第1章：電路的基本概念與基本定律

1、課程名稱電工學教 研 室電子信息中心更新日期2015/09/14Moores law： 集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一倍。 1947年：年：12月月23號，號，貝爾實驗室貝爾實驗室的的肖克利肖克利(William B. Shockley)，布拉，布拉頓頓(John Bardeen)，巴丁，巴丁(Walter H. Brattain)創(chuàng)造出了世界上第一只半導創(chuàng)造出了世界上第一只半導體放大器件，他們將這種器件重新命名體放大器件，他們將這種器件重新命名為為“晶體管晶體管”。1956年度的諾貝爾物年度的諾貝爾物理學獎。理學獎。 加州大學伯克利分校加州大學伯克利分校的的胡正明胡正明

2、教授教授提出提出Fit FET, 并用于現(xiàn)在的場效應管設并用于現(xiàn)在的場效應管設計。計。 2015年年14nm工藝。工藝。放放大大器器揚聲器揚聲器話筒話筒 電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設備電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設備或電路元件按一定方式組合而成?；螂娐吩匆欢ǚ绞浇M合而成。 發(fā)電機發(fā)電機升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電燈電燈電動機電動機電爐電爐.輸電線輸電線電源電源: 提供提供電能的裝置電能的裝置負載負載: 取用取用電能的裝置電能的裝置中間環(huán)節(jié)：中間環(huán)節(jié)：傳遞、分傳遞、分配和控制電能的作用配和控制電能的作用發(fā)電機發(fā)電機升壓升壓變壓器變壓器降壓降壓變壓器變壓器電

3、燈電燈電動機電動機電爐電爐.輸電線輸電線直流電源直流電源: 提供能源提供能源負載負載信號源信號源: 提供信息提供信息放放大大器器揚聲器揚聲器話筒話筒 電源或信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路電源或信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路工作；由激勵所產生的電壓和電流稱為響應。工作；由激勵所產生的電壓和電流稱為響應。信號處理：信號處理：放大、調諧、檢波等放大、調諧、檢波等手電筒的電路模型手電筒的電路模型 為了便于用數(shù)學方法分析電路為了便于用數(shù)學方法分析電路, 一般要將實際電一般要將實際電路模型化，用足以路模型化，用足以反映其電磁性質的反映其電磁性質的理想電路元件或理想電路元件或其組合來模擬實際

4、電路中的器件，從而構成與實際電其組合來模擬實際電路中的器件，從而構成與實際電路相對應的電路模型。路相對應的電路模型。 手電筒由電池、燈手電筒由電池、燈泡、開關和筒體組成。泡、開關和筒體組成。 理想電路元件主要理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。電容元件和電源元件等。+R0R開關開關EI燈泡燈泡+U干電池干電池 導線導線 電池電池是電源元件，其是電源元件，其參數(shù)為電動勢參數(shù)為電動勢 E 和內阻和內阻Ro； 燈泡燈泡主要具有消耗電能主要具有消耗電能的性質，是電阻元件，的性質，是電阻元件，其參數(shù)為電阻其參數(shù)為電阻R； 筒體筒體用來連接電池和燈用來連接電池

5、和燈泡，其電阻忽略不計，認泡，其電阻忽略不計，認為是無電阻的理想導體。為是無電阻的理想導體。 開關開關用來控制電路的通用來控制電路的通斷。斷。+R0R開關開關EI燈泡燈泡+U干電池干電池 導線導線物理量物理量實實 際際 方方 向向電流電流 I正電荷運動的方向正電荷運動的方向電動勢電動勢E ( (電位升高的方向電位升高的方向) ) 電壓電壓 U( (電位降低的方向電位降低的方向) )高電位高電位 低電位低電位 單單 位位kA 、A、mA、A低電位低電位 高電位高電位kV 、V、mV、VkV 、V、mV、V電流：電流：Uab 雙下標雙下標電壓：電壓：I 在分析與計算電路時，對在分析與計算電路時，對

6、電量任意假定的方向。電量任意假定的方向。Iab 雙下標雙下標箭箭 標標abRI正負極性正負極性+abU U+_+R0E3V注意：注意： 在參考方向選定后在參考方向選定后,電流電流(或電壓或電壓)值才有正負之分。值才有正負之分。 實際方向與參考方向實際方向與參考方向一致一致，電流，電流(或電壓或電壓)值為值為正值正值；實際方向與參考方向實際方向與參考方向相反相反，電流，電流(或電壓或電壓)值為值為負值負值。I = 0.28A I = 0.28A 電動勢電動勢為為E =3V方向由負極方向由負極指向正極指向正極 ；U+R0E3VU +例例: 電路如圖所示。電路如圖所示。 電流電流I的參考方向的參考方

7、向與實際方向相同，與實際方向相同，I=0.28A,由由 流向流向,反之亦然。反之亦然。 電壓電壓U 的參考方向與實際的參考方向與實際方向相反方向相反, U = 2.8V;即即: U = U 電壓電壓U的參考方向與實際的參考方向與實際方向相同方向相同, U = 2.8V, 方向由方向由 指向指向；2.8V 2.8V歐姆定律歐姆定律U、I 參考方向相同時參考方向相同時RU+IRU+I 表達式中有兩套正負號：表達式中有兩套正負號：(1) 式前的正負號由式前的正負號由U、I 參考方向的關系確定；參考方向的關系確定； (2) U、I 值本身的正負則說明實際方向與參考方向值本身的正負則說明實際方向與參考方

8、向 之間的關系。之間的關系。 通常取通常取 U、I 參考方向相同。參考方向相同。U = I R 解解: 對圖對圖(a)有有, U = IR 例例: 應用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻應用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。對圖對圖(b)有有, U = IR326 : IUR所以所以326: IUR所以所以RU6V+2AR+U6V I(a)(b)I2A電流的參考方向電流的參考方向與實際方向相反與實際方向相反電壓與電流參電壓與電流參考方向相反考方向相反1.2 電源有載工作、開路與短路電源有載工作、開路與短路開關閉合開關閉合, 接通電源與負載接通電源與負載RREI 0負載端電壓負載端電壓U

9、 = IR 1. 電壓電流關系電壓電流關系(1) 電流的大小由負載決定。電流的大小由負載決定。 (2) 在電源有內阻時，在電源有內阻時，I U ?；蚧?U = E IR0電源的外特性電源的外特性EUI0R0ER+I 開關閉合開關閉合,接通接通電源與負載。電源與負載。RREI 0U = IR或或 U = E IRoUI = EI I2RoP = PE P負載負載取用取用功率功率電源電源產生產生功率功率內阻內阻消耗消耗功率功率(3) 電源輸出的功率由負載決定。電源輸出的功率由負載決定。負載大小的概念負載大小的概念: 負載增加指負載取用的負載增加指負載取用的電流和功率增加電流和功率增加(電壓一定電壓

10、一定)。R0ER+I 1. 電壓電流關系電壓電流關系 2. 功率與功率平衡功率與功率平衡 U、I 參考方向不同，參考方向不同，P = UI 0，電源電源； P = UI 0，負載負載。U、I 參考方向相同，參考方向相同，P = UI 0，負載負載； P = UI 0，電源電源。 電源：電源： U、I 實際方向相反，即電流從實際方向相反，即電流從“+”+”端流出，端流出， （發(fā)出功率）（發(fā)出功率） 負載：負載： U、I 實際方向相同，即電流從實際方向相同，即電流從“- -”端流出。端流出。 （吸收功率）（吸收功率）例例: 已知已知:電路中電路中U=220V，I=5A，內阻，內阻R01= R02=

11、 0.6 。求求: (1) 電源的電動勢電源的電動勢E1和負載的反電動勢和負載的反電動勢E2 ； (2) 說明功率的平衡關系。說明功率的平衡關系。R01E1UI+R02E2+解：解：(1) 對于電源對于電源 U= E1- U1= E1-IR01 即即 E1= U +IR01 = 220+5 0.6=223V U= E2+ U2= E2+IR02 即即 E2= U -IR01 = 220-5 0.6 = 217V(2)由上面可得，由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02 等號兩邊同時乘以等號兩邊同時乘以 I，則得，則得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02代入數(shù)據(jù)有代入數(shù)據(jù)有 22

12、3 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。 額定值額定值: 電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值 1. 額定值反映電氣設備的使用安全性；額定值反映電氣設備的使用安全性； 2. 額定值表示電氣設備的使用能力。額定值表示電氣設備的使用能力。 例：例：一只一只220V, 60W的白熾燈的白熾燈, 接在接在220V的電源的電源上，試求通過電燈的電流和電燈在上，試求通過電燈的電流和電燈在220V電壓下工作電壓下工作時的電阻。如果每晚工作時的電阻。如果每晚工作3h(小時小時)，問一個月消耗，問一個月消耗多少電能多少電能? 注意

13、：注意：電氣設備工作時的實際值不一定都等于其電氣設備工作時的實際值不一定都等于其額定值，要能夠加以區(qū)別。額定值，要能夠加以區(qū)別。A0.273A22060 UPI解解: 通過電燈的電流為通過電燈的電流為： I IN ，P IN ，P PN 額定工作狀態(tài)：額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN 在在220V電壓下工作時的電阻電壓下工作時的電阻 0680.273220IUR一個月用電一個月用電W = Pt = 60W (3 30) h = 0.06kW 90h = 5.4kW. h特征特征: 開關開關 斷開斷開I = 0電源端電壓電源端電壓 ( 開路電壓開路電壓 )負載功率負載功率U = U0

14、 = EP = 01. 開路處的電流等于零；開路處的電流等于零； I = 02. 開路處的電壓開路處的電壓 U 視電路情況而定。視電路情況而定。電路中某處斷開時的特征電路中某處斷開時的特征: :I+U有有源源電電路路IRoR EU0 電源外部端子被短接電源外部端子被短接 特征特征:0SREII U = 0 PE = P = IR0P = 01. .短路處的電壓等于零；短路處的電壓等于零； U = 02. .短路處的電流短路處的電流 I 視電路情況而定。視電路情況而定。I+U有有源源電電路路IRRo EURRRU2111 URRRU2122 IRRRI2121 IRRRI2112 21111 R

15、RR 0SREI 電壓源電壓源0SRUII 電流源電流源設設 IS = 10 A，接上，接上RL 后，恒流源對外輸出電流。后，恒流源對外輸出電流。RL IUISOIISU+_0SREI 注意事項：注意事項：解解:+abU2 5V(a)+ +abU5V(c)+ (c)a+-2V5VU+-b2 + (b)aU 5A2 3 b+ (a)a+5V3 2 U+ a5AbU3 (b)+ A1A22228 I例例3： 解：解：2 +-+-6V4VI2A 3 4 6 1 2A3 6 2AI4 2 1 1AI4 2 1 1A2 4AA2A3122 II4 2 1 1A2 4A1 I4 2 1A2 8V+-I4

16、1 1A4 2AI2 1 3AA10A110111 RUIA6A22102S1 IIIaIRISbI1R1(c)IR1IR1RISR3+_IU1+_UISUR2+_U1ab(a)aIR1RIS+_U1b(b)(2)由圖由圖(a)可得：可得：A4A6A2S1IIIRA2A510313 RUIR理想電壓源中的電流理想電壓源中的電流A6A)4(A2131 RRUIII理想電流源兩端的電壓理想電流源兩端的電壓V10V22V61S2S2S IRRIIRUUIaIRISbI1R1(c)aIR1RIS+_U1b(b)各個電阻所消耗的功率分別是：各個電阻所消耗的功率分別是：W36=61=22RIPRW16=4

17、1=22111）（RRIRPW8=22=22S22IRPRW20=25=22333RRIRP兩者平衡：兩者平衡：(60+20)W=(36+16+8+20)W80W=80W(3)由計算可知，本例中理想電壓源與理想電流源由計算可知，本例中理想電壓源與理想電流源 都是電源，發(fā)出的功率分別是：都是電源，發(fā)出的功率分別是：W60=610=111UUIUPW20=210=SSSIUPII 基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，18241887），德國物理學家。他提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡中電流、電壓、電阻關系的兩條電路定律，即著名的基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL），解決了

18、電器設計中電路方面的難題。主要成就主要成就 :(1) 電路設計電路設計1845年，年，21歲時他發(fā)表了第一篇論文，提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡中電流、電壓、歲時他發(fā)表了第一篇論文，提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡中電流、電壓、電阻關系的兩條電路定律，電阻關系的兩條電路定律，即著名的基爾霍夫電流定律（即著名的基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電）和基爾霍夫電壓定律（壓定律（KVL），解決了電器設計中電路方面的難題。后來又研究了電路中電），解決了電器設計中電路方面的難題。后來又研究了電路中電的流動和分布，從而闡明了電路中兩點間的電勢差和靜電學的電勢這兩個物理的流動和分布，從而闡明了電路中兩點間的電勢差和靜電學的電勢這兩

19、個物理量在量綱和單位上的一致。使基爾霍夫電路定律具有更廣泛的意義。直到現(xiàn)在，量在量綱和單位上的一致。使基爾霍夫電路定律具有更廣泛的意義。直到現(xiàn)在，基爾霍夫電路定律仍舊是解決復雜電路問題的重要工具。基爾霍夫電路定律仍舊是解決復雜電路問題的重要工具?；鶢柣舴虮环Q為基爾霍夫被稱為“電電路求解大師路求解大師”。(2) 熱輻射熱輻射 他的熱輻射定律和絕對黑體概念是開辟他的熱輻射定律和絕對黑體概念是開辟20世紀物理學新紀元的關鍵之一。世紀物理學新紀元的關鍵之一。1900年年M.普朗克的量子論就發(fā)軔于此。普朗克的量子論就發(fā)軔于此。(3) 化學化學 在海德堡大學期間制成光譜儀，與化學家在海德堡大學期間制成光譜

20、儀，與化學家本生本生合作創(chuàng)立了合作創(chuàng)立了光譜化學分析法光譜化學分析法（把各種元素放在本生燈上燒灼，發(fā)出波長一定的一些明線光譜，由此可以極（把各種元素放在本生燈上燒灼，發(fā)出波長一定的一些明線光譜，由此可以極靈敏地判斷這種元素的存在），從而發(fā)現(xiàn)了靈敏地判斷這種元素的存在），從而發(fā)現(xiàn)了元素銫和銣元素銫和銣?？茖W家利用光譜化學。科學家利用光譜化學分析法，還發(fā)現(xiàn)了分析法，還發(fā)現(xiàn)了鉈、碘鉈、碘等許多種元素。等許多種元素。支路：支路：電路中的每一個分支。電路中的每一個分支。 一條支路流過的電流，稱為支路電流。一條支路流過的電流，稱為支路電流。三條或三條以上支路的聯(lián)接點。三條或三條以上支路的聯(lián)接點。由支路組成

21、的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。內部不含支路的回路。內部不含支路的回路。I1I2I31 12 23 3ba E2R2 R3R1E1adbcE+GR3R4R2I2I4IGI1I3IR1 在任一瞬間，流向任一結點的電流等于流出該結在任一瞬間，流向任一結點的電流等于流出該結點的電流。點的電流。 實質實質: 或或: = 0對結點對結點 a： I1+I2 = I3或或 I1+I2I3= 0ba E2R2 R3R1E1I1I2I3I =?例例:I = 0IA + IB + IC = 02 +_+_I5 1 1 5 6V12VIAIBICAIBCIABACBIC廣義結點廣義結點即：即： U = 0 在任一

22、瞬間，從回路中任一點出發(fā)，沿回路循行一在任一瞬間，從回路中任一點出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個方向上電位升之和等于電位降之和。周，則在這個方向上電位升之和等于電位降之和。對回路對回路1：對回路對回路2： E1 = I1 R1 +I3 R3I2 R2+I3 R3=E2或或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0 或或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0 1 12 2I1I2I3ba E2R2 R3R1E11列方程前列方程前標注標注回路循行方向；回路循行方向； 電位升電位升 = 電位降電位降 E2 =UBE + I2R2 U = 0 I2R2 E2 + UBE = 02應用應用 U = 0項前符

23、號的確定：項前符號的確定： 3. 開口電壓可按回路處理開口電壓可按回路處理 注意：注意：1 1對回路對回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_對網(wǎng)孔對網(wǎng)孔abda：對網(wǎng)孔對網(wǎng)孔acba：對網(wǎng)孔對網(wǎng)孔bcdb：R6I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0I4 R4 + I3 R3 E = 0對回路對回路 adbca，沿逆時針方向循行，沿逆時針方向循行： I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0應用應用 U = 0列方程列方程對回路對回路 cadc，沿逆時針方向循行，沿逆時針方向循行： I2 R2 I1 R1 + E = 0

24、adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3IadbcE+GR3R4R2I2I4IGI1I3IR1baI2I342V+I112 6 7A3 cd12 當不需求當不需求a、c和和b、d間的電流時，間的電流時，(a、c)( b、d)可分別看成一個結點?？煞謩e看成一個結點。baI2I342V+I112 6 7A3 cd 支路數(shù)支路數(shù)b =4, 且且恒流源支路恒流源支路 的電的電流已知。流已知。I1= 2A， I2= 3A， I3=6A 例例3：試求各支路電流。試求各支路電流。對結點對結點 a： I1 + I2 I3 = 7對回路對回路1：12I1 6I2 = 42對回路對回路2：6I2 + UX

25、 = 0123+UX對回路對回路3：UX + 3I3 = 0baI2I342V+I112 6 7Acd3 R2(c)R3E1+R1I 1I 2I 311332213232111ERRRRRRRRR/RREI R2(c)R3E2+R1I 1I 2I 32133221331223131/ERRRRRRRRRRERRRI R2(c)R3E1+R1I 1I 2I 3213322131133221321)()(ERRRRRRRERRRRRRRRI 同理同理: 222III 333III 12112112111211 ) (RIRIRIIRIP A1A5510322 RREIV5V5122S RIUA5 . 0A5 . 0A1 222 III所以所以A5 . 01555S3232 IRRRIV5 . 2V55 . 022S RIUV5 . 72.5V5VSSS UUUA5 . 2A4420402121 RREEI 221210R