電子與電路第1章

電路與電子學浙江理工大學信電學院楊俊秀1教材及參考書—《電路與電子學》教材：《電路與電子學》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》顧偉駟高等教育出版社《2電路電子學直流電路交流電路電動機半導體器件放大電路穩(wěn)壓電源信號、功率放大振蕩器運算放大器主要教學內(nèi)容3主要教學環(huán)節(jié)習題獨立完成作業(yè)，按時交作業(yè)。緊跟老師講課思路，搞清基本概念，注意解題方法和技巧。課堂教學實驗注意理論聯(lián)系實際，掌握常用儀器、儀表的使用方法，驗證與探索相結合。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、電子器件或設備組合而成。電路的組成：電源、負載和導線、開關等。實際電路電路模型E+–SIR6電路的基本組成部分：1、電源：為電路提供電能的設備，如干電池、發(fā)電機。2、負載：取用電能并將電能轉(zhuǎn)換成所需的光能、機械能、熱能或其他形式能量的設備，如電燈、電動機、電爐。3、連接線：連接電源、負載及其他設備或元件形成電流的通路，如金屬導線。4、控制裝置：用以控制電路的工作，如開關、繼電器。5、保護裝置：當電路出現(xiàn)故障時及時斷開電路的器件，如保險絲。7手電筒的電路模型R+RoE–S+U–I電池導線燈泡開關

電池是電源元件，其參數(shù)為電動勢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；

筒體用來連接電池和燈泡，其電阻忽略不計，認為是無電阻的理想導體。

開關用來控制電路的通斷。電路模型，簡稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號表示。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，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，當負載的電流是3.4A時，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)電阻實物圖圖1－6聯(lián)動電位器11固定電阻12電阻的額定功率為安全起見，在選用電阻時其額定功率要大于此電阻在電路中功率的實際值。通?？砂措娮柙陔娐分泄β实膶嶋H值或計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？這個電阻的額定功率應為多少？解：電阻消耗的功率是10W。用上面所述的經(jīng)驗法則，額定功率應是計算值的兩倍。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（排電阻）圖1-9排阻實物圖繞線電阻14貼片電阻熱敏電阻圖1-10貼片電阻實物圖熱敏電阻151－4電容元件(儲存電場能量)圖1-11電容器的結構圖（電介質(zhì)）圖1-12電容器的充電16電容元件符號與電容量的單位電容的基本單位是法拉（1F=1C/1V=1庫侖/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1-3兩個極板由面積為10cm×10cm，由厚為3mm，相對介電常數(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鋁電解電容器實物圖19鉭電解電容器鉭是導電性的金屬材料，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。常用于小型高可靠的電路中。圖1-14鉭電容器實物圖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)，相對紙質(zhì)電容器來說頻率特性好，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薄膜電容器實物圖21獨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用，被廣泛的應用在小電容量的場合。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獨石電容器實物圖圖1-17陶瓷電容器實物圖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。極板有多個動片和定片，通過旋轉(zhuǎn)動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，不適合在需反復調(diào)試的場合使用。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（儲存磁場能）

電感通常就是線圈。由導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、儲存磁場能量。電感的符號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24決定電感量的因素 確定電感器的電感量主要有四個因素：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算：

式中：L—電感量，單位為亨（H）；

μr—鐵芯材料相對磁導率；

N—線圈的匝數(shù)；a—鐵芯的截面積

，單位m2；l—磁路的平均長度，單位m；對單層空芯線圈，如果線圈的長度比線圈直徑大10倍以上，也可用上述公式計算，式中的l這時是線圈的長度

26例11-4：計算如圖11-8所示線圈的電感量解：平均磁路長度

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物理量實際方向電流I正電荷運動的方向電動勢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物理中對基本物理量規(guī)定的方向電路基本物理量的實際方向1-6電路的基本物理量

30電流及其參考方向：單位時間內(nèi)通過導體截面的電量。電流的基本單位為安培（簡寫為A）。電流常用的單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）及納安（nA）等，關系為：

1kA＝103A1mA＝10-3A1μA＝10-6A1nA＝10-9A31

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

在解題前先任意選定一個方向，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，從而進行電路分析計算。解決方法:計算結果為正，實際方向與假設方向一致；計算結果為負，實際方向與假設方向相反。

由計算結果可確定U、I

的實際方向：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：電流的實際方向顯而易見，從電源負極流出，流向電源正極的.34電壓及其參考方向兩點之間的電位之差即是兩點間的電壓。在如圖1-28電路中，ab兩點間的U電壓為：

U=Ua－Ub式中的Ua為a點的電位，Ub為b點的電位。圖1－2835

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

dq為由a點移至b點的電荷量,庫侖(C)，

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

有時用千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)作電壓單位。36規(guī)定電位真正降低的方向為電壓的實際方向。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，電壓的實際方向不易判別時，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，U、I參考方向相反時，RU+–IRU+–I

表達式中有兩套正負號：

①式前的正負號由U、I

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之間的關系。通常取

U、I

參考方向相同。U=IR

U=–IR38解：對圖(a)有,U=IR例：應用歐姆定律對下圖電路列出式子，并求電阻R。對圖(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6V

I(a)(b)I–2A39電流電壓的關聯(lián)方向、非關聯(lián)方向及歐姆定律圖1－27元件R3所標I、U的方向為關聯(lián)，歐姆定律：U=R3I圖1－28元件R所標的I、U的方向為非關聯(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

雙下標電壓：

(1)參考方向IE+_在分析與計算電路時，對電量任意假定的方向。Iab

雙下標物理量的參考方向aRb箭標abRI正負極性+–abU

U+_41實際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負值。實際方向與參考方向的關系注意：

在參考方向選定后，電流(或電壓)值才有正負之分。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，則電壓的實際方向從a指向b；若U=–5V，則電壓的實際方向從b指向a。423.為方便列電路方程，習慣假設I與U

的參考方向一致（關聯(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。當參考方向與實際方向一致時為正，否則為負。

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

設電路任意兩點間的電壓為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方向不一致怎么辦？功率有無正負？問題：bIRUa+-P=UI44若計算的結果P>

0,此部分電路吸收電功率

（消耗能量）,為負載。若計算結果P<0,此部分電路輸出電功率（提供能量）,為電源

。P=UIbIRUa+-45電源與負載的判別U、I參考方向不同，P=UI

0，電源；

P=UI

0，負載。U、I參考方向相同，P=UI0，負載；

P=UI

0，電源。

1.

根據(jù)U、I的實際方向判別2.

根據(jù)U、I的參考方向判別電源：

U、I實際方向相反，即電流從“+”端流出，（發(fā)出功率）；負載：

U、I實際方向相同，即電流從“-”端流出。

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

，P<PN(不經(jīng)濟)

過載(超載)：

I>IN

，P>PN(設備易損壞)額定工作狀態(tài)：I=IN

，P=PN

(經(jīng)濟合理安全可靠)

1.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。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

(負載性質(zhì)）假設的正方向列式：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)生的總功率和負載消耗的總功率是平衡的。小結：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、設電路的電壓與電流參考方向如圖1-30所示，已知，問ab兩點哪個電位高？電流的實際方向是什么？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、理想電流源符號圖1-32理想電路元件符號51理想電壓源和理想電流源理想電壓源簡稱電壓源。US+__(a)符號USU0I理想電壓源(c)外特性曲線(b)電壓源電路IRLUS+_＋U－特點：

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

1.輸出電流恒定不變或隨時間變化is(t)2.端電壓由負載的大小決定RLI＋U－IS(c)電壓源電路IS(a)符號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？兩個電源的功率如何變？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基尓霍夫定律及應用支路：電路中流過相同電流的分支（有時將每個元件看成一條支路）節(jié)點：三條或以上支路的結點（兩條支路的結點，因流過相同電流看成一條支路）回路：由多條支路構成的閉合路徑稱作回路。57支路：電路中的每一個分支。一條支路流過一個電流，稱為支路電流。結點：三條或三條以上支路的聯(lián)接點?；芈罚河芍方M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）結點：a、b、c、d

(共4個）網(wǎng)孔：abd、

abc、bcd

（共3個）adbcE–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I59一.基尓霍夫電流定律（KCL）在任一瞬間，一個節(jié)點上電流的代數(shù)和為零。用代數(shù)式可表示為對節(jié)點a：－I1－I2+I3=0對節(jié)點b：I1＋I2－I3=0圖1-3660電流定律可以推廣應用于包圍部分電路的任一假設的閉合面。推廣I=?例:廣義結點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（順時針或逆時針方向），回路中各段電壓的代數(shù)和等于零?；鶢柣舴螂妷憾蓱糜诨芈?。用數(shù)學式表示為：圖1-39回路abef：-US1-I1R1+I3R3=0回路bcd：-I3R3+I2R2+US2=0確定系數(shù)的正、負號：電壓降方向與回路方向相同取正號、否則取負號。621．列方程前標注回路循行方向；

電位升=電位降

E2=UBE+I2R2U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．應用

U=0列方程時，項前符號的確定：

如果規(guī)定電位降取正號，則電位升就取負號。3.開口電壓可按回路處理

注意：1對回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_63

或：在任一時刻，沿電路內(nèi)任一回路以任一方向巡行一周時，沿巡行方向上的電位升（電動勢）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兩點間處于開路狀態(tài)，試計算開路電壓。解：d、c兩點開路時有I2=I，回路abc

方程寫成：IR2+IR1+E1-U1=0可求出電流對于右回路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算電位：電路中某點至參考點的電壓，記為“VX”

。

通常設參考點的電位為零。1.電位的概念電位的計算步驟:

(1)任選電路中某一點為參考點，設其電位為零；

(2)標出各電流參考方向并計算；

(3)計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位。某點電位為正，說明該點電位比參考點高；某點電位為負，說明該點電位比參考點低。662.舉例

求圖示電路中各點的電位:Va、Vb、Vc、Vd

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

=4×20=80VVd

=Uda=6×5