影像電子學基礎物理（電工學部分）

1、影像電子學基礎物 理（電工學部分）第一章 直流電路 第一節(jié) 電路的基本概念第一章 直流電路內(nèi)容提要： 本章介紹電路的基本概念和基本定律等。教學要求：掌握電路的作用與組成部分、電路模型、電壓和電流的參考方向、電路有載工作狀態(tài)、開路與短路、電位等基本概念和歐姆定律、基爾霍夫定律等基本定律及其正確應用。一. 電路和模型電路電路：就是電流所通過的路徑。它是由電路元件按一定方式組合而成的。電路的作用：實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換，信號的傳遞和處理。電路的組成： 包括電源、負載、和中間環(huán)節(jié)三個組成部分。 1. 電路的組成和作用第一節(jié) 電路的基本概念第二節(jié) 基爾霍夫定律第三節(jié) 電路的等效變換電路的基本定律與分析方法

2、第一章第四節(jié) 電路的基本定理第五節(jié) 電容器及其充放電電路電源：將非電能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。 例如：發(fā)電機、干電池負載：將電能轉(zhuǎn)換成非電能的裝置。 例如：電動機、電爐、電燈中間環(huán)節(jié)：連接電源和負載的部分，起傳輸和分配電能的作用。例如：輸電線路發(fā)電機 電燈電動機 電爐 升壓變壓器 降壓變壓器 輸電線 電源中間環(huán)節(jié) 負載 電子電路，即信號處理電路它的作用主要為傳遞和處理信號。放大器中間環(huán)節(jié)信號源問題討論負載電源干電池燈泡開關導線電源中間環(huán)節(jié)負載2 . 電路模型2 . 電路模型 負載 電源理想電路元件：在一定條件下，突出其主要電磁性能，忽略次要因素，將實際電路元件理想化（模型化）。 主要有電阻、電感、電

3、容元件。電路模型：由理想電路元件所組成的電路，就是實 際電路的電路模型。E+_R0R電池燈泡+_+_+_+部分元件的圖形符號二、電路的基本參量電路的基本參量電流電壓電位功率電動勢EIUR+_+_物理量的方向：實際方向參考方向?qū)嶋H方向： 物理中對電量規(guī)定的方向。參考方向：（正方向）： 在分析計算時，對電量人為任意設定的方向。I正值I負值1. 電流電流：電荷的定向移動形成了電流（電流的實際方向規(guī)定為：正電荷的運動方向）正負號u_+ab 雙下標箭 頭uab電壓+-IR電流：從高電位 指向低電位。電壓：電場力把單位正電荷從a點移動到b所做的功稱為ab兩點間的電壓 （電壓的實際方向規(guī)定為：電壓降低的方向

4、）ab2.電壓和電位電路的基本參量Uab（高電位在前， 低電位在后）電路的基本參量電位：即電場中某點的電勢。數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從某點移動到無限遠處所做的功。電路中兩點的電壓就是該兩點間的電勢差。ab在電路中任選一結點，設其電位為零0（用此點稱為參考點。其它各結點對參考點的電壓，便是該結點的電位。標記），Va = 5V a 點電位：ab15Aab15AVb = -5V b 點電位：參考點不同，各點電位即不同，但任意兩點電位差（即電壓值）不變。 UabVaVb500(5)5V例在電路中任選一結點，設其電位為零0（用此點稱為參考點。其它各結點對參考點的電壓，便是該結點的電位。標記），Uab

5、=610=60VUca=204=80VUda=56=30VUcb=140VUdb=90V以a點為參考點Vb-Va=Uba Vb=Uba=-60VVc-Va=Uca Vc=Uca=+80VVd-Va=Uda Vd=Uda=+30V例以b點為參考點 Va=Uab=+60V Vc=Ucb=+140V Vd=Udb=+90VE1=140V+_E2=90V+_20564A6A10Acbda （1）電路中某一點的電位等于該點與參考點（電位為零）之間的電壓； （2）參考點選的不同，電路中各點的電位值隨著改變，但是任意兩點間的電壓值是不變的。所以各點電位的高低是相對的，而兩點間的電壓是絕對的。小結電位在電路中

6、的表示法：E1+_E2+_R1R2R3R1R2R3+E1-E2R1R2R3E1E2電位在電路中的表示法：R1R2+15V-15V 參考電位在哪里？R1R215V+-15V+-電路分析中的參考方向（正方向）問題的提出：在復雜電路中難于判斷元件中物理量 的實際方向，電路如何求解？電流方向AB？電流方向BA？E1ABRE2IR+_+_(1) 在解題前先設定一個方向，作為參考方向；解決方法(3) 根據(jù)計算結果確定實際方向： 若計算結果為正，則實際方向與假設方向一致； 若計算結果為負，則實際方向與假設方向相反。(2) 根據(jù)電路的定律、定理，列出物理量間相互關 系的代數(shù)表達式；例已知：E=2V, R=1問

7、： 當U分別為 3V 和 1V 時，IR=?解：(1) 假定電路中物理量的正方向如圖所示；(2) 列電路方程：IRURU+_+_E Rab+_(3) 數(shù)值計算（實際方向與假設方向一致）（實際方向與假設方向相反）E IRRURabU+_+_+_(4) 為了避免列方程時出錯，習慣上把 I 與 U 的方向 按相同方向假設。(1) 方程式U/I=R 僅適用于正方向一致的情況。(2) “實際方向”是物理中規(guī)定的，而“參考方向”則 是人們在進行電路分析計算時,任意假設的。 (3) 在以后的解題過程中，注意一定要先假定“一個方向” (即在圖中表明物理量的參考方向)，然后再列方程 計算。缺少“參考方向”的物理

8、量是無意義的. 提示（1）電功電功 電場力推動自由電荷發(fā)生定向移動所做的功。在純電阻電路中，電功的公式也可可寫成電流做功的過程實際上就是電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能的過程。電能作了多少功，就有多少其它形式的能轉(zhuǎn)換成其它形式的能。3.電功率（2）電功率電功 率 電流所做的功跟完成這些功所用的時間的比值。電功率的單位是瓦特，代號W。在純電阻電路中，電功的公式也可寫成3.電功率電動勢：從電源內(nèi)部由低電位指向高電位。EIUR+_+_4.電動勢物理量實際方向的表示方法正負號u_+abUab（高電位在前， 低電位在后） 雙下標箭 頭uab電壓+-IR電流：從高電位 指向低電位。IRUabE+ _ab+_電池燈泡

9、+_電動勢：從電源內(nèi)部由低電位指向高電位。物理量的實際方向3.支路、節(jié)點和回路節(jié)點：三個或三個以上支路的連接點支路：沒有分支的部分電路回路：電路中任一個閉合路徑網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路名詞注釋：節(jié)點：2個 a c支路：3個 abc adc ac回路：3個 abcda acda abca網(wǎng)孔：2 個 acda abca不含支路的回路 用來描述電路中各部分電壓或各部分電流間的關系,其中包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。 第二節(jié) 基爾霍夫定律一、電路的概念節(jié)點：三個或三個以上支路的連接點支路：沒有分支的部分電路回路：電路中任一個閉合路徑網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路名詞注釋：節(jié)點：2個 a c支路：

10、3個 abc adc ac回路：3個 abcda acda abca網(wǎng)孔：2 個 acda abca不含支路的回路 例例 對任何節(jié)點，在任一瞬間，流入結點的電流等于流出結點的電流?；蛘哒f，在任一瞬間，一個結點上電流的代數(shù)和為 0。 I1I2I3I4 I =0即：例或：二、基爾霍夫電流定律 I入 = I出即：電流定律還可以擴展到電路的任意封閉面。例I1+I2=I3例I=0基爾霍夫定律的擴展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_RCABIAIBICIacIbaIcbIA+IB+IC=0例對電路中的任一回路，沿任意循行方向轉(zhuǎn)一周，其電位升等于電位降?；颍弘妷旱拇鷶?shù)和為 0。例如： 回路

11、a-d-c-a電位升電位降即：或：I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-三、基爾霍夫電壓定律U4E2E1U1R1U2U1R2I1I2R3abcd應用基爾霍夫電壓定律前，先確定回路電壓的參考方向，和饒行方向電阻上電流的方向和饒行方向一致，取正號電源上沿饒行方向，先看到正號，取正；先看到負號，取負饒行方向abcda:回路方程為：+I1R1+-I2R2+E2-E1=0例E+_RabUabI基爾霍夫電壓定律也適合開口電路。例+_電位升電位降或：UAB+UBCUCDUDAABCD+_例已知：UAB=5V UBC= -4V UDA= -3V解：(1)5 +（-4）+ UC

12、D + (-3) = 0UAB+ UBC+ UCD +UDA= 0UCD = -5 + 4 + 3 = 2 (V)(2)ABCA不是閉合回路，也可應用基爾霍夫電壓定律求： （1）UCD； （2）UCAUAB+ UBC+ UCA = 05 + （- 4）+ UCA = 0UCA = - 5 + 4 = - 1 （V）四、全電路歐姆定律 (支路中含有電動勢時的歐姆定律)E+_R0RIU或外電路U內(nèi)電路UOE+_R0RIU已知：E ， R求： RO 和 I。解：例作業(yè)：P17、18復習思考題1-10 1-11退 出第 一幫 助回 退前 進開 始最 后返 回一、電阻的串并聯(lián)及其等效變換1. 串聯(lián)電阻的

13、等效變換定義: 若干個電阻一個接一個順序相連, 并且流過同一個電流。 2. 等效電阻: R=R1+R2+Rn= UR_+UU1U2R1R2+_+_II 第三節(jié) 電路的等效變換3. 分壓公式: 各段電壓降與阻值成正比。并且：UR_+UU1U2R1R2+_+_4. 作用: 分壓、限流II2. 并聯(lián)電阻的等效變換1. 定義: 若干個電阻都連接到同一對節(jié)點上，并 聯(lián)時各電阻承受同一電壓。2. 等效電阻:R1R2RnI1I2InIU+_3. 分流公式: 即電流分配與電阻成反比。功率：4.應用：分流負載大多為并聯(lián)運行。1.電壓源伏安特性電壓源模型IUERo越大斜率越大主要講有源元件中的兩種電源：電壓源和電

14、流源。UIRO+-E+_二、電壓源及電流源的等效變換理想電壓源 （恒壓源）: RO= 0 時的電壓源.特點：(1）輸出電 壓不變，其值恒等于電動勢。 即 Uab E； （2）電源中的電流由外電路決定。伏安特性IUabEEI+_abUab+_恒壓源中的電流由外電路決定設: E=10V當R1 R2 同時接入時： I=10A例 當R1接入時 ： I=5A則：IE+_abUab2R1R22+_恒壓源特性中不變的是：_E恒壓源特性中變化的是：_I_ 會引起 I 的變化。外電路的改變I 的變化可能是 _ 的變化， 或者是_ 的變化。大小方向+_I恒壓源特性小結EUababR+_2. 電流源IsUabI外特

15、性 電流源模型RORO越大特性越陡ISROabUabI+_理想電流源 （恒流源): RO= 時的電流源. 特點：（1）輸出電流不變，其值恒等于電 流源電流 IS； IUabIS伏安特性（2）輸出電壓由外電路決定。abIUabIs+_恒流源兩端電壓由外電路決定設: IS=1 A R=10 時， U =10 V R=1 時， U =1 V則:例IUIsR+_恒流源特性小結恒流源特性中不變的是：_Is恒流源特性中變化的是：_Uab_ 會引起 Uab 的變化。外電路的改變Uab的變化可能是 _ 的變化， 或者是 _的變化。大小方向abIUabIsR+_恒流源舉例IcIbUce 當 I b 確定后，I

16、c 就基本確定了。在 IC 基本恒定的范圍內(nèi) ，I c 可視為恒流源 (電路元件的抽象) 。晶體三極管:cebIb+-E+-UceIc電壓源中的電流如何決定？電流源兩端的電壓等于多少？例IE R_+abUab=?Is原則：Is不能變，E 不能變。電壓源中的電流 I= IS恒流源兩端的電壓+_恒壓源與恒流源特性比較恒壓源恒流源不 變 量變 化 量Uab的大小、方向均為恒定，外電路負載對 Uab 無影響。I 的大小、方向均為恒定，外電路負載對 I 無影響。輸出電流 I 可變 - I 的大小、方向均由外電路決定端電壓Uab 可變 -Uab 的大小、方向均由外電路決定E+_abIUabUab = E

17、（常數(shù)）+_aIbUabIsI = Is （常數(shù)）+_3. 電壓源和電流源的等效互換 等效互換的條件：對外的電壓電流相等。I = I Uab = Uab即：IRO+-EbaUab+_ISabUabI RO+_等效互換公式IRO+-EbaUab則I = I Uab = Uab若ISabUabIRO+_+_電壓源ab電流源UabROIsI +_aE+-bIUabRO_+等效變換的注意事項“等效”是指“對外”等效（等效互換前后對外伏-安特性一致），對內(nèi)不等效。(1)時：例如：RO中不消耗能量RO中則消耗能量對內(nèi)不等效對外等效aE+-bIUabRORL+_IsaRObUabI RL+_注意轉(zhuǎn)換前后 E

18、 與 Is 的方向(2)aE+-bIROE+-bIROaIsaRObIaIsRObI(3)恒壓源和恒流源不能等效互換aE+-bI（不存在）abIUabIs+_ 進行電路計算時，恒壓源串電阻和恒流源并電阻兩者之間均可等效變換。RO和 RO不一定是電源內(nèi)阻。(4)R1R3IsR2R5R4I3I1I應用舉例-+IsR1E1+-R3R2R5R4IE3I=?IsR5R4IR1/R2/R3I1+I3R1R3IsR2R5R4I3I1I+RdEd+R4E4R5I-ISR5R4IR1/R2/R3I1+I3 在多個電源同時作用的線性電路(電路參數(shù)不隨電壓、電流的變化而改變)中，任何支路的電流或任意兩點間的電壓，都

19、是各個電源單獨作用時所得結果的代數(shù)和。+BI2R1I1E1R2AE2I3R3+_+_原電路I2R1I1R2ABE2I3R3+_E2單獨作用一、疊加定理+_AE1BI2R1I1R2I3R3E1單獨作用 第四節(jié) 電路的基本定理I2I1AI2I1+BI2R1I1E1R2AE2I3R3+_+_E1+B_R1R2I3R3R1R2ABE2I3R3+_應用迭加定理要注意的問題1. 迭加定理只適用于線性電路（電路參數(shù)不隨電壓、 電流的變化而改變）。 2. 迭加時只將電源分別考慮，電路的結構和參數(shù)不變。 暫時不予考慮的恒壓源應予以短路，即令E=0； 暫時不予考慮的恒流源應予以開路，即令 Is=0。3. 解題時要

20、標明各支路電流、電壓的正方向。原電 路中各電壓、電流的最后結果是各分電壓、分電 流的代數(shù)和。=+4. 迭加原理只能用于電壓或電流的計算，不能用來 求功率。如：5. 運用迭加定理時也可以把電源分組求解，每個分 電路的電源個數(shù)可能不止一個。 設：則：I3R3=+例+-10I4A20V1010用疊加原理求：I= ?I=2AI= -1AI = I+ I= 1A+10I4A1010+-10I 20V1010解：有源二端網(wǎng)絡REdRd+_R注意：“等效”是指對端口外等效概念：有源二端網(wǎng)絡用電壓源模型等效。 二、戴維南定理二端網(wǎng)絡：若一個電路只通過兩個輸出端與外電路相聯(lián)，則該電路稱為“二端網(wǎng)絡” 。等效電壓

21、源的內(nèi)阻等于有源二端網(wǎng)絡相應的無源二端網(wǎng)絡的輸入電阻。（有源網(wǎng)絡變無源網(wǎng)絡的原則是：電壓源短路，電流源斷路）等效電壓源的電動勢（Ed ）等于有源二端網(wǎng)絡的開端電壓；有源二端網(wǎng)絡R相應的無源二端網(wǎng)絡ABABEdRd+_RAB有源二端網(wǎng)絡AB+_P12例 1-4一、電容器及電容電容器是儲存電荷的容器。電容器由兩塊金屬板和極板間的絕緣介質(zhì)以及兩根引線構成。+ +- - - -+q-qui+-（單位：F, F, pF）1F=106 F=1012 pF第五節(jié) 電容器及其充放電路1、電容器+電容符號有極性無極性_2、電容器的串聯(lián)和并聯(lián)（1）各個電容器的帶電量都相等Q = Q1= Q2U = U1+ U2（2）總電壓等于各分電壓之和+UC1+QU1-QC2U2+Q-Q-（a）+UC+Q-Q-（b）（1）電容器的串聯(lián)由于Q = C