第1章：電路的基本概念與基本定律

1、課程名稱電工學(xué)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(gè)月就翻一倍。 1947年：年：12月月23號(hào)，號(hào)，貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)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(dǎo)創(chuàng)造出了世界上第一只半導(dǎo)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(xué)獎(jiǎng)。理學(xué)獎(jiǎng)。 加州大學(xué)伯克利分校加州大學(xué)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(chǎng)效應(yīng)管設(shè)并用于現(xiàn)在的場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)計(jì)。計(jì)。 2015年年14nm工藝。工藝。放放大大器器揚(yáng)聲器揚(yáng)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(shè)備電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)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(jī)發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)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(fù)載負(fù)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(jī)發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)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(fù)載負(fù)載信號(hào)源信號(hào)源: 提供信息提供信息放放大大器器揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器話筒話筒 電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。信號(hào)處理：信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等放大、調(diào)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(xué)方法分析電路為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路, 一般要將實(shí)際電一般要將實(shí)際電路模型化，用足以路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或理想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際

4、電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電其組合來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。路相對(duì)應(yīng)的電路模型。 手電筒由電池、燈手電筒由電池、燈泡、開關(guān)和筒體組成。泡、開關(guān)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(guān)開關(guān)EI燈泡燈泡+U干電池干電池 導(dǎo)線導(dǎo)線 電池電池是電源元件，其是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì)參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻和內(nèi)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(zhì)，是電阻元件，的性質(zhì)，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(lái)連接電池和燈用來(lái)連接電池

5、和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。 開關(guān)開關(guān)用來(lái)控制電路的通用來(lái)控制電路的通斷。斷。+R0R開關(guān)開關(guān)EI燈泡燈泡+U干電池干電池 導(dǎo)線導(dǎo)線物理量物理量實(shí)實(shí) 際際 方方 向向電流電流 I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)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(biāo)雙下標(biāo)電壓：電壓：I 在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)

6、電量任意假定的方向。電量任意假定的方向。Iab 雙下標(biāo)雙下標(biāo)箭箭 標(biāo)標(biāo)abRI正負(fù)極性正負(fù)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(fù)之分。值才有正負(fù)之分。 實(shí)際方向與參考方向?qū)嶋H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(shí)際方向與參考方向?qū)嶋H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(fù)值負(fù)值。I = 0.28A I = 0.28A 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)為為E =3V方向由負(fù)極方向由負(fù)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(shí)際方向相同，與實(shí)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(shí)際的參考方向與實(shí)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(shí)際的參考方向與實(shí)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(shí)參考方向相同時(shí)RU+IRU+I 表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：(1) 式前的正負(fù)號(hào)由式前的正負(fù)號(hào)由U、I 參考方向的關(guān)系確定；參考方向的關(guān)系確定； (2) U、I 值本身的正負(fù)則說明實(shí)際方向與參考方向值本身的正負(fù)則說明實(shí)際方向與參考方

8、向 之間的關(guān)系。之間的關(guān)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(duì)圖對(duì)圖(a)有有, U = IR 例例: 應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。對(duì)圖對(duì)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(shí)際方向相反與實(shí)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(guān)閉合開關(guān)閉合, 接通電源與負(fù)載接通電源與負(fù)載RREI 0負(fù)載端電壓負(fù)載端電壓U

9、 = IR 1. 電壓電流關(guān)系電壓電流關(guān)系(1) 電流的大小由負(fù)載決定。電流的大小由負(fù)載決定。 (2) 在電源有內(nèi)阻時(shí)，在電源有內(nèi)阻時(shí)，I U 。或或 U = E IR0電源的外特性電源的外特性EUI0R0ER+I 開關(guān)閉合開關(guān)閉合,接通接通電源與負(fù)載。電源與負(fù)載。RREI 0U = IR或或 U = E IRoUI = EI I2RoP = PE P負(fù)載負(fù)載取用取用功率功率電源電源產(chǎn)生產(chǎn)生功率功率內(nèi)阻內(nèi)阻消耗消耗功率功率(3) 電源輸出的功率由負(fù)載決定。電源輸出的功率由負(fù)載決定。負(fù)載大小的概念負(fù)載大小的概念: 負(fù)載增加指負(fù)載取用的負(fù)載增加指負(fù)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(guān)系電壓電流關(guān)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(fù)載負(fù)載。U、I 參考方向相同，參考方向相同，P = UI 0，負(fù)載負(fù)載； P = UI 0，電源電源。 電源：電源： U、I 實(shí)際方向相反，即電流從實(shí)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(fù)載：負(fù)載： U、I 實(shí)際方向相同，即電流從實(shí)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(nèi)阻，內(nèi)阻R01= R02=

11、 0.6 。求求: (1) 電源的電動(dòng)勢(shì)電源的電動(dòng)勢(shì)E1和負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)和負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)E2 ； (2) 說明功率的平衡關(guān)系。說明功率的平衡關(guān)系。R01E1UI+R02E2+解：解：(1) 對(duì)于電源對(duì)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(hào)兩邊同時(shí)乘以等號(hào)兩邊同時(shí)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(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值 1. 額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性；額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性； 2. 額定值表示電氣設(shè)備的使用能力。額定值表示電氣設(shè)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(shí)的電阻。如果每晚工作時(shí)的電阻。如果每晚工作3h(小時(shí)小時(shí))，問一個(gè)月消耗，問一個(gè)月消耗多少電能多少電能? 注意

13、：注意：電氣設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際值不一定都等于其電氣設(shè)備工作時(shí)的實(shí)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(shí)的電阻電壓下工作時(shí)的電阻 0680.273220IUR一個(gè)月用電一個(gè)月用電W = Pt = 60W (3 30) h = 0.06kW 90h = 5.4kW. h特征特征: 開關(guān)開關(guān) 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(fù)載功率負(fù)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(shí)的特征電路中某處斷開時(shí)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(shè)設(shè) IS = 10 A，接上，接上RL 后，恒流源對(duì)外輸出電流。后，恒流源對(duì)外輸出電流。RL IUISOIISU+_0SREI 注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：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(gè)電阻所消耗的功率分別是：各個(gè)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(jì)算可知，本例中理想電壓源與理想電流源由計(jì)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(guó)物理學(xué)家。他提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓、電阻關(guān)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(shè)計(jì)中電路方面的難題。主要成就主要成就 :(1) 電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)1845年，年，21歲時(shí)他發(fā)表了第一篇論文，提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓、歲時(shí)他發(fā)表了第一篇論文，提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓、電阻關(guān)系的兩條電路定律，電阻關(guān)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(shè)計(jì)中電路方面的難題。后來(lái)又研究了電路中電），解決了電器設(shè)計(jì)中電路方面的難題。后來(lái)又研究了電路中電的流動(dòng)和分布，從而闡明了電路中兩點(diǎn)間的電勢(shì)差和靜電學(xué)的電勢(shì)這兩個(gè)物理的流動(dòng)和分布，從而闡明了電路中兩點(diǎn)間的電勢(shì)差和靜電學(xué)的電勢(shì)這兩

19、個(gè)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(fù)雜電路問題的重要工具?；鶢柣舴螂娐范扇耘f是解決復(fù)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(duì)黑體概念是開辟他的熱輻射定律和絕對(duì)黑體概念是開辟20世紀(jì)物理學(xué)新紀(jì)元的關(guān)鍵之一。世紀(jì)物理學(xué)新紀(jì)元的關(guān)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(xué)化學(xué) 在海德堡大學(xué)期間制成光譜儀，與化學(xué)家在海德堡大學(xué)期間制成光譜

20、儀，與化學(xué)家本生本生合作創(chuàng)立了合作創(chuàng)立了光譜化學(xué)分析法光譜化學(xué)分析法（把各種元素放在本生燈上燒灼，發(fā)出波長(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)家利用光譜化學(xué)?？茖W(xué)家利用光譜化學(xué)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(gè)分支。電路中的每一個(gè)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(diǎn)。三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。由支路組成

21、的閉合路徑。由支路組成的閉合路徑。內(nèi)部不含支路的回路。內(nèi)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(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。點(diǎn)的電流。 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì): 或或: = 0對(duì)結(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)點(diǎn) 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(jié)點(diǎn)廣義結(jié)點(diǎn)即：即： U = 0 在任一

22、瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。對(duì)回路對(duì)回路1：對(duì)回路對(duì)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(biāo)注標(biāo)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(yīng)用應(yīng)用 U = 0項(xiàng)前符

23、號(hào)的確定：項(xiàng)前符號(hào)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(duì)回路對(duì)回路1：E1UBEE+B+R1+E2R2I2_對(duì)網(wǎng)孔對(duì)網(wǎng)孔abda：對(duì)網(wǎng)孔對(duì)網(wǎng)孔acba：對(duì)網(wǎng)孔對(duì)網(wǎng)孔bcdb：R6I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0I4 R4 + I3 R3 E = 0對(duì)回路對(duì)回路 adbca，沿逆時(shí)針方向循行，沿逆時(shí)針方向循行： I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0應(yīng)用應(yīng)用 U = 0列方程列方程對(duì)回路對(duì)回路 cadc，沿逆時(shí)針方向循行，沿逆時(shí)針方向循行： I2 R2 I1 R1 + E = 0

24、adbcE+R3R4R1R2I2I4I6I1I3IadbcE+GR3R4R2I2I4IGI1I3IR1baI2I342V+I112 6 7A3 cd12 當(dāng)不需求當(dāng)不需求a、c和和b、d間的電流時(shí)，間的電流時(shí)，(a、c)( b、d)可分別看成一個(gè)結(jié)點(diǎn)?？煞謩e看成一個(gè)結(jié)點(diǎn)。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(duì)結(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)點(diǎn) a： I1 + I2 I3 = 7對(duì)回路對(duì)回路1：12I1 6I2 = 42對(duì)回路對(duì)回路2：6I2 + UX

25、 = 0123+UX對(duì)回路對(duì)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