與計算圖1-33電阻的串聯及其等效電阻串聯電阻上電壓的分配與電阻大小成正比。講解課本例1-7任務1.2直流電路分析與計算2.電阻的并聯圖1-35電阻的并聯及其等效電阻并聯的每個電阻的電流與總電流的比等于總電阻與該電阻的比，即并聯分流。通常，將電阻的倒數稱為電導，表示對電流的導通能力，用字母G來表示，即：并聯的負載越多（負載增加），則總電阻愈小，電路中總電流和總功率越大，但是每個負載的電流和功率卻沒有變動。3.電阻的混聯電阻的串聯和并聯相結合的連接方式,稱為電阻的混聯。判別電路的串并聯關系及電路分析，一般應掌握以下四點：①判斷電阻的串并聯關系時，首先看電路的結構特點，若兩電阻是首尾相聯就是串聯，是首首尾尾相聯就是并聯；其次看電壓電流關系，若流經兩電阻的電流是同一個電流，那就是串聯；若兩電阻上承受的是同一個電壓，那就是并聯。②對復雜電路作變形等效。如左邊的支路可以扭到右邊，上面的支路可以翻到下面，彎曲的支路可以拉直等；對電路中的短路線可以任意壓縮與伸長；對多點接地可以用短路線相連。一般如果真正是電阻串并聯電路的問題，都可以判別出來。講解課本例1-8③利用等電位關系分析電路。若能判斷某兩點是等電位點，則根據電路等效的概念，一是可以用短接線把等電位點連起來，二是把連接等電位點的支路斷開（因支路中無電流），從而得到電阻的串并聯關系?！纠?-9】求圖1-37（a)所示電路中a,b兩點的等效電阻。圖1-37例1-10電路圖（二）理想電源的串、并聯1.理想電壓源的串聯和并聯

1）理想電壓源的串聯圖1-38為多個電壓源的串聯，根據KVL得總電壓為：注意：式中各個電壓源電壓的參考方向與等效后的電壓源電壓的參考方向一致時，電壓在式中取“＋”號，不一致時取“－”號。2）獨立電壓源的并聯

圖1-39為兩個電壓源的并聯，根據KVL得：上式說明只有電壓相等且極性一致的電壓源才能并聯。注意：(1)不同值或不同極性的電壓源是不允許串聯的，否則違反KVL。(2)電壓源并聯時，每個電壓源中的電流是不確定的。1）理想電流源的并聯

n個電流源的并聯，根據KCL得總電流為：注意：當式中的各個分量電流源的電流參考方向與等效后的電流參考方向一致時，電流在式中取“＋”號，不一致時取“－”號。2.理想電流源的串聯和并聯2）理想電流源的串聯

兩個電流源的串聯，根據KCL得：注意：(1)不同值或不同流向的電流源是不允許串聯的，否則違反KCL。

(2)電流源串聯時，每個電流源上的電壓是不確定的。（三）支路電流法

電路分析的主要任務是在給定的電源和電路參數的條件下，求解電路中各支路的電流、電壓及功率，對于簡單電路一般能用電阻的串并聯等效簡化為無分支電路，利用歐姆定律，求出總電壓電流，再應用分流分壓的關系可求電路各部分的電流和電壓，但對于復雜的電路，卻不能用電阻的串并聯方法簡化為無分支電路。本節介紹最基本的復雜電路分析方法—支路電流法。

（1）分析該電路支路數為b=3個，因此以三個支路電流I1，I2，I為未知數，假定各支路電流的參考方向，并標在圖上，這樣要列出三個獨立方程，才可求解。圖1-48示例的電路支路流法，就是以電路中的各支路電流為未知數，應用基爾霍夫定律列出聯立方程，然后求解各支路電流。列方程時，必須先在電路圖上選定好未知支路的電流參考方向、電壓的參考方向以及回路的繞行方向。（2）該電路節點數n=2，根據KCL節點電流方程觀察兩方程，可見它們不是相互獨立的，因此對有兩個節點的電路，根據基爾霍夫電流定律，只能列出一個獨立方程。即對于n個節點的電路，只能列n-1個節點電流方程。圖1-48示例的電路

（3）根據基爾霍夫電壓定律列回路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的電壓方程，假定回路繞行方向為順時針：圖1-48示例的電路

以上三個回路電壓方程中前兩式相加即得三式，所以只有兩個方程是獨立的。所以每個網孔都是一個獨立方程，可以列出一個獨立的KVL方程。對m個網孔的電路，可以列m個網孔電壓方程。

（4）根據三個聯立方程式，求解三個支路電流的未知數。（5）最后可以用功率平衡來校驗計算結果。講解課本例1-10（四）疊加定理

在具有多個電源的線性電路中任一支路的電流或電壓可看成為各個電源單獨作用時，在該支路中所產生的電流或電壓的代數和，線性電路的這一特性稱為疊加原理。

各個電源單獨作用時，其余各種電源不作用，做零處理，即其余理想電壓源處用短路代替（即其電動勢為零），理想電流源處用開路代替（即其電流為零）。疊加定理的應用方法可以通過下面的例子來說明。（a）(b)(c)圖1-44疊加定理電路圖求圖1-44(a)的R2電壓U和電流I。

電壓源US

單獨作用下的情況如圖1-44(b)所示，此時，電流源開路，US單獨作用時R2的電壓U和電流I各為：

電流源IS單獨作用時的情況如圖2-33（C）所示，此情況下電壓源短路，在

單獨作用下：

所有獨立源單獨作用下的響應的代數和得：

應用疊加定理分析電路的步驟如下：

、分別作出由一個電源單獨作用的分圖，其余電源只保留其內阻。（對恒壓源，該處用短路替代，對恒流源，該處用開路替代）。

、按電阻串、并聯的計算方法，分別計算出分圖中每一支路電流（或電壓）的大小和方向。

、求出各電動勢在各個支路中產生的電流（或電壓）的代數和，這些電流（或電壓）就是各電源共同作用時，在各支路中產生的電流（或電壓）。疊加原理使用時注意事