電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)第一章

本章目錄1.1電路的組成及其作用1.2電路模型1.3電路的基本物理量1.4電氣設(shè)備的額定值1.5電路的工作狀態(tài)1.6無(wú)源電路元件1.7有源電路元件1.8電路中電位的概念返回總目錄11.1電路的組成及其作用電路的概念電路是由用電設(shè)備或元器件（稱為負(fù)載）與供電設(shè)備（稱為電源）通過(guò)導(dǎo)線連接而構(gòu)成的提供給電荷流動(dòng)的通路。電路是電場(chǎng)的一種特殊形式，當(dāng)電場(chǎng)被束縛在電荷流動(dòng)的路徑周圍很小的范圍時(shí)，即形成電路，可用“路”的理論來(lái)分析處理。電路的組成為電路工作提供能量的電源；在電能作用下完成電路功能的用電設(shè)備或元器件；連接電源和用電設(shè)備的導(dǎo)線；控制電源接入的開(kāi)關(guān)等；例如我們常用的照明電路。~220V電源開(kāi)關(guān)燈泡

（用電設(shè)備）導(dǎo)線21.1電路的組成及其作用（續(xù)）電路的功能客觀上電路提供了電荷流動(dòng)的通路，電荷攜帶著電能在電路中流動(dòng)，從電源帶走電能，而在用電元器件中又釋放電能，因此電路的工作伴隨著能量的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)電路的工作場(chǎng)合和工作目的及我們的著眼點(diǎn)，電路主要有下列作用：能量傳輸將電源的電能傳輸給用電設(shè)備(負(fù)載)。能量轉(zhuǎn)換將傳輸?shù)截?fù)載的電能根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成其它形式 的能量，如光、聲、熱、機(jī)械能等信息傳輸信息處理信息-->(載體)-->信號(hào)-->電路-->終端-->(去載體)--->信息

(電流或電壓)信號(hào)(接受)--->電路----->信號(hào)(已經(jīng)放大、去噪、合成…)31.2電路模型為什么要引入電路模型？構(gòu)成實(shí)際電路的元器件種類繁多，形狀各異，給分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。只有對(duì)各種元器件的特性建立了數(shù)學(xué)模型，才可能對(duì)電路進(jìn)行深入分析。例如，對(duì)于最簡(jiǎn)單的手電筒，這樣一個(gè)電路，就包含了電池、電珠、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)體等部分。如果要把這個(gè)電路介紹給他人，一種方法是直接把實(shí)物展示給對(duì)方，另一種方法是十分逼真地將它畫(huà)下來(lái)給對(duì)方看，盡管如此，我們?nèi)匀徊荒苁置髁说貙⑦@個(gè)電路的工作情況表達(dá)出來(lái)（用語(yǔ)言或文字）。難以想象，如果每個(gè)電路都要如此處理，擺在我們面前的將是怎樣的情形！41.2電路模型（續(xù)1）什么是電路模型？對(duì)實(shí)際電路的特性進(jìn)行分析、抽象，將電路的主要性能用數(shù)學(xué)方法表達(dá)出來(lái)，再利用一些具有特定、理想化特性的元件（理想元件）重構(gòu)出來(lái)的電路，稱為原電路的模型。電路模型反映了原電路工作的主要特性，并且這些特性是已經(jīng)數(shù)學(xué)化了的，便于用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析。電路模型中，構(gòu)成電路的不再是千差萬(wàn)別的各種實(shí)際元器件，而是數(shù)量有限的理想元件，具有很好的規(guī)范性。有利于設(shè)計(jì)、交流。構(gòu)成電路模型的理想元件數(shù)量應(yīng)盡可能少，否則，電路模型將失去其存在的價(jià)值。51.2電路模型（續(xù)2）怎樣建立電路模型？對(duì)電路中的每個(gè)元器件特性建立數(shù)學(xué)模型；用理想元件實(shí)現(xiàn)每個(gè)元器件的特性，構(gòu)成元器件的電路模型；把所有元器件的電路模型按照原電路結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，形成電路的模型。注：對(duì)元器件數(shù)學(xué)模型的建立不是本課程的內(nèi)容范圍，有關(guān)的知識(shí)可參考相應(yīng)的資料或元器件生產(chǎn)廠提供的資料。61.2電路模型（續(xù)3）常用理想元件種類電荷q磁通

電壓

u電流

i電阻元件電容元件電感元件憶阻元件71.3電路的基本物理量電流電流及其表示方式電流的概念

電流是電路中電荷流動(dòng)量的度量，它表示單位時(shí)間流過(guò)電路中某一截面的凈電荷量。電荷流動(dòng)不僅有數(shù)量，也有方向，因此電流是具有方向的。規(guī)定正電荷流動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颍ǚQ為真實(shí)方向）。分析電路時(shí)用箭頭或雙下標(biāo)來(lái)指定電流的方向。正電荷流向負(fù)電荷流向電流的真實(shí)方向q+q-ab電路中的一條通路81.3電路的基本物理量（續(xù)1）電流（續(xù)）電流的符號(hào)和單位電流的符號(hào)：電路中用

I表示不隨時(shí)間變化的電流

或

i表示隨時(shí)間變化的電流電流的單位是安培（A），是國(guó)際實(shí)用單位制（SI）中的七個(gè)基本單位之一。它表示：每秒鐘流過(guò)1庫(kù)侖的凈電荷。91.3電路的基本物理量（續(xù)2）電流（續(xù)）電流的參考方向電流作為電路的基本物理量，是我們分析電路所需要確定的，因此在分析電路之前，電流的真實(shí)方向一般是未知的。在電路中，每條通路的電流方向只有兩個(gè)可能的選擇，因此，我們可以用代數(shù)量來(lái)表示有方向的電流。符號(hào)表示方向，絕對(duì)值表示大小。為了用代數(shù)量表示電流，我們必須事先規(guī)定一個(gè)參考（即符號(hào)為正時(shí)電流的方向），稱為電流的參考方向。電路中用箭頭標(biāo)示。101.3電路的基本物理量（續(xù)3）電流（續(xù)）電流的參考方向電流的參考方向是人為定義的，

而電流的真實(shí)方向則是受電路

約束客觀存在并確定的。當(dāng)參考方向設(shè)得與真實(shí)方向一致時(shí)，

電流的代數(shù)值符號(hào)為正；反之為負(fù)。若分析電路后確定的電流符號(hào)為正，則

表明電流的真實(shí)方向就是參考方向；反之亦然。ab電路中的一條通路i電流i

的參考方向111.3電路的基本物理量（續(xù)4）電流（續(xù)）電流的測(cè)量實(shí)驗(yàn)和工程中采用電流表測(cè)量電流，電流表必須串接在被測(cè)電路中。電流的參考方向由電流表接線方式?jīng)Q定

“+”接線柱指向“-”接線柱i電流表+_被測(cè)支路斷開(kāi)通路串接電流表121.3電路的基本物理量（續(xù)5）電壓電壓的概念電路是電場(chǎng)的一種特殊形式。電場(chǎng)是一種位場(chǎng)，類似引力場(chǎng)，電荷在電場(chǎng)中具有電位能。單位正電荷在電場(chǎng)中某點(diǎn)所具有的電位能稱為該點(diǎn)的電位。它表示外力將單位正電荷從參考點(diǎn)（0電位）移動(dòng)到該點(diǎn)所作的功。單位為伏特(V)=1焦耳(J)/庫(kù)侖(C)，用v或V

表示a點(diǎn)電位b點(diǎn)電位131.3電路的基本物理量（續(xù)6）電壓（續(xù)）電壓的概念電路（電場(chǎng)）中兩點(diǎn)（如a與b）之間的電位差稱為電壓，用u

或U表示，單位也是伏特(V)ab兩點(diǎn)之間電壓電壓uab

表示單位正電荷從a

點(diǎn)移動(dòng)到b點(diǎn)所失去的電位能，因此也常稱為電壓降。abWaWb失去電位能Wa-Wb141.3電路的基本物理量（續(xù)7）電壓（續(xù)）電壓的方向（極性）電路（電場(chǎng)）中，只有定義了參考點(diǎn)，電位才有意義。電壓是一個(gè)相對(duì)量，與參考點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)。電壓表示的是電位下降，也存在方向（又稱為極性），規(guī)定電位下降的方向?yàn)殡妷旱恼鎸?shí)方向。電位實(shí)際上是電路中某點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的電壓。151.3電路的基本物理量（續(xù)8）電壓（續(xù)）電壓的參考方向電壓具有方向性，不能單用數(shù)值來(lái)表示，必須同時(shí)標(biāo)定其方向。在對(duì)電路分析之前顯然不能確定電壓的真實(shí)方向。兩點(diǎn)之間電壓只可能有兩個(gè)方向，可先假設(shè)電壓的方向，數(shù)值的正、負(fù)表示真實(shí)方向與假設(shè)方向之間的關(guān)系。稱此假設(shè)的方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较?。電壓的參考方向用箭頭（或+/

號(hào)）在電路中標(biāo)出。有了參考方向，帶方向的電壓變量就轉(zhuǎn)變成了代數(shù)量。abuab+-u或161.3電路的基本物理量（續(xù)9）電壓（續(xù)）電壓的測(cè)量實(shí)驗(yàn)和工程中采用電壓表測(cè)量電壓，電壓表必須和被測(cè)支路并聯(lián)。電壓的參考方向由電壓表接線方式?jīng)Q定

“+”接線柱指向“

”接線柱電壓表+_被測(cè)支路+_u171.3電路的基本物理量（續(xù)10）關(guān)聯(lián)參考方向同一電路元件上既有電流參考方向，也有電壓參考方向。作為參考方向，都是人為假設(shè)出來(lái)的，兩者之間沒(méi)有實(shí)際聯(lián)系。電路分析中，在一個(gè)元件上定義兩個(gè)獨(dú)立的參考方向是不合適的。為了分析方便，同一電路元件或電路部分，電壓和電流的參考方向采用一致的方向，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。如無(wú)特別需要，一般采用關(guān)聯(lián)參考方向。這樣在電路中只需要標(biāo)出一個(gè)參考方向。181.3電路的基本物理量（續(xù)11）電功率電功率的概念、符號(hào)與單位電功率是電路元件消耗電能快慢的度量，它表示單位時(shí)間內(nèi)電路元件消耗的電場(chǎng)能量。電路中用P或p

表示電功率，按照定義，

p(或P)=dW/dt功率的單位為瓦特（W）=焦耳(J)/秒(s)。功率的計(jì)算采用關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)采用非關(guān)聯(lián)參考方向必須加上負(fù)號(hào)！191.3電路的基本物理量（續(xù)12）電源和負(fù)載的概念若某元件電功率大于零，在電路中消耗電能，表現(xiàn)為負(fù)載。若某元件電功率小于零，向電路提供電能，表現(xiàn)為電源。舉例：由5個(gè)元件組成的電路如圖，各元件上電壓、電流參考方向采用關(guān)聯(lián)參考方向，標(biāo)在圖上如下。確定各元件的功率，

指出哪些是電源、哪些是負(fù)載？12345201.3電路的基本物理量（續(xù)13）元件1是負(fù)載元件2是負(fù)載元件3是電源元件4是負(fù)載元件5是電源注意：電路中所有元件的功率之和為0！這一規(guī)則稱為功率平衡原理。常用作對(duì)分析結(jié)果的檢驗(yàn)準(zhǔn)則。功率平衡實(shí)際上是能量守恒的體現(xiàn)，任意時(shí)刻，電源發(fā)出的電能恰為負(fù)載所消耗。211.4電氣設(shè)備的額定值電氣設(shè)備的額定值：電氣設(shè)備的安全使用值額定電流IN

：電氣設(shè)備在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行或規(guī)定工作制下允許通過(guò)的最大電流。額定電壓UN

：

根據(jù)電氣設(shè)備所用絕緣材料的耐壓程度和容許溫升等情況規(guī)定的正常工作電壓。額定功率PN

：電氣設(shè)備在額定電壓、額定電流下工作時(shí)的功率。額定值表明了電氣設(shè)備的正常工作條件、狀態(tài)和容量，使用電氣設(shè)備時(shí)，要注意不要超出其額定值，避免出現(xiàn)不正常的情況和發(fā)生事故。注意：使用中，電氣設(shè)備的實(shí)際電壓、電流、功率不一定等于其額定值。221.5電路的工作狀態(tài)工作時(shí)，根據(jù)所接負(fù)載不同，電路的工作狀態(tài)分為三種：開(kāi)路、短路、負(fù)載狀態(tài)。開(kāi)路工作狀態(tài)含源電路+_iu電路外接端未接任何負(fù)載，端電流i=0（開(kāi)路）。此時(shí)，端口電壓由電路內(nèi)部電源與結(jié)構(gòu)決定，稱為開(kāi)路電壓，記作

uOC

或UOC=UOC231.5電路的工作狀態(tài)（續(xù)1）短路工作狀態(tài)含源電路+_iu電路外接端直接用導(dǎo)線連接，端口電壓

u=0（短路）此時(shí)，端電流由電路內(nèi)部電源與結(jié)構(gòu)決定，稱為短路電流，記作

iSC

或ISC

ISC241.5電路的工作狀態(tài)（續(xù)2）負(fù)載工作狀態(tài)含源電路+_iu電路外接一定負(fù)載，電路中有電流流過(guò)，此時(shí)的狀態(tài)稱為負(fù)載狀態(tài)。負(fù)載對(duì)于確定的電路，電流的大小取決于負(fù)載的大小。當(dāng)電路中的電流等于額定電流時(shí)，叫做“滿載”（額定狀態(tài)）；當(dāng)電路中的電流大于額定電流時(shí)，叫做“過(guò)載”；當(dāng)電路中的電流小于額定電流時(shí)，叫做“欠載”。一般來(lái)說(shuō)電路不能工作在過(guò)載狀態(tài)，但短時(shí)少量的過(guò)載還是可以的，長(zhǎng)時(shí)過(guò)載可能會(huì)引起事故的發(fā)生，是絕不允許的。為保證電路安全工作，一般需在電路中接入必要的過(guò)載保護(hù)裝置。251.6無(wú)源電路元件電阻元件電阻元件的概念

由代數(shù)關(guān)系聯(lián)系端電壓u和電流

i

的二端元件稱為電阻元件，簡(jiǎn)稱電阻。

電阻元件的特性由u-i

平面上的一條曲線表示，Oiu當(dāng)這條曲線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線時(shí)，稱為線性電阻。本課程中如無(wú)特別聲明電阻元件均指線性電阻。線性電阻元件非線性電阻261.6無(wú)源電路元件（續(xù)1）電阻元件（續(xù)）電阻元件的符號(hào)、參數(shù)

電阻元件的參數(shù)為特性曲線的斜率，記作

R稱為電阻元件的電阻（值），單位歐姆（

）uiR電阻元件的符號(hào)電阻元件的特性——?dú)W姆定律

在關(guān)聯(lián)參考方向下，電阻兩端電壓與流過(guò)電阻的電流成正比，比例系數(shù)為電阻元件的參數(shù)——電阻值如果電阻R不隨時(shí)間變化，電阻元件稱為時(shí)不變電阻。本課只討論時(shí)不變?cè)?71.6無(wú)源電路元件（續(xù)2）電容元件電容元件的概念

電容元件的原型是平板電容器，基本特性是存儲(chǔ)在極板上的電荷量q

與兩極板之間的電壓u

滿足代數(shù)關(guān)系。用

q-u

平面上的一條曲線

fC(q,u)=0描述。

++++++++

--------+q-quOuq非線性電容線性電容元件當(dāng)這條曲線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線時(shí)，稱為線性電容。本課程中如無(wú)特別聲明電容元件均指線性電容。281.6無(wú)源電路元件（續(xù)3）電容元件（續(xù)）電容元件的符號(hào)、參數(shù)

電容元件的參數(shù)為特性曲線的斜率，記作C

，稱為電容元件的電容（量），單位法拉（F），法拉的單位很大，實(shí)用中常采用微法

F(10-6F)和皮法pF(10-12F)。iuC電容元件的符號(hào)291.6無(wú)源電路元件（續(xù)3）電容元件（續(xù)）電容元件的電壓-電流關(guān)系——伏安特性

動(dòng)態(tài)元件記憶元件301.6無(wú)源電路元件（續(xù)3）電容元件（續(xù)）電容元件的功率與儲(chǔ)能

功率儲(chǔ)能功率可正可負(fù)，有時(shí)吸收能量，有時(shí)放出能量，但本身不消耗能量（無(wú)損）。與電流無(wú)關(guān)儲(chǔ)能元件以電場(chǎng)方式儲(chǔ)存關(guān)聯(lián)參考方向311.6無(wú)源電路元件（續(xù)4）電感元件電感元件的概念

電感元件的原型是空心線圈，基本特性是線圈中的磁通量

與流過(guò)線圈的電流i

滿足代數(shù)關(guān)系。用

-i

平面上的一條曲線fL(

,i)=0描述。Oi

非線性電感線性電感元件當(dāng)這條曲線是一條過(guò)原點(diǎn)的直線時(shí)，稱為線性電感。本課程中如無(wú)特別聲明電感元件均指線性電感。i+_uN

匝磁通F+_eL

321.6無(wú)源電路元件（續(xù)5）電感元件（續(xù)）電感元件的符號(hào)、參數(shù)

電感元件的參數(shù)為特性曲線的斜率，記作L

，稱為電感元件的電感（量），單位亨利（H），亨利的單位很大，實(shí)用中常采用毫亨mH(10-3H)和微亨

H(10-6H)。Liu電感元件的符號(hào)331.6無(wú)源電路元件（續(xù)6）電感元件（續(xù)）電感元件的電壓-電流關(guān)系——伏安特性

動(dòng)態(tài)元件記憶元件341.6無(wú)源電路元件（續(xù)7）電感元件（續(xù)）電感元件的功率與儲(chǔ)能

功率儲(chǔ)能功率可正可負(fù)，有時(shí)吸收能量，有時(shí)放出能量，但本身不消耗能量（無(wú)損）。儲(chǔ)能元件以磁場(chǎng)方式儲(chǔ)存關(guān)聯(lián)參考方向儲(chǔ)能與電壓無(wú)關(guān)351.7有源電路元件理想（獨(dú)立）電壓源若二端元件兩端電壓不隨流過(guò)它的電流變化，保持固定的數(shù)值（或變化規(guī)律），稱此元件為理想（獨(dú)立）電壓源。理想電壓源的伏安特性為一條平行于電流軸的直線。uSuiuiuSOu=uS不隨電流變化+-US一般電壓源符號(hào)直流電壓源或恒壓源理想電壓源兩端的電壓值不隨電流變化，因此，理想電壓源的兩端不能被短路（電阻值為0），否則，將流過(guò)無(wú)窮大電流。常用的電池在正常工作范圍內(nèi)近似為理想電壓源（恒壓源）。使用中不能將其兩個(gè)電極短路，否則將損壞。361.7有源電路元件

（續(xù)1）理想（獨(dú)立）電流源若流過(guò)二端元件的電流不隨它兩端電壓變化，保持固定的數(shù)值（或變化規(guī)律），稱此元件為理想（獨(dú)立）電流源。理想電流源的伏安特性為一條平行于電壓軸的直線。電流源符號(hào)i=iS不隨電壓變化uiOiSiSui理想電流源的參數(shù)用流過(guò)它的電流值（iS）表示。如果理想電流源的參數(shù)不隨時(shí)間變化（恒定），又稱為直流電流源或恒流源。流過(guò)理想電流源的電流值不隨電壓變化，因此，理想電流源的兩端不能被開(kāi)路（電阻值為

），否則，將產(chǎn)生無(wú)窮大電壓。現(xiàn)實(shí)世界中理想電壓源和理想電流源都是不存在的，它們只是實(shí)際電源在一定條件下的近似（模型）。371.7有源電路元件

（續(xù)2）實(shí)際電源的模型：電壓源