計算機(jī)電路基礎(chǔ)（第2版）電路基本概念和基本定律

計算機(jī)電路基礎(chǔ) 電路基本概念和基本定律 第 1章 電路基本概念和基本定律 教學(xué)提示： 電路是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的基礎(chǔ)，是電子類專業(yè)的入門課程。本章主要是介紹電路的一些基本概念和基本的定律，是學(xué)習(xí)電路理論的基礎(chǔ)知識。 教學(xué)目的： 流的參考方向和關(guān)聯(lián)參考方向； 流源的特性及功率計算； 點、回路的定義和電路的三種工作狀態(tài)； 熟練地應(yīng)用于 電路計算； 第 1章 電路基本概念和基本定律 電路 電流、電壓和功率 二端元件和受控源 電路三種狀態(tài) 基爾霍夫定律 電路 電路的作用 電路模型 集總假設(shè) 電路的作用 電路 : 電流流通的路徑。 電路的作用 :電路是實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換 。 電路組成 : 電源 : 是向電路提供電能的設(shè)備 負(fù)載 : 是指各種用電設(shè)備和元器件總稱 中間環(huán)節(jié)部分 : 由電子元器件組成完成復(fù)雜功能的電子系統(tǒng)。 電路模型 實際的電元件往往都不是單一參數(shù)的理想元件。為了突出元件的主要特性，忽略其次要因素，把它近似地看成單一參數(shù)的理想電路元件 。 用理想電元件所組成的電路，稱為實際電路的電路模型。電路模型是對實際電路抽象和概括。 集總假設(shè) 為了簡化對器件性能的描述和簡化對電路分析和計算，假設(shè)在一定的條件下，忽略其次要物理過場，只考慮實際元件的主要特性，這樣假設(shè)稱為 集總假設(shè) 。 集總假設(shè)的條件 是：電場作用 (充放電 )只發(fā)生的電容元件上，磁場作用(磁能的貯存和釋放 )只發(fā)生在電感元件上，而且都沒有電磁能量的損失。 集總假設(shè)的元件稱為理想元件（集總參數(shù)元件，簡稱集總元件），簡稱電路元件 。 電流、電壓和功率 電流、電壓和功率是電路中三個重要的物理量，是對電路分析和計算的重要參數(shù)。 電流 電壓和電位 關(guān)聯(lián)參考方向 功率 電流 電荷的定向運動產(chǎn)生電流。 單位：安培（安），用字母 。 1A=1000 ； 1000 A 正電荷運動方向為電流的正方向。 大小和方向不隨時間而變的電流為 直流電流 （用大寫字母 I 表示 ）； 大小隨時間變化而方向不隨時間變化的電流稱為 變動電流 i ； 大小和方向都隨時間而變化，這樣的電流稱之為 交流電流 i 。 在分析和計算電路前假設(shè)流過元件上電流的方向稱為 電流參考方向 ； 當(dāng)所求得電流為正值，說明流過元件上電流的實際方向與假設(shè)的電流參考方向一致； 當(dāng)所求得電流為負(fù)值，則實際電流方向與電流參考方向相反 。 參考方向是一種分析方法，只有在參考方后，電流和電壓才有正、負(fù)之分。 電壓和電位 ： 定義 :單位正電荷在電場力的作用下，從電場中的 a 點移到 所做的功，稱為電場中 a、 單位： 伏特（伏），用大寫字母 1V=1000 1000V 電壓方向規(guī)定： 由高電位 (“+”極性端 )指向低電位 (“-”極性端 ) ; 電壓方向用下標(biāo)方式表示，如 a、 電壓方向由 a(+) 指向 b(-)，可表示為 選定電路中的某一點作為電壓的參考點，稱為 零電位點 。 電路中的任一點到零電位點的電壓稱為該點的 電位。 關(guān)聯(lián)參考方向 分析電路的時候，設(shè)定的電流參考方向和電壓參考方向 一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。電流和電壓的參考方向不一致，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。 關(guān)聯(lián)參考方向 非關(guān)聯(lián)參考方向 功率 正電荷從高電位移向低電位，是電場力對電荷作功的結(jié)果，電場的能量消耗在元件上。元件消耗電場的能量稱為元件吸收能量或元件 消耗功率 。這時元件上的電流方向和電壓的方向是一致的 . 正電荷從低電位移向高電位，必須由外力對電荷作用以克服電場力，元件需發(fā)出能量(元件向電路提供能量 )，即元件向電路 提供功率 。這時元件上的電流方向和電壓的方向是相反的。 元件上的功率計算公式： P = U I 元件上電流和電壓的參考方向符合關(guān)聯(lián)參考方向： 當(dāng) P 0，元件消耗功率，該元件被稱為電路的 負(fù)載 。 當(dāng) P 0，元件向電路提供功率，該元件被稱為 電源 。 當(dāng) P 0，吸收功率，手機(jī)電池是負(fù)載。 充電器上的電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向， P =E I = 功率 P0，充電器向手機(jī)電池提供功率，是電源。 二端元件和受控源 電阻元件 物體對電流的阻礙作用稱為該物體的 電阻 。 用符號 ，單位：歐姆 () 。 常有如下?lián)Q算： 1千歐 )=1000 1兆歐 )=1000 電阻的倒數(shù) G =1/R，稱為電導(dǎo)。單位 :西門子“ S”。 在關(guān)聯(lián)參考方向下，電阻上的電流和電壓的關(guān)系為 R=U/ U= 說明：通過電阻的電流與加在電阻上的電壓成正比 ; 如果 R 值不隨外加的電壓 (電流 )變化，此電阻 R 稱為線性 電壓源 獨立電壓源是一個二端元件，簡稱為電壓源 . 任何電壓源都含有電動勢 S，它的模型如圖 U:電壓源的端電壓。 接的負(fù)載電阻。 U = I E I 電源 E = L + S ， 這里 :L 為負(fù)載功率 , S 為電源內(nèi)阻消耗功率 . 當(dāng)電源內(nèi)阻 0 時，稱為 理想電壓源電源 . 電源內(nèi)部無電壓降， 輸出一個恒定電壓 U = 電動勢 E ， 理想電壓源電源 電壓源 電流源 獨立電流源簡稱電流源 . 圖中虛線左邊所示。 當(dāng) 或 稱為恒流源或理想電流源 ,流過負(fù)載電流 I 恒等于電流源的電流 當(dāng)電路中不能滿足條件 ，流過 流等于被其內(nèi)阻 流后的剩余部分。 越小，分流越大，流過負(fù)載的電流 流源的輸出特性如圖 理想電流源端電壓 的大小完全由外電路的負(fù)載所確定 【 例題 計算圖 電阻的壓降為： I R=2 3= 6V 電流源兩端的電壓 E = 6V+4V =10V 電流源兩端的電壓和電流是非關(guān)聯(lián)方向 ,電流源功率為 : =10V 2A=20W 0，所以電流源是提供功率。 電壓源的功率 4 2= 8W 由于流過電壓源的電流和電壓降方向一致，即關(guān)聯(lián)參考方向， 而且 0，所以電壓源是吸收功率。 受控源 電源中的電流或電壓是受到電路中其他支路的電流或電壓的控制，稱此類電源為受控源 。 它不是真正的電源，而是四端元件。 受控源有電壓源和電流源之分，控制量有電壓和電流之分，所以受控源共有 四種類型 : 電壓控制電流源 ( : 是轉(zhuǎn)移電導(dǎo)，導(dǎo)納量綱。 電流控制電壓源 ( := 是轉(zhuǎn)移電阻，電阻量綱。 電流控制電流源 ( : = 是電流控制比，無量綱。 電壓控制電壓源 (: 是電壓控制比，無量綱 四種類型 受控源 電路三種狀態(tài) 開路狀態(tài) 電源與其負(fù)載相互間不連接，電源處于無負(fù)載狀態(tài)，稱為空載狀態(tài)，又稱為 開路狀態(tài) . 開路狀態(tài)時特性為： E I = 0 0 短路狀態(tài) 電源兩端連接在一起，外電路的電阻為零，稱為短路狀態(tài)，簡稱 短路 。短路時回路中產(chǎn)生很大的電流 為 短路電流 。 電源在短路時的特征為： U = 0 E/ S 短路除了會發(fā)生在電源端處外，也可能發(fā)生在線路中的某一部分，稱為 局部短路 ，會造成電源供出超常的電流。 短路通常是一種 嚴(yán)重的事故 。為了防止短路事故的發(fā)生，除了認(rèn)真操作外，更重要的是在電路中接入短路保護(hù)措施，一旦發(fā)生短路，能及時切斷電源與負(fù)載的連接，以免發(fā)生事故。 有載狀態(tài) 電源與負(fù)載接通形成電回路，稱為 有載狀態(tài)。 電源向電路負(fù)載提供的電流： I = E /（ L） 負(fù)載上的電壓： I 電源電動勢輸出的功率 : I E 電源內(nèi)阻消耗的功率 : S 負(fù)載吸收的功率： L 功率的單位是瓦特（瓦），用字母 大功率應(yīng)用的場合，用 瓦 )， 小功率用 瓦 )，其換算關(guān)系： 1000 W ； 1 W = 1000 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律分為：基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律。 支路、結(jié)點和回路 支路 ： 電路中流過同一個電流的分支稱為 支路 ,支路上流過的電流稱為支路電 流。 結(jié)點： 支路的連接點稱為結(jié)點 (節(jié)點 )。在電 路中三條或三條以上支路相連接的地 方形成一個結(jié)點。 回路： 由一條或多條支路所組成的任何一個 閉合電路稱為回路。 基爾霍夫電流定律（ 定律表述： 在電路中的任一結(jié)點，在任一時刻，流進(jìn)結(jié)點的 電流之和等于從該結(jié)點流出的電流之和。 式中的 【 例題 列出圖中結(jié)點 a、 b和 【 解 】 對結(jié)點 0 對結(jié)點 0 對結(jié)點 0 提示： 列結(jié)點電流方程時， 先標(biāo)明支路電流的方向。 習(xí)慣上設(shè)流入結(jié)點的電流為正， 流出結(jié)點的電流為負(fù)。 01基爾霍夫電壓定律（ 定律表述： 在任一瞬間，沿任一回路設(shè)定方向 (順時針或逆時針 )，回路中所有支路電壓降的代數(shù)和為零。 【 例題 列出圖中虛線繞行回路的基爾霍夫電壓方程。 【 解 】 設(shè)定回路 和 中參考方向。支路原設(shè)定的方向若與之一致，則為正，否則為負(fù)。建立兩個回路的電壓方程如下： 回路 ： 1 + 2 = O 回路 ： 3 + 2 = 0 01例題 如圖已知： 1， ， ， ， ， V， A， 5=2A。求 【 解 】 據(jù)基爾霍夫電流定律， 結(jié)點 b： 4