電路概述及基本物理量

王彬彬電話：51551892辦公室地點：圖書館302電路(第2版)Circuit黃錦安等編著機械工業(yè)出版社《電路》4.5學(xué)分，共72學(xué)時理論課64學(xué)時

32次課實驗課8學(xué)時

4個實驗《電路》課時分配考核方法

平時： 40%期末考試： 60%(閉卷)學(xué)習(xí)要求

適當(dāng)預(yù)習(xí)，盡量做筆記，及時復(fù)習(xí)；通過習(xí)題鞏固知識、發(fā)現(xiàn)問題；靈活掌握電路理論規(guī)律、解題技巧；有事需請假，不得隨意曠課或缺交作業(yè)。作業(yè)要求

（1）要認(rèn)真、獨立、按時完成作業(yè)。

（2）由課代表收齊按學(xué)號排好序后，在上課之前放到桌上。

電路理論電路分析網(wǎng)絡(luò)綜合電路電路輸入?yún)?shù)輸出電路分析電路

參數(shù)輸入輸出網(wǎng)絡(luò)綜合電路分析

(ElectricCircuitAnalysis)

1.目的：通過對電路模型的分析計算來預(yù)測實際電路的特性，從而改進(jìn)實際電路的電氣特性和設(shè)計出新的電路。

2.任務(wù)：掌握電路的基本理論和電路分析的方法。直流電路部分1電路模型和電路定律2簡單電阻電路分析3電阻電路的一般分析電路定理運算放大器電路教學(xué)內(nèi)容正弦交流電路部分7正弦交流電路基礎(chǔ)8正弦穩(wěn)態(tài)電路分析含耦合電感的電路三相電路非正弦周期電流電路動態(tài)電路部分6一階電路和二階電路電路教學(xué)內(nèi)容圖論部分12電路方程的矩陣形式多端網(wǎng)絡(luò)部分13二端口網(wǎng)絡(luò)和多端元件非線性電路部分14非線性電阻電路電路教學(xué)內(nèi)容

本章首先介紹電路的基本概念和基本變量。其次定義幾種常用的電路元件：電阻、獨立電壓源、獨立電流源和受控源。

最后討論集中參數(shù)電路中，電壓和電流必須滿足的兩類約束。這些內(nèi)容是全書的基礎(chǔ)。第一章電路模型和電路定律CircuitModelandCircuitLaw1電路模型和電路定律第1章電路模型和電路定律1.0電路詞義簡介1.1電路與電路模型1.2電壓和電流的參考方向1.3功率和能量1.4電阻元件1.5獨立電源——電壓源與電流源1電路模型和電路定律

電路一詞的兩種含義:

(1)實際電路;(2)電路模型。1電路模型和電路定律由電阻器、電容器、線圈、變壓器、晶體管、運算放大器、傳輸線、電池、發(fā)電機和信號發(fā)生器等電氣器件和設(shè)備連接而成的電路，稱為實際電路。電阻器電容器線圈電池運算放大器晶體管根據(jù)實際電路的幾何尺寸(d)與其工作信號波長(λ)的關(guān)系，可以將它們分為兩大類：

(1)集總參數(shù)電路(Lumpedcircuit)：滿足d<<λ條件的電路。

(2)分布參數(shù)電路(Distributedcircuit)：不滿足d<<λ條件的電路。說明：本書只討論集總參數(shù)電路,今后簡稱為電路。第一章電路的基本概念和基本定律低頻信號發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一章電路的基本概念和基本定律數(shù)據(jù)采集板第一章電路的基本概念和基本定律圖1－1手電筒電路實際電路的幾種常用電路圖表示法(a)實際電路(b)電原理圖(c)電路模型(d)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖第一章電路的基本概念和基本定律圖1－2晶體管放大電路(a)實際電路(b)電原理圖(c)電路模型(d)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖第一章電路的基本概念和基本定律1.1電路和電路模型（CircuitandCircuitModel)一、電路二、電路模型三、集中參數(shù)電路1.1電路和電路模型1.1電路和電路模型

（CircuitandCircuitModel)一、電路：構(gòu)成電流通路的所有電器裝置的集合。1、基本組成（1）電源：提供、產(chǎn)生電能或信號。如：發(fā)電機、電池等。（2）負(fù)載：取用電能或信號的設(shè)備，并將其轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。如：電動機、取暖器、喇叭等。（3）中間環(huán)節(jié)：聯(lián)接電源和負(fù)載的部分，起傳輸和分配電能的作用。如：導(dǎo)線、放大器、開關(guān)等。2、功能（1）提供、產(chǎn)生和傳輸電能。（2）提供、產(chǎn)生、存儲和傳輸信號。1.1電路和電路模型二、電路模型（Circuitmodel)1、模型化（理想化）：在一定的條件下，突出電器的主要電磁特性，忽略電器的次要電磁特性的現(xiàn)象。3、電路模型：對一個實際的電路，用若干個理想元件互聯(lián)來近似描述它的電磁特性，則后者為前者的電路模型。2、理想元件(IdealElement)：能集中描述一個電磁特性，并可用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系來表示元件，它是對實際器件的近似模擬。1.1電路和電路模型同一器件，在不同的條件下，可得到不同的電路模型。1.1電路和電路模型..RL

例:電感線圈

..R直流低頻高頻..RLC三、集總參數(shù)電路1、集總電路(LumpedCircuit)：由有限個理想元件互聯(lián)為其電路模型的電路。3、構(gòu)成集總電路的條件：電路尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電路的工作波波長。2、物理特征：對任一電路，在任一瞬時，導(dǎo)線上的電流處處相等，電路中各點的電壓與路徑無關(guān)。1.1電路和電路模型1.2電流和電壓的參考方向

電路的特性是由電流、電壓和電功率等物理量來描述的。電路分析的基本任務(wù)是計算電路中的電流、電壓和電功率。一、電流(Current)

帶電粒子(電子、離子)定向移動形成電流。電子和負(fù)離子帶負(fù)電荷，正離子帶正電荷。電荷用符號q或Q表示，它的SI單位為庫[侖](C)。1.2電流和電壓的參考方向

電流的SI單位是安[培](A)。1、定義：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷。用符號i

或I表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為1.2電流和電壓的參考方向恒定電流:

量值和方向均不隨時間變化的電流，稱為恒定電流，簡稱為直流(dc或DC—Directcurrent)，一般用符號I表示。與電流有關(guān)的幾個名詞時變電流:

量值和方向隨時間變化的電流，稱為時變電流，一般用符號i表示。時變電流在某一時刻t的值i(t)，稱為瞬時值。交流電流:

量值和方向作周期性變化且平均值為零的時變電流，稱為交流電流，簡稱為交流(ac或AC—Alternatingcurrent)。1.2電流和電壓的參考方向2、實際方向：正電荷運動的方向3、參考方向(Referencedirections)：任意規(guī)定的方向4、實際方向和參考方向的關(guān)系：當(dāng)電流計算值為正時，實際方向和參考方向一致；當(dāng)電流計算值為負(fù)時，實際方向和參考方向相反。5、電流是個代數(shù)量。1.2電流和電壓的參考方向

其中dq為由a點移動到b點的電荷量，單位為庫[侖](C)，dW為電荷移動過程中所獲得或失去的能量，其單位為[焦耳](J)，電壓的單位：伏[特](V)。二、電壓(Voltage)電荷在電路中移動，就會有能量的交換發(fā)生。1、定義：單位正電荷由電路中a點移動到b點所獲得或失去的能量，稱為ab兩點的電壓，即1.2電流和電壓的參考方向2、實際方向：高電位點指向低電位點3、參考方向：任意規(guī)定的方向4、實際方向和參考方向的關(guān)系：當(dāng)電壓計算值為正時，實際方向和參考方向一致；當(dāng)電壓計算值為負(fù)時，實際方向和參考方向相反。5、電壓是個代數(shù)量。1.2電流和電壓的參考方向

對于二端元件而言，電壓的參考極性和電流參考方向的選擇有四種可能的方式，如圖所示。6、關(guān)聯(lián)參考方向：(associatedreferencedirections)1.2電流和電壓的參考方向例：試判別下列電路中各元件電壓電流是否為關(guān)聯(lián)。

2V+_2V2Ω+_ui(c)2A+_

(a)-2A+_-2V

(b)1.2電流和電壓的參考方向1、參考方向和實際方向的區(qū)別和聯(lián)系；2、物理定律的表達(dá)式和電路方程中的符號與參考方向有關(guān)；3、分析計算電路時，必須標(biāo)定電壓、電流的參考方向；4、電壓、電流是代數(shù)量。注意1.2電流和電壓的參考方向一、功率(Power)+-ui(a)關(guān)聯(lián)+-ui(b)非關(guān)聯(lián)結(jié)論：

P>0吸收或消耗電能

P<0提供或產(chǎn)生電能關(guān)聯(lián)時取正，非關(guān)聯(lián)時取負(fù)。1.3功率和能量(PowerandEnergy)1.3功率和能量例：試求下面電路的功率，并指出是吸收還是發(fā)出。A3V(a)(b)(c)+-1AB+-2mA-8mvC-+-1A-10v吸收吸收發(fā)出

由于能量必須守恒，對于一個完整的電路來說，在任一時刻，所有元件吸收功率的總和必須為零。

電能的SI單位：焦耳(J)。二端元件或二端網(wǎng)絡(luò)從t0到t時間內(nèi)吸收的電能為

二、電能(Energy)1.3功率和能量集總參數(shù)電路(模型)由電路元件連接而成。電路元件是為建立實際電氣器件的模型而提出的一種理想元件，它們都有精確的定義。按電路元件與外電路連接端點的數(shù)目，電路元件可分為二端元件、三端元件、四端元件等。(a)二端元件(b)三端元件(c)四端元件1.4電阻元件

Resistance1.4電阻元件常用的各種二端電阻器件電阻器晶體二極管1.4電阻元件金屬膜電阻器

METALFILMFIXEDRESISTOR（MFTYPE）金屬氧化物電阻器

METALOXIDEFILMRESISTOR(MOFTYPE)碳膜電阻器

CARBONFILMFIXEDRESISTOR

熔斷涂覆電阻器

FUSIBLEFILMRESISTOR線繞涂覆電阻器

WIREWOUNDRESISTOR(KNPTYPE)線繞涂覆電阻器

WIREWOUNDRESISTOR(KNHTYPE)

1.4電阻元件一、二端電阻二、線性電阻三、線性電阻元件和電阻器主要內(nèi)容1.4電阻元件電阻元件的一般定義：一、二端電阻

如果一個二端元件在任一時刻的電壓u與其電流i的關(guān)系，由u-i平面上一條曲線確定，則此二端元件稱為二端電阻元件，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為1.4電阻元件

這條曲線稱為電阻的特性曲線。它表明了電阻電壓與電流間的約束關(guān)系(VoltageCurrentRelationship，簡稱為VCR)。1.4電阻元件電阻的分類：1.

線性電阻與非線性電阻

其特性曲線為通過坐標(biāo)原點直線的電阻，稱為線性電阻；否則稱為非線性電阻。2.時變電阻與時不變電阻

其特性曲線隨時間變化的電阻，稱為時變電阻；否則稱為時不變電阻或定常電阻。1.4電阻元件a)線性時不變電阻b)線性時變電阻c)非線性時不變電阻d)非線性時變電阻1.4電阻元件實驗表明：在低頻工作條件下，晶體二極管的電壓電流關(guān)系是ui平面上通過坐標(biāo)原點的一條曲線。用晶體管特性圖示器測量晶體二極管的電壓電流關(guān)系。1.4電阻元件二、線性電阻

LinearResistance

線性時不變電阻的特性曲線是通過u-i平面(或i-u平面)原點的一條不隨時間變化的直線。如圖所示。

1.4電阻元件

式中R稱為電阻，其SI單位為歐[姆](Ω)

G稱為電導(dǎo)，其SI單位為西[門子](S)

歐姆定律+-ui(a)關(guān)聯(lián)+-ui(b)非關(guān)聯(lián)RR1.4電阻元件實驗表明：在低頻工作條件下，電阻器的電壓電流關(guān)系是ui平面上通過坐標(biāo)原點的一條直線。用晶體管特性圖示器測量二端電阻器的電壓電流關(guān)系。1.4電阻元件

線性時不變電阻吸收的功率為

當(dāng)

R>0(或G>0)時，p0，這表明正電阻總是吸收功率，不可能發(fā)出功率。當(dāng)R<0(或G<0)時，p0，這表明負(fù)電阻可以發(fā)出功率。1.4電阻元件1.5電壓源和電流源

VoltageSourceandCurrentSource

電路中的耗能器件或裝置有電流流動時，會不斷消耗能量，電路中必須有提供能量的器件或裝置——電源。常用的直流電源有干電池、蓄電池、直流發(fā)電機、直流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)流電源等。常用的交流電源有電力系統(tǒng)提供的正弦交流電源、交流穩(wěn)壓電源和產(chǎn)生多種波形的各種信號發(fā)生器等。為了得到各種實際電源的電路模型，定義兩種理想的電路元件——獨立電壓源和獨立電流源。

1.5電壓源和電流源

常用的干電池和可充電電池1.5電壓源和電流源

實驗室使用的直流穩(wěn)壓電源用示波器觀測直流穩(wěn)壓電源的電壓隨時間變化的波形。示波器穩(wěn)壓電源1.5電壓源和電流源獨立電源1.5電壓源和電流源獨立電源--電壓源和電流源

VoltageSourceandCurrentSource一、理想電壓源二、理想電流源三、實際電壓源四、實際電流源五、例題1.5電壓源和電流源一、理想電壓源1、定義：如果一個二端元件的電流無論為何值，其電壓保持常量US或按給定的時間函數(shù)uS(t)變化，則此二端元件稱為理想電壓源，簡稱為電壓源。2、電路符號及伏安特性：

“+”

，“-”號表示電壓源電壓的參考極性。1.5電壓源和電流源（2）其端電壓由其本身特性確定，與電壓源在電路中的位置無關(guān)。（3）其輸出電流則與其連接的外電路有關(guān)。由其電壓和外電路共同確定。（1）隨著電壓源工作狀態(tài)的不同，它既可發(fā)出功率，也可吸收功率。3、特點：

（4）輸出電壓為零時，可用短路線替代。1.5電壓源和電流源二、理想電流源獨立電流源是從實際電源抽象出來的另一種電路元件。1、定義：如果一個二端元件的電壓無論為何值，其電