電子與電路第1章

電路與電子學(xué)浙江理工大學(xué)信電學(xué)院楊俊秀1教材及參考書—《電路與電子學(xué)》教材：《電路與電子學(xué)》麻壽光主編高等教育出版社《電子線路線性部分

》謝嘉奎主編高等教育出版社

參考書：電工學(xué)》顧偉駟高等教育出版社《2電路電子學(xué)直流電路交流電路電動(dòng)機(jī)半導(dǎo)體器件放大電路穩(wěn)壓電源信號(hào)、功率放大振蕩器運(yùn)算放大器主要教學(xué)內(nèi)容3主要教學(xué)環(huán)節(jié)習(xí)題獨(dú)立完成作業(yè)，按時(shí)交作業(yè)。緊跟老師講課思路，搞清基本概念，注意解題方法和技巧。課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)注意理論聯(lián)系實(shí)際，掌握常用儀器、儀表的使用方法，驗(yàn)證與探索相結(jié)合。4第一章電路基本概念及電路元件1-1電路的組成要素

（a）(b)（a）實(shí)物剖面圖（b）電路原理圖5

電路是電流的通路，是為了某種需要由某些電工、電子器件或設(shè)備組合而成。電路的組成：電源、負(fù)載和導(dǎo)線、開關(guān)等。實(shí)際電路電路模型E+–SIR6電路的基本組成部分：1、電源：為電路提供電能的設(shè)備，如干電池、發(fā)電機(jī)。2、負(fù)載：取用電能并將電能轉(zhuǎn)換成所需的光能、機(jī)械能、熱能或其他形式能量的設(shè)備，如電燈、電動(dòng)機(jī)、電爐。3、連接線：連接電源、負(fù)載及其他設(shè)備或元件形成電流的通路，如金屬導(dǎo)線。4、控制裝置：用以控制電路的工作，如開關(guān)、繼電器。5、保護(hù)裝置：當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)斷開電路的器件，如保險(xiǎn)絲。7手電筒的電路模型R+RoE–S+U–I電池導(dǎo)線燈泡開關(guān)

電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻Ro；

燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻R；

筒體用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。

開關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。電路模型，簡(jiǎn)稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。8電池的容量電池容量是指電池在特定條件下可以提供的能量的數(shù)值。

電池釋放能量的條件：溫度、放電電流(放電速度)放電完成后的最終輸出電壓。

普通的手電筒電池，放電電流從300mA減小到50mA時(shí)，它提供的能量大約可增加兩倍。溫度從21度下降到5度，其容量下降30%。

1-2電池

9電池的內(nèi)部電阻例1-1電壓為6V的電池組，其內(nèi)電阻為0.15歐姆，當(dāng)負(fù)載的電流是3.4A時(shí)，電池組兩端的電壓是多少？解：UL=U0－（IL×RS）=6－（3.4×0.15）=5.49V101-3電阻元件電阻元件的分類:可變電阻（電位器）1-5可調(diào)電阻實(shí)物圖圖1－6聯(lián)動(dòng)電位器11固定電阻12電阻的額定功率為安全起見，在選用電阻時(shí)其額定功率要大于此電阻在電路中功率的實(shí)際值。通常可按電阻在電路中功率的實(shí)際值或計(jì)算值的兩倍確定選用電阻的額定功率。例１-２1000Ω的電阻接在100Ｖ電壓上其消耗的功率是多少？這個(gè)電阻的額定功率應(yīng)為多少？解：電阻消耗的功率是10W。用上面所述的經(jīng)驗(yàn)法則，額定功率應(yīng)是計(jì)算值的兩倍。因此，選用額定功率為20W的電阻。13電阻器的種類碳合成電阻

線繞電阻

金屬陶瓷電阻鍍層薄膜電阻

電阻網(wǎng)絡(luò)（排電阻）圖1-9排阻實(shí)物圖繞線電阻14貼片電阻熱敏電阻圖1-10貼片電阻實(shí)物圖熱敏電阻151－4電容元件(儲(chǔ)存電場(chǎng)能量)圖1-11電容器的結(jié)構(gòu)圖（電介質(zhì)）圖1-12電容器的充電16電容元件符號(hào)與電容量的單位電容的基本單位是法拉（1F=1C/1V=1庫(kù)侖/1伏特）電容值常用微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）作為單位：1F=106μF＝109nF=1012pF或：1μF＝10－6F1nF=10-9F1pF=10-12F17例1-3兩個(gè)極板由面積為10cm×10cm，由厚為3mm，相對(duì)介電常數(shù)為4的云母分隔，確定它的電容量。解：A=10×10-2m×10×10-2m=100×10-4m2d=3×10-3m

εo=8.85×10ˉ12F/mC=εo

εr·A/d=8.85×10-12×4×10-2/(3×10-3)=1.18×10-10=118pF18電容器的種類及特性鋁電解電容器圖1-13鋁電解電容器實(shí)物圖19鉭電解電容器鉭是導(dǎo)電性的金屬材料，鉭電解電容器用鉭粉做電解電容器的電極、鉭粉外的5氧化二鉭（Ta2O5）作電介質(zhì)。比鋁電解電容器穩(wěn)定，可靠，壽命長(zhǎng)。常用于小型高可靠的電路中。圖1-14鉭電容器實(shí)物圖20薄膜電容器薄膜電容器用聚丙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯和聚酯等低損耗塑材代替紙作為電介質(zhì)，相對(duì)紙質(zhì)電容器來(lái)說頻率特性好，介電損耗小，穩(wěn)定，泄漏電流更小。電容值一般都小于1μF。圖1-15薄膜電容器實(shí)物圖21獨(dú)石電容器常用于噪聲旁路、濾波器、積分、振蕩電路。陶瓷電容器適合于一般應(yīng)用，被廣泛的應(yīng)用在小電容量的場(chǎng)合。電容值一般是從1pF

到0.27μF，耐壓為25V，50V，100V。用于高穩(wěn)定振蕩回路中。

圖1-16獨(dú)石電容器實(shí)物圖圖1-17陶瓷電容器實(shí)物圖22可變電容器和微調(diào)電容器電容器的電容量隨極板有效面積或極板間距的變化而變化。極板有多個(gè)動(dòng)片和定片，通過旋轉(zhuǎn)動(dòng)片使極板有效面積產(chǎn)生改變。微調(diào)電容器同樣可改變電容器的容量，不適合在需反復(fù)調(diào)試的場(chǎng)合使用。微調(diào)電容器的最大電容典型地從大約2pF到100pF變化。23

1-5電感元件（儲(chǔ)存磁場(chǎng)能）

電感通常就是線圈。由導(dǎo)線一圈靠一圈地繞在絕緣支架上制成。絕緣支架可以是空心的，也可以包含鐵芯或磁粉芯。電感在電路中反抗電流改變、儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量。電感的符號(hào)L、基本單位是亨利（H），高頻電路中的電感一般小于1微亨,低頻電路，5亨的電感很常見。圖1－19通電線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)24決定電感量的因素 確定電感器的電感量主要有四個(gè)因素：1．磁芯的材料類型2．線圈的匝數(shù)3．線圈匝間的間隔4．線圈或鐵芯的直徑

25鐵芯電感的電感量可由下式計(jì)算：

式中：L—電感量，單位為亨（H）；

μr—鐵芯材料相對(duì)磁導(dǎo)率；

N—線圈的匝數(shù)；a—鐵芯的截面積

，單位m2；l—磁路的平均長(zhǎng)度，單位m；對(duì)單層空芯線圈，如果線圈的長(zhǎng)度比線圈直徑大10倍以上，也可用上述公式計(jì)算，式中的l這時(shí)是線圈的長(zhǎng)度

26例11-4：計(jì)算如圖11-8所示線圈的電感量解：平均磁路長(zhǎng)度

l=4×10cm=40cm=0.4m

平方面積為

a=(0.02)2=4×10-4m227電感種類可變電感空芯電感器鐵氧體和鐵粉磁芯電感器

環(huán)形電感器

圖1-20可變電感器圖1-21空芯電感器圖1-22鐵芯電感器圖1-23環(huán)形電感器帶有磁心的電感陶瓷電感鐵氧體電感28色碼電感器疊片鐵芯電感

圖1-24色碼電感器圖1-25疊片鐵芯電感器29物理量實(shí)際方向電流I正電荷運(yùn)動(dòng)的方向電動(dòng)勢(shì)E

(電位升高的方向)

電壓U(電位降低的方向)高電位

低電位

單位kA、A、mA、μA低電位

高電位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向電路基本物理量的實(shí)際方向1-6電路的基本物理量

30電流及其參考方向：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電量。電流的基本單位為安培（簡(jiǎn)寫為A）。電流常用的單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）及納安（nA）等，關(guān)系為：

1kA＝103A1mA＝10-3A1μA＝10-6A1nA＝10-9A31

在復(fù)雜電路中難于預(yù)先判斷某段電路中電流的實(shí)際方向，從而影響電路求解。問題電流方向ba,ab？abR5R2R1R3R4R6++E1E2E＋ˉ＋URIab電壓、電流實(shí)際方向：ˉ32

在解題前先任意選定一個(gè)方向，稱為參考方向（或正方向）。依此參考方向，根據(jù)電路定理、定律列電路方程，從而進(jìn)行電路分析計(jì)算。解決方法:計(jì)算結(jié)果為正，實(shí)際方向與假設(shè)方向一致；計(jì)算結(jié)果為負(fù)，實(shí)際方向與假設(shè)方向相反。

由計(jì)算結(jié)果可確定U、I

的實(shí)際方向：33例：圖示電路E＝－10V,R=100Ω，試確定電流的大小和方向。圖1-26解：電流的實(shí)際方向顯而易見，從電源負(fù)極流出，流向電源正極的.34電壓及其參考方向兩點(diǎn)之間的電位之差即是兩點(diǎn)間的電壓。在如圖1-28電路中，ab兩點(diǎn)間的U電壓為：

U=Ua－Ub式中的Ua為a點(diǎn)的電位，Ub為b點(diǎn)的電位。圖1－2835

從電場(chǎng)力做功概念定義，電壓就是將單位正電荷從電路中一點(diǎn)移至電路中另一點(diǎn)電場(chǎng)力做功的大小。用數(shù)學(xué)式表示，即為

dq為由a點(diǎn)移至b點(diǎn)的電荷量,庫(kù)侖(C)，

dw是為移動(dòng)電荷dq電場(chǎng)力所做的功，焦耳(J)。u是ab兩點(diǎn)間的電壓,u表示時(shí)變量。大寫字母U表示直流電壓。電壓的單位是伏特(V),1V電壓相當(dāng)于移動(dòng)1C正電荷電場(chǎng)力所做的功為1J。

有時(shí)用千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)作電壓?jiǎn)挝弧?6規(guī)定電位真正降低的方向?yàn)殡妷旱膶?shí)際方向。電壓方向用箭頭表示，箭頭方向由高電位端指向低電位端。在電路中，電壓的實(shí)際方向不易判別時(shí)，為便于解題，常任意假定電壓的參考方向。圖1－2737歐姆定律U、I參考方向相同時(shí)，U、I參考方向相反時(shí)，RU+–IRU+–I

表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：

①式前的正負(fù)號(hào)由U、I

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)際方向與參考方向之間的關(guān)系。通常取

U、I

參考方向相同。U=IR

U=–IR38解：對(duì)圖(a)有,U=IR例：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(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6V

I(a)(b)I–2A39電流電壓的關(guān)聯(lián)方向、非關(guān)聯(lián)方向及歐姆定律圖1－27元件R3所標(biāo)I、U的方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)，歐姆定律：U=R3I圖1－28元件R所標(biāo)的I、U的方向?yàn)榉顷P(guān)聯(lián)方向，歐姆定律：U=-RI圖1－27圖1－2840(2)參考方向的表示方法電流：Uab

雙下標(biāo)電壓：

(1)參考方向IE+_在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。Iab

雙下標(biāo)物理量的參考方向aRb箭標(biāo)abRI正負(fù)極性+–abU

U+_41實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系注意：

在參考方向選定后，電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。若

I=5A，則電流從a流向b；例：若I=–5A，則電流從b流向a

。abRIabRU+–若

U=5V，則電壓的實(shí)際方向從a指向b；若U=–5V，則電壓的實(shí)際方向從b指向a。423.為方便列電路方程，習(xí)慣假設(shè)I與U

的參考方向一致（關(guān)聯(lián)參考方向）。

2.在解題前，先假定電壓電流的“參考方向”，然后再列方程求解。當(dāng)參考方向與實(shí)際方向一致時(shí)為正，否則為負(fù)。

小結(jié)1.電壓電流“實(shí)際方向”是客觀存在的物理現(xiàn)象，“參考方向”是人為假設(shè)的方向。43

設(shè)電路任意兩點(diǎn)間的電壓為U，電流為I,則這部分電路消耗的功率為電路功率如果假設(shè)方向不一致怎么辦？功率有無(wú)正負(fù)？問題：bIRUa+-P=UI44若計(jì)算的結(jié)果P>

0,此部分電路吸收電功率

（消耗能量）,為負(fù)載。若計(jì)算結(jié)果P<0,此部分電路輸出電功率（提供能量）,為電源

。P=UIbIRUa+-45電源與負(fù)載的判別U、I參考方向不同，P=UI

0，電源；

P=UI

0，負(fù)載。U、I參考方向相同，P=UI0，負(fù)載；

P=UI

0，電源。

1.

根據(jù)U、I的實(shí)際方向判別2.

根據(jù)U、I的參考方向判別電源：

U、I實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出，（發(fā)出功率）；負(fù)載：

U、I實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。

（吸收功率）。46電氣設(shè)備的額定值額定值:電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載)：I<IN

，P<PN(不經(jīng)濟(jì))

過載(超載)：

I>IN

，P>PN(設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài)：I=IN

，P=PN

(經(jīng)濟(jì)合理安全可靠)

1.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。例：燈泡：UN=220V

，PN=60W電阻：RN=100

，PN=1W47已知：U=

10

V,I=

1A

。按圖中

P=10

W

(負(fù)載性質(zhì)）假設(shè)的正方向列式：P=UI

1

)

P為“＋”表示該元件吸收功率；P為“－”則表示輸出功率。2）在同一電路中，電源產(chǎn)生的總功率和負(fù)載消耗的總功率是平衡的。小結(jié)：若：U=10

V,I=－1

A

則

P=－10W

（電源性質(zhì)）IbaU＋－[例]48例1-5:在圖1-29電路中，已知U=7V,I=-4A,試求元件A的吸收功率。解由于U、I為非關(guān)聯(lián)方向，所以

P=－UI=－7×(-4)=28W

說明元件A吸收功率28WA圖1-29例1-5用圖4948、設(shè)電路的電壓與電流參考方向如圖1-30所示，已知，問ab兩點(diǎn)哪個(gè)電位高？電流的實(shí)際方向是什么？52、如圖1-31所示，若已知元件A吸收功率10W，則電壓為________V。圖1-30題48用圖圖1-31題52用圖501-7電路模型基本的理想電路元件有理想電阻、理想電感、理想電容、理想電壓源、理想電流源五種。

圖1-33理想電壓源、理想電流源符號(hào)圖1-32理想電路元件符號(hào)51理想電壓源和理想電流源理想電壓源簡(jiǎn)稱電壓源。US+__(a)符號(hào)USU0I理想電壓源(c)外特性曲線(b)電壓源電路IRLUS+_＋U－特點(diǎn)：

1.輸出電壓恒定不變或隨時(shí)間變化us(t)2.輸出電流由負(fù)載的大小決定52理想電流源簡(jiǎn)稱電流源。特點(diǎn)：

1.輸出電流恒定不變或隨時(shí)間變化is(t)2.端電壓由負(fù)載的大小決定RLI＋U－IS(c)電壓源電路IS(a)符號(hào)U0I理想電流源IS(b)外特性曲線53分析：IS

固定不變,US

固定不變。USIRU-=IsU=?＋－IUS+-R所以：

I=Is,已知：Is

，US

，R

問：I

等于多少？U

又等于多少？[例1.3.1]54解：1.Uab=US

,

2.若R

減小為1Ω，電流源的功率不變！電壓源的功率IUs

=I–Is=3A

增大！P=USIUs

=12WI=USR=4A為什麼？

已知：Is

，US

，R0試分析：[例1.3.2]US+bRIsIIUsa-1A4V2ΩI=USR=42=2A2.若使R減小為1Ω，I如何變？?jī)蓚€(gè)電源的功率如何變？1.I等于多少？55例1-6電路如圖1-35所示，若，，，求電路中各電源提供的功率和電阻消耗的功率。解：電路為串聯(lián)電路，因此電壓源和電阻通過的電流也為2A。電壓源提供的功率為電阻不可能提供功率，只可能消耗電功率：圖1-35例1-6電路561-8基尓霍夫定律及應(yīng)用支路：電路中流過相同電流的分支（有時(shí)將每個(gè)元件看成一條支路）節(jié)點(diǎn)：三條或以上支路的結(jié)點(diǎn)（兩條支路的結(jié)點(diǎn)，因流過相同電流看成一條支路）回路：由多條支路構(gòu)成的閉合路徑稱作回路。57支路：電路中的每一個(gè)分支。一條支路流過一個(gè)電流，稱為支路電流。結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。回路：由支路組成的閉合路徑。網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E112358例1：支路：ab、bc、ca、…（共6條）回路：abda、abca、adbca…

（共7個(gè)）結(jié)點(diǎn)：a、b、c、d

(共4個(gè)）網(wǎng)孔：abd、

abc、bcd

（共3個(gè)）adbcE–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I59一.基尓霍夫電流定律（KCL）在任一瞬間，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和為零。用代數(shù)式可表示為對(duì)節(jié)點(diǎn)a：－I1－I2+I3=0對(duì)節(jié)點(diǎn)b：I1＋I(xiàn)2－I3=0圖1-3660電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。推廣I=?例:廣義結(jié)點(diǎn)I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V61二、基爾霍夫電壓定律（KVL）

沿任一回路繞行方向（順時(shí)針或逆時(shí)針方向），回路中各段電壓的代數(shù)和等于零?；鶢柣舴螂妷憾蓱?yīng)用于回路。用數(shù)學(xué)式表示為：圖1-39回路abef：-US1-I1R1+I3R3=0回路bcd：-I3R3+I2R2+US2=0確定系數(shù)的正、負(fù)號(hào)：電壓降方向與回路方向相同取正號(hào)、否則取負(fù)號(hào)。621．列方程前標(biāo)注回路循行方向；

電位升=電位降

E2=UBE+I2R2U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．應(yīng)用

U=0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號(hào)的確定：

如果規(guī)定電位降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。3.開口電壓可按回路處理

注意：1對(duì)回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_63

或：在任一時(shí)刻，沿電路內(nèi)任一回路以任一方向巡行一周時(shí)，沿巡行方向上的電位升（電動(dòng)勢(shì)）之和等于電位降之和?；芈罚篴-b-c-a電位升電位降依據(jù)：電位的單值性。US1R2I1I3dbc_+R1_R3R2US2a+64例1-7：電路如圖1-40所示，已知，U1=10V，E2=2V，E1=4V，R1=4R2=2，d、c兩點(diǎn)間處于開路狀態(tài)，試計(jì)算開路電壓。解：d、c兩點(diǎn)開路時(shí)有I2=I，回路abc

方程寫成：IR2+IR1+E1-U1=0可求出電流對(duì)于右回路dbe有E2+U2-E1-IR1=0開路電壓為6V。圖1-40I265電路中電位的概念及計(jì)算電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓，記為“VX”

。

通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。1.電位的概念電位的計(jì)算步驟:

(1)任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零；

(2)標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算；

(3)計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。某點(diǎn)電位為正，說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。662.舉例

求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd

。解：設(shè)a為參考點(diǎn)，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca

=4×20=80VVd

=Uda=6×5