《電工基礎(chǔ)》課件第1章

技能訓(xùn)練一電路基本元件的認(rèn)識(shí)

技能訓(xùn)練二電路中電位、電壓的測(cè)定技能訓(xùn)練三基爾霍夫定律驗(yàn)證

1.1電路和電路模型1.2電路的基本物理量1.3電路的基本元件1.4電源元件1.5基爾霍夫定律小結(jié)

習(xí)題一

1.訓(xùn)練目的

(1)學(xué)會(huì)識(shí)別常用電路元件的方法。

(2)掌握線性、非線性電阻元件伏安特性的測(cè)試方法。

(3)熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)上直流電工儀表和設(shè)備的使用方法。技能訓(xùn)練一電路基本元件的認(rèn)識(shí)

2.原理說(shuō)明

電路元件的特性一般可用該元件上的端電壓U與通過(guò)該元件的電流I之間的函數(shù)關(guān)系I＝f(U)來(lái)表示，即用I—U平面上的一條曲線來(lái)表征，這條曲線稱為該元件的伏安特性曲線。

電阻元件是電路中最常見(jiàn)的元件，有線性電阻和非線性電阻之分。

萬(wàn)用表的歐姆擋只能在某一特定的U和I下測(cè)出對(duì)應(yīng)的電阻值，因而不能測(cè)出非線性電阻的伏安特性。一般是用含源電路“在線”狀態(tài)下測(cè)量元件的端電壓和對(duì)應(yīng)的電流值，

進(jìn)而由公式R＝U/I求出所測(cè)電阻值。

(1)線性電阻器的伏安特性符合歐姆定律U＝RI，其阻值不隨電壓或電流值的變化而變化，伏安特性曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，如訓(xùn)練圖1-1(a)所示，該直線的斜率等于該電阻器的電阻值。

(2)白熾燈可以視為一種電阻元件，其燈絲電阻隨著溫度的升高而增大。一般燈泡的“冷電阻”與“熱電阻”的阻值可以相差幾倍至十幾倍。通過(guò)白熾燈的電流越大，其溫度越高，阻值也越大，即對(duì)一組變化的電壓值和對(duì)應(yīng)的電流值，所得U/I不是一個(gè)常數(shù)，所以它的伏安特性是非線性的，如訓(xùn)練圖1-1(b)所示。

(3)半導(dǎo)體二極管也是一種非線性電阻元件，其伏安特性如訓(xùn)練圖1-1(c)所示。二極管的電阻值隨電壓或電流大小、方向的改變而改變。它的正向壓降很小(一般鍺管約為0.2～0.3V，硅管約為0.5～0.7V)，正向電流隨正向壓降的升高而急劇上升，而反向電壓從零一直增加到十幾至幾十伏時(shí)，其反向電流增加很小，粗略地可視為零。因此給二極管加反向電壓時(shí)，可以認(rèn)為其阻值為∞。發(fā)光二極管正向電壓在0.5～2.5V之間時(shí)，正向電流有很大變化?？梢?jiàn)二極管具有單向?qū)щ娦?，但反向電壓加得過(guò)高，超過(guò)管子的極限值時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致管子被擊穿而損壞。

(4)穩(wěn)壓二極管是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，其正向特性與普通二極管類似，但其反向特性較特殊，如訓(xùn)練圖1-1(d)所示。給穩(wěn)壓二極管加反向電壓時(shí)，其反向電流幾乎為零，但當(dāng)電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，電流將突然增加，以后它的端電壓將維持恒定，不再隨外加反向電壓的升高而增大，這便是穩(wěn)壓二極管的反向穩(wěn)壓特性。實(shí)際電路中，可以利用不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。訓(xùn)練圖1-1元件的伏安特性

3.訓(xùn)練設(shè)備

(1)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源(0～30V)；(2)萬(wàn)用表；

(3)直流數(shù)字毫安表； (4)直流數(shù)字電壓表；

(5)二極管；(6)穩(wěn)壓管；

(7)白熾燈；(8)線性電阻器(1kΩ/1W)。

4.訓(xùn)練內(nèi)容

1)測(cè)量電阻的伏安特性

線性電阻器伏安特性的測(cè)量按訓(xùn)練圖1-2接線，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源US的數(shù)值，測(cè)出對(duì)應(yīng)的電壓表和電流表的讀數(shù)并記入訓(xùn)練表1-1中。訓(xùn)練圖1-2訓(xùn)練表1-1線性電阻器的伏安特性

2)測(cè)量白熾燈泡的伏安特性

把訓(xùn)練圖1-2中的電阻換成12V、0.1A的小燈泡，重復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容１)的測(cè)試內(nèi)容，將數(shù)據(jù)記入訓(xùn)練表1-2中。UL為燈泡的端電壓。訓(xùn)練表1-2白熾燈泡的伏安特性

3)測(cè)量半導(dǎo)體二極管的伏安特性

按訓(xùn)練圖1-3連接測(cè)量電路。200Ω電阻為限流電阻。先測(cè)二極管的正向特性，正向壓降可在0～0.75V之間取值。應(yīng)在曲線的彎曲部分(0.5～0.75之間)適當(dāng)?shù)囟嗳讉€(gè)測(cè)量點(diǎn)，其正向電流不得超過(guò)45mA。將所測(cè)數(shù)據(jù)記入訓(xùn)練表1-3中。

做反向特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將二極管反接，其反向電壓可在0～30V之間取值，將所測(cè)數(shù)據(jù)記入訓(xùn)練表1-4中。訓(xùn)練圖1-3訓(xùn)練表1-3二極管正向特性訓(xùn)練表1-4二極管反向特性

4)測(cè)量穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(1)把訓(xùn)練圖1-3中的二極管換成穩(wěn)壓二極管(2CW51)，重復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容3)，將測(cè)量數(shù)據(jù)記入訓(xùn)練表1-5中。

(2)反向特性實(shí)驗(yàn)：將訓(xùn)練圖1-3中的200Ω電阻換成1kΩ，2CW51反接，測(cè)2CW51的反向特性，穩(wěn)壓電源的輸出電壓在0~20V之間變化。測(cè)量結(jié)果記入訓(xùn)練表1-6中。訓(xùn)練表1-5穩(wěn)壓二極管正向特性訓(xùn)練表1-6穩(wěn)壓二極管反向特性

5.訓(xùn)練注意事項(xiàng)

(1)測(cè)二極管正向特性時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出應(yīng)由小到大逐漸增加，應(yīng)時(shí)刻注意電流表讀數(shù)不得超過(guò)25mA，穩(wěn)壓電源輸出端切勿碰線短路。

(2)進(jìn)行上述訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)先估算電壓和電流值，合理選擇儀表的量程，并注意儀表的極性。

(3)如果要測(cè)2AP9的伏安特性，則正向特性的電壓值應(yīng)取

0，0.1，0.13，0.15，0.17，0.19，0.21，0.24，0.30(V)反向特性的電壓值應(yīng)取

0，2，4，6，8，10(V)

6.思考題

(1)線性電阻與非線性電阻的概念是什么？電阻與二極管的伏安特性有何區(qū)別？

(2)若元件伏安特性的函數(shù)表達(dá)式為I＝f(U)，在描繪特性曲線時(shí)，其坐標(biāo)變量應(yīng)如何放置？

(3)穩(wěn)壓二極管與普通二極管有何區(qū)別，其用途如何？

7.訓(xùn)練報(bào)告內(nèi)容

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表中數(shù)據(jù)，分別在坐標(biāo)紙上繪制出各自的伏安特性曲線(其中二極管和穩(wěn)壓管的正、反向特性均要求畫在同一張圖中，正、反向電壓可取為不同的比例尺)。(2)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕忉專偨Y(jié)、歸納被測(cè)各元件的特性。

(3)必要的誤差分析。

(4)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)的收獲。

1.訓(xùn)練目的

(1)明確電位和電壓的概念，驗(yàn)證電路中電位的相對(duì)性和電壓的絕對(duì)性。

(2)掌握電路電位圖的繪制方法。

2.原理說(shuō)明

1)電位與電壓的測(cè)量

在一個(gè)確定的閉合電路中，各點(diǎn)電位的高低視所選的電位參考點(diǎn)的不同而變，但任意兩點(diǎn)間的電位差(即電壓)則是絕對(duì)的，它不因參考點(diǎn)的選擇而改變。據(jù)此性質(zhì)，我們可用一只電壓表測(cè)量出電路中各點(diǎn)的電位及任意兩點(diǎn)間的電壓。技能訓(xùn)練二電路中電位、電壓的測(cè)定

2)電路電位圖的繪制

在直角平面坐標(biāo)系中，以電路中的電位值為縱坐標(biāo)，電路中各點(diǎn)位置(電阻)為橫坐標(biāo)，將測(cè)量到的各點(diǎn)電位在該坐標(biāo)平面中標(biāo)出，并把標(biāo)出點(diǎn)按順序用直線相連接，就可得到電路的電位變化圖。每一段直線段即表示該兩點(diǎn)間電位的變化情況，直線的斜率表示電流的大小。對(duì)于一個(gè)閉合回路，其電位變化圖形是封閉的折線。

以訓(xùn)練圖2-1(a)所示電路為例，若電位參考點(diǎn)選為A點(diǎn)，選回路電流Ｉ的方向?yàn)轫槙r(shí)針(或逆時(shí)針)方向，則從A點(diǎn)出發(fā)，沿順時(shí)針?lè)较蚶@行繪制出的電位圖如訓(xùn)練圖2-1(b)所示。訓(xùn)練圖2-1電路電位圖的繪制

(1)置A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其電位為0；

(2)自A至B的電阻為R3，在橫坐標(biāo)上按比例取線段R3，得B點(diǎn)，根據(jù)電流繞行方向可知B點(diǎn)電位應(yīng)為負(fù)值，ΦB＝-IR3，即B點(diǎn)電位比A點(diǎn)低，故從B點(diǎn)沿縱坐標(biāo)負(fù)方向取線段IR3，得B′點(diǎn)；

(3)由B到C為電壓源E1，其內(nèi)阻可忽略不計(jì)，則在橫坐標(biāo)上C、B兩點(diǎn)重合，由B到C電位升高值為E1，即ΦC-ΦB

＝E1，則從B′點(diǎn)沿縱坐標(biāo)正方向按比例取線段E1，得點(diǎn)C′，即線段B′C′＝E1。

依此類推，可做出完整的電位變化圖。由于電路中的電位參考點(diǎn)可任意選定，對(duì)于不同的參考點(diǎn)，所繪出的電位圖形是不同的，但其各點(diǎn)電位變化的規(guī)律卻是一樣的。在做電位圖或測(cè)量時(shí)必須正確區(qū)分電位和電壓的高低，按照慣例，應(yīng)先選取回路電流的方向，以該方向上的電壓降為正。所以，在用電壓表測(cè)量時(shí)，若儀表指針正向偏轉(zhuǎn)，則說(shuō)明電表正極的電位高于負(fù)極的電位。

3.訓(xùn)練設(shè)備

(1)直流穩(wěn)壓電源(0～30V)

(2)直流數(shù)字電壓表

(3)直流數(shù)字毫安表(4)實(shí)驗(yàn)電路板掛箱

4.訓(xùn)練內(nèi)容

訓(xùn)練線路如訓(xùn)練圖2-2所示。訓(xùn)練圖2-2

(1)以訓(xùn)練圖2-2中的A點(diǎn)作為電位參考點(diǎn)，分別測(cè)量B、C、D、E及F各點(diǎn)的電位值V及相鄰兩點(diǎn)之間的電壓值UAB、UBC、UCD、UDE、UEF及UFA，數(shù)據(jù)記入訓(xùn)練表2-1中。

(2)以D點(diǎn)作為參考點(diǎn)，重復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容(1)的步驟，測(cè)得數(shù)據(jù)記入表中。訓(xùn)練表2-1電位與電壓的測(cè)量

5.訓(xùn)練注意事項(xiàng)

(1)訓(xùn)練線路板系多個(gè)訓(xùn)練通用，本次訓(xùn)練中不使用電流插頭和插座。帶故障的鈕子開關(guān)都需置于“斷”位置。

(2)測(cè)量電位時(shí)，用指針式電壓表或用數(shù)字直流電壓表測(cè)量時(shí)，用黑色負(fù)表筆接電位參考點(diǎn)，用紅色正表筆接被測(cè)各點(diǎn)，若指針正向偏轉(zhuǎn)或顯示正值，則表明該點(diǎn)電位為正(即高于參考點(diǎn)電位)；若指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)或顯示負(fù)值，此時(shí)應(yīng)調(diào)換萬(wàn)用表的表筆，然后讀出數(shù)值，此時(shí)在電位值之前應(yīng)加一負(fù)號(hào)(表明該點(diǎn)電位低于參考點(diǎn)電位)。

(3)恒壓源讀數(shù)以接負(fù)載后為準(zhǔn)。

6.思考題

訓(xùn)練電路中若以F點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，各點(diǎn)的電位值將如何變化？若令E點(diǎn)作為電位參考點(diǎn)，請(qǐng)問(wèn)此時(shí)各點(diǎn)的電位值應(yīng)有何變化？

7.訓(xùn)練報(bào)告內(nèi)容

(1)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上繪制兩個(gè)電位參考點(diǎn)的電位圖形。

(2)完成數(shù)據(jù)表格中的計(jì)算，對(duì)誤差做必要的分析。

(3)總結(jié)電位相對(duì)性和電壓絕對(duì)性的原理。

(4)寫出心得體會(huì)及其他。

1.訓(xùn)練目的

(1)對(duì)基爾霍夫電壓定律(KVL)和電流定律(KCL)進(jìn)行驗(yàn)證，加深對(duì)兩個(gè)定律的理解。

(2)學(xué)會(huì)用電流插頭、插座測(cè)量各支路電流的方法。

技能訓(xùn)練三基爾霍夫定律驗(yàn)證

2.原理說(shuō)明

KCL和KVL是電路分析理論中最重要的基本定律，適用于線性或非線性、時(shí)變或非時(shí)變電路的分析計(jì)算。KCL和KVL是對(duì)電路中各支路的電流或電壓的一種約束關(guān)系，是一

種“電路結(jié)構(gòu)”或“拓?fù)洹钡募s束，與具體元件無(wú)關(guān)。而元件的伏安約束關(guān)系描述的是元件的具體特性，與電路的結(jié)構(gòu)(即電路的節(jié)點(diǎn)、回路數(shù)目及連接方式)無(wú)關(guān)。正是由于二

者的結(jié)合，才能衍生出多種多樣的電路分析方法(如節(jié)點(diǎn)法和網(wǎng)孔法)。

KCL指出：任何時(shí)刻流進(jìn)和流出任一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和為零，即

∑i(t)＝０或∑I＝0

KVL指出：任何時(shí)刻任何一個(gè)回路或網(wǎng)孔的電壓降的代數(shù)和為零，即

∑u(t)＝０或∑U＝0

運(yùn)用上述定律時(shí)必須注意電流的正方向，此方向可預(yù)先任意設(shè)定。3.訓(xùn)練設(shè)備

訓(xùn)練設(shè)備與技能訓(xùn)練二的相同。

4.訓(xùn)練內(nèi)容

訓(xùn)練線路如訓(xùn)練圖3-1所示。訓(xùn)練圖3-1

(1)訓(xùn)練前先任意設(shè)定3條支路的電流參考方向，如訓(xùn)練圖3-1中的I1、I2、I3所示，并熟悉線路結(jié)構(gòu)，掌握各開關(guān)的操作使用方法。

(2)分別將兩路直流穩(wěn)壓源接入電路，令E1＝6V，E2＝12V，其數(shù)值要用電壓表監(jiān)測(cè)。

(3)熟悉電流插頭和插孔的結(jié)構(gòu)，先將電流插頭的紅、黑兩接線端接至數(shù)字毫安表的“＋”、“－”極；再將電流插頭分別插入3條支路的3個(gè)電流插孔中，讀出相應(yīng)的電流值，記入訓(xùn)練表3-1中。

(4)用直流數(shù)字電壓表分別測(cè)量?jī)陕冯娫醇半娮柙系碾妷褐担瑪?shù)據(jù)記入訓(xùn)練表3-1中。訓(xùn)練表3-1基爾霍夫定律的驗(yàn)證

5.訓(xùn)練注意事項(xiàng)

(1)兩路直流穩(wěn)壓源的電壓值和電路端電壓值均應(yīng)以電壓表測(cè)量的讀數(shù)為準(zhǔn)，電源表盤指示只作為顯示儀表，不能作為測(cè)量?jī)x表使用，恒壓源輸出以接負(fù)載后為準(zhǔn)。

(2)謹(jǐn)防電壓源兩端碰線短路而損壞儀器。

(3)若用指針式電流表進(jìn)行測(cè)量，則要識(shí)別電流插頭所接電流表的“＋”、“－”極性。當(dāng)電表指針出現(xiàn)反偏時(shí)，必須調(diào)換電流表極性重新測(cè)量，此時(shí)讀得的電流值必須冠以負(fù)號(hào)。

6.思考題

(1)根據(jù)訓(xùn)練圖3-1的電路參數(shù)，計(jì)算出待測(cè)的電流I1、I2、I3和各電阻上的電壓值，記入表中，以便測(cè)量時(shí)，可正確地選定毫安表和電壓表的量程。

(2)若用指針式直流毫安表測(cè)各支路電流，什么情況下可能出現(xiàn)指針?lè)雌?應(yīng)如何處理？

在記錄數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意什么？若用直流數(shù)字毫安表進(jìn)行測(cè)量，則會(huì)有什么顯示？

7.訓(xùn)練報(bào)告內(nèi)容

(1)根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，選定訓(xùn)練電路中的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證KCL的正確性；選定任一個(gè)閉合回路，驗(yàn)證KVL的正確性

(2)進(jìn)行誤差原因分析。

(3)寫出本次實(shí)驗(yàn)的收獲體會(huì)。人們?cè)谌粘Ｉ?、生產(chǎn)和科研中廣泛地使用著各種電路，如輸變電電路、照明電路、電視機(jī)中的信號(hào)放大電路、各類機(jī)床的控制電路等。從這些電路可以看出，電路是由電源，導(dǎo)線、開關(guān)等中間環(huán)節(jié)，用電裝置即負(fù)載構(gòu)成的電信號(hào)通路，其作用是：實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳輸，進(jìn)行信號(hào)的傳遞和處理。1.1電路和電路模型電路中的各部分統(tǒng)稱為電路的元件，為了便于進(jìn)行分析和計(jì)算，在一定條件下，把實(shí)際元件加以近似化、理想化，即忽略其次要性質(zhì)，用足以表征其主要特征的“模型”來(lái)表示，我們把這種元件稱為理想元件。由理想電路元件構(gòu)成的電路稱為實(shí)際電路的“電路模型”。圖1-1-1(a)所示為手電筒的實(shí)際電路。若把小燈泡看成是電阻元件，用R表示，考慮到干電池內(nèi)部自身消耗的電

能，把干電池看成是電阻元件RS和電壓源US串聯(lián)，連接導(dǎo)線看成為理想導(dǎo)線(其電阻為零)，則手電筒的實(shí)際電路就可以用電路模型來(lái)表示，如圖1-1-1(b)所示。圖1-1-1實(shí)際電路與電路模型(a)實(shí)際電路；(b)電路模型1.2.1電流

在物理課中已經(jīng)學(xué)過(guò)，電荷的定向移動(dòng)形成電流(Current)。電流的實(shí)際方向習(xí)慣上指正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，電流的大小常用電流強(qiáng)度(CurrentIntensity)來(lái)表示。電流強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量。電流強(qiáng)度習(xí)慣上常簡(jiǎn)稱為電流。1.2電路的基本物理量電流主要分為兩類：一類為大小和方向均不隨時(shí)間改變的電流，稱為恒定電流，簡(jiǎn)稱直流(DirectCurrent)，常簡(jiǎn)寫為dc或DC，其強(qiáng)度一般用符號(hào)I表示；另一類為大小和方向都隨時(shí)間變化的電流，稱為變動(dòng)電流，其強(qiáng)度一般用符號(hào)i或i(t)表示。其中一個(gè)周期內(nèi)電流的平均值為零的變動(dòng)電流稱為交流(AlternatingCurrent)，常簡(jiǎn)寫為ac或AC，其強(qiáng)度一般也用符號(hào)i或i(t)表示。

圖1-2-1給出了幾種常見(jiàn)電流波形。圖1-2-1對(duì)于直流，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量Q是恒定不變的，其電流強(qiáng)度為

(1-1)

對(duì)于變動(dòng)電流(含交流)，若假設(shè)在一很小的時(shí)間間隔dt內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷量為dq，則該瞬間電流強(qiáng)度為

(1-2)在國(guó)際單位制(SI)中，電流的單位是安培(Ampere)，符號(hào)為A。它表示1秒(s)內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電荷為1庫(kù)侖(C)。有時(shí)也會(huì)用到千安(kA)、毫安(mA)或微安(μA)等，其關(guān)系如下：

1kA=1000A=103A

1mA=10-3A

1μA=10-6A在分析電路時(shí)，對(duì)復(fù)雜電路中某一段電路里電流的實(shí)際方向很難立即判斷出來(lái)，有時(shí)電流的實(shí)際方向還會(huì)不斷改變，因此在電路中很難標(biāo)明電流的實(shí)際方向。為分析方便，我們引入電流的“參考方向”(ReferenceDirection)這一概念。所謂參考方向，就是人為任意假設(shè)的方向。在一段電路或一個(gè)電路元件中，事先選定一個(gè)電流方向作為電流的參考方向。參考方向是任意選定的，而電流的實(shí)際方向是客觀存在的。因此，所選定的電流參考方向并不一定就是電流的實(shí)際方向。當(dāng)選定電流的參考方向與實(shí)際方向一致時(shí)，i>0；當(dāng)選定電流的參考方向與實(shí)際方向相反時(shí)，i<0。通常把箭頭直接標(biāo)在電路上以表示電流的參考方向，也可以用雙下標(biāo)表示電流的參考方向，如iAB表示其參考方向由A指向B。

若用虛箭線表示電流的實(shí)際方向，用實(shí)箭線表示電流的參考方向，電流的參考方向與實(shí)際方向如圖1-2-2所示，對(duì)于圖1-2-2(a)，i>0；對(duì)于圖1-2-2(b)，i<0。圖1-2-2電流的參考方向與實(shí)際方向電流的方向是實(shí)際存在的，它不因其參考方向選擇的不同而改變，即存在iAB=-iBA。本書中不加特殊說(shuō)明時(shí)，電路中的公式和定律都是建立在參考方向的基礎(chǔ)上的。

1.2.2電壓

在物理課中我們已經(jīng)學(xué)過(guò)，電路中A、B兩點(diǎn)間電壓的大小等于電場(chǎng)力把單位正電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所做的功。電壓的實(shí)際方向就是正電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力作用移動(dòng)的方向，用虛線表示。在直流電路中，電壓為一恒定值，用U表示，即

(1-3)式中，W為電場(chǎng)力所做的功，單位一般取J(焦耳)。

在變動(dòng)電流電路中，電壓為一變值，用u表示，即

(1-4)在國(guó)際單位制(SI)中，電壓的單位是伏特(Volt)，簡(jiǎn)稱伏，用符號(hào)V表示，即電場(chǎng)力將1庫(kù)侖(C)正電荷由A點(diǎn)移至B點(diǎn)所做的功為1焦耳(J)時(shí)，A、B兩點(diǎn)間的電壓為1V。有時(shí)也需用千伏(kV)、毫伏(mV)或微伏(μV)作為電壓的單位。與需要為電流指定參考方向一樣，在電路分析中，也需要為電壓指定參考方向。在元件或電路中兩點(diǎn)間可以任意選定一個(gè)方向作為電壓的參考方向。電路圖中，電壓的參考方

向一般用實(shí)箭線表示，也可用雙下標(biāo)uAB(電壓參考方向由A點(diǎn)指向B點(diǎn))或“＋”、“－”極性表示(電壓參考方向由“＋”極性指向“－”極性)，如圖1-2-3所示。圖1-2-3電壓的參考方向表示法當(dāng)電壓的實(shí)際方向與它的參考方向一致時(shí)，電壓值為正，即u>0；反之，當(dāng)電壓的實(shí)際方向與它的參考方向相反時(shí)，電壓值為負(fù)，即u<0。電壓的參考方向與實(shí)際方向(電路圖中用虛箭線表示)的關(guān)系如圖1-2-4所示，在圖1-2-4(a)中，u>0；在圖1-2-4(b)中，u<0。圖1-2-4電壓的實(shí)際方向與參考方向電壓的實(shí)際方向也是客觀存在的，它決不因該電壓的參考方向選擇的不同而改變。由此可知：

uAB=-uBA

若電壓與電流的參考方向一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向，否則，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向。如圖1-2-5所示，在圖1-2-5(a)、(b)中，電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向，在圖1-2-5(c)中，電壓與電流為非關(guān)聯(lián)參考方向。圖1-2-5關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向1.2.3電位

在復(fù)雜電路中，經(jīng)常用電位的概念來(lái)分析電路。所謂電位，是指在電路中任選一點(diǎn)作為參考點(diǎn)(即電位為0的點(diǎn))，某點(diǎn)與參考點(diǎn)的電壓叫做該點(diǎn)的電位。電位用V表示，電路中

A點(diǎn)的電位可表示為VA，如圖1-2-6所示。電位的單位和電壓的單位一樣，用伏特(V)表示。

圖1-2-6中，已知A、B兩點(diǎn)的電位分別為VA、VB，則此兩點(diǎn)間的電壓為

UAB=UA0-UB0=VA-VB

圖1-2-6電位的表示即

UAB=VA-VB

(1-5)

由上述分析可知，在電路中取不同參考點(diǎn)，電路各點(diǎn)的電位可能會(huì)發(fā)生變化，但兩點(diǎn)之間的電壓是確定的，兩點(diǎn)之間的電壓等于兩點(diǎn)的電位之差。1.2.4電能和功率

在電路的分析和計(jì)算中，能量和功率的計(jì)算是十分重要的。這是因?yàn)椋阂环矫?，電路在工作時(shí)總伴隨有電能與其他形式能量的相互交換；另一方面，電氣設(shè)備和電路部件本身

使用都有功率的限制，在使用時(shí)要注意其電流值或電壓值是否超過(guò)額定值，過(guò)載會(huì)使設(shè)備或部件損壞或不能正常工作。電功率與電壓和電流密切相關(guān)。當(dāng)正電荷從元件上電壓的“＋”極經(jīng)過(guò)元件移動(dòng)到電壓的“-”極時(shí)，與此電壓相應(yīng)的電場(chǎng)力要對(duì)電荷做功，這時(shí)元件吸收能量；反之，正電荷從電壓的“-”極經(jīng)過(guò)元件移動(dòng)到電壓“＋”極時(shí)，電場(chǎng)力做負(fù)功，元件向外釋放電能。

從t0到t的時(shí)間內(nèi)，元件吸收的電能可根據(jù)電壓的定義(A、B兩點(diǎn)的電壓在量值上等于電場(chǎng)力將單位正電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)所做的功)求得，即

由于i=，因此

(1-6)在直流電路中，電流、電壓均為恒值，在0～t時(shí)間內(nèi)電路消耗的電能為

W=UIt

(1-7)

電路消耗(或吸收)的功率等于單位時(shí)間內(nèi)電路消耗(或吸收)的能量，由此可定義

(1-8)在直流電路中，電流、電壓均為常量，故

P＝UI

(1-9)圖1-2-7功率的計(jì)算以上兩式中，電流和電壓為關(guān)聯(lián)參考方向，計(jì)算的功率為電路吸收(或消耗)的功率。

若電流和電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向，如圖1-2-7所示，這時(shí)u′與i為非關(guān)聯(lián)參考方向，u′=-u，電路消耗的功率為p=ui=-u′i。也就是說(shuō)，當(dāng)某段電路上電流和電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，這段電路吸收(或消耗)的功率為

p=-ui

(1-10)在國(guó)際單位制(SI)中，功率的單位為瓦特(Watt)，簡(jiǎn)稱瓦，符號(hào)為W。

根據(jù)實(shí)際情況，電路消耗的功率有以下幾種情況：

(1)p>0，說(shuō)明該段電路吸收(或消耗)功率；

(2)p=0，說(shuō)明該段電路不消耗功率；

(3)p<0，說(shuō)明該段電路釋放(或發(fā)出)功率。

例1-1

試求圖1-2-8中元件的功率。圖1-2-8例1-1圖

解

(a)電流和電壓為關(guān)聯(lián)參考方向，元件吸收的功率為

P=UI=6×2=12W

說(shuō)明該元件消耗的功率為12W。

(b)電流和電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向，元件吸收的功率為

P=-UI=-6×2=-12W

說(shuō)明該元件發(fā)出的功率為12W。

(c)電流和電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向，元件吸收的功率為

P=-UI=-(-2)×2=4W

說(shuō)明該元件消耗的功率為4W。1.3.1電阻元件

實(shí)際電路中的電阻器、燈泡、電爐等元件均為耗能元件。耗能元件的電路模型用電阻表示。電阻是一種二端元件。所謂二端元件，就是在一定條件下，其兩端的電壓與電流的關(guān)系可由u-i平面的一條曲線確定的元件，u—i平面如圖1-3-1所示，元件在u—i平面內(nèi)確定的曲線叫做元件的伏安特性曲線。1.3電路的基本元件圖1-3-1電阻的伏安特性曲線若電阻元件的伏安特性曲線不隨時(shí)間變化，則該元件為時(shí)不變電阻，如圖1-3-1中的圖(a)和圖(b)所示；否則為時(shí)變電阻，如圖1-3-1中的圖(c)和圖(d)所示。若電阻元件的伏安特性曲線為一條經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的直線，則稱其為線性電阻，如圖1-3-1中的圖(a)和圖(c)；否則為非線性電阻，如圖1-3-1中的圖(b)和圖(d)所示。所以，圖1-3-1中的圖(a)表示線性時(shí)不變電阻，圖(b)表示非線性時(shí)不變電阻，圖(c)表示線性時(shí)變電阻，圖(d)為非線性時(shí)變電阻。

線性時(shí)不變電阻在實(shí)際電路中應(yīng)用非常廣泛。本書主要討論線性時(shí)不變電阻，簡(jiǎn)稱線性電阻，在不加特殊說(shuō)明時(shí)，所說(shuō)的電阻均指線性電阻。

1.線性電阻

線性電阻作為一種理想電路元件，在電路圖中的圖形符號(hào)用R表示，如圖1-3-2所示。

它在電路中對(duì)電流有一定的阻礙作用，這種阻礙作用的大小叫電阻。電阻的大小與元件材料有關(guān)，而與通過(guò)其中的電流和端電壓無(wú)關(guān)。若給電阻通以電流i，這時(shí)電阻兩端會(huì)產(chǎn)生一定的電壓u。由線性電阻的伏安特性曲線可知，電壓u與電流i的比值為一個(gè)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)就是電阻R，即R=u/i，這就是物理學(xué)中介紹過(guò)的歐姆定律，其表達(dá)式可表示為

u=Ri(1-11)圖1-3-2線性電阻的圖形符號(hào)值得說(shuō)明的是，此公式是在電壓u與電流i為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)成立的。若u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向，則公式表示為

U=-Ri

(1-12)

在國(guó)際單位制(SI)中，電阻的單位為歐姆，簡(jiǎn)稱歐，其SI符號(hào)為Ω。一般情況下，說(shuō)“電阻”一詞及其符號(hào)R時(shí)既表示電阻元件也表示元件的參數(shù)。電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，用表示，即

(1-13)在SI中，電導(dǎo)的單位為西門子(Simens)，簡(jiǎn)稱西，其SI符號(hào)為S。

這樣，歐姆定律也可以表示為

i=Gu(u、i為關(guān)聯(lián)參考方向)

(1-14)或i=-Gu(u、i為非關(guān)聯(lián)參考方向)

(1-15)根據(jù)電阻值R的大小，在電路中有兩種特殊工作狀態(tài)：(1)當(dāng)R＝0時(shí)，根據(jù)歐姆定律u=Ri，無(wú)論電流i為何有限值，電壓u都恒等于零，我們把電阻的這種工作狀態(tài)稱為短路。

(2)當(dāng)R＝∞時(shí)，根據(jù)歐姆定律i=u/R，無(wú)論電壓u為何有限值，電流i都恒等于零，我們把電阻的這種工作狀態(tài)稱為開路。

2.線性電阻元件吸收的功率

當(dāng)電阻元件上的電壓u與電流i為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，元件吸收的功率為p=ui，將歐姆定律u=Ri或i=Gu，代入整理，得

p=ui=Ri2=Gu2(1-16)

若電阻元件上電壓u與電流i為非關(guān)聯(lián)參考方向，這時(shí)u=-Ri或i=-Gu，則元件吸收的功率為

p=-ui=Ri2=Gu2(1-17)由式(1-16)和式(1-17)可知，p恒大于等于零，說(shuō)明實(shí)際的電阻元件總是吸收功率，是耗能元件。

對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電阻元件，其元件參數(shù)主要有兩個(gè)：一個(gè)是電阻值，另一個(gè)是功率。

如果在使用時(shí)超過(guò)其額定功率，則元件將被燒毀。

例1-2

如圖1-3-3所示，已知R＝100kΩ，u＝50V，求電流i和i′，并標(biāo)出電壓u及電流i、i′的實(shí)際方向。圖1-3-3例1-2圖

解因?yàn)殡妷簎和電流i為關(guān)聯(lián)參考方向，所以

而電壓u和電流i′為非關(guān)聯(lián)參考方向，所以

或

i′=-i=-0.5mA

電壓u＞0，實(shí)際方向與參考方向相同；電流i>0，實(shí)際方向與參考方向相同；電流i′<0，實(shí)際方向與參考方向相反。從圖1-3-3中可以看出，電流i和i′的實(shí)際方向相同，說(shuō)明電流實(shí)際方向是客觀存在的，與參考方向的選取無(wú)關(guān)。1.3.2電容元件

在工程技術(shù)中，電容器的應(yīng)用極為廣泛。電容器雖然品種、規(guī)格各異，但就其構(gòu)成原理來(lái)說(shuō)，電容器都是由不同電介質(zhì)(如云母、絕緣紙、電解質(zhì)等)隔開的兩塊金屬極板組成的。當(dāng)在極板上加以電壓后，極板上分別聚集起等量的正、負(fù)電荷，并在介質(zhì)中建立電場(chǎng)而具有電場(chǎng)能量。將電源移去后，電荷可繼續(xù)聚集在極板上，電場(chǎng)繼續(xù)存在。所以電容器是一種能儲(chǔ)存電荷或者說(shuō)儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的部件，電容元件就是反映這種物理現(xiàn)象的電路模型。

1.線性電容

電容元件是儲(chǔ)存電場(chǎng)能的元件，它是實(shí)際電容器的理想化模型。一個(gè)二端元件，如果在任意時(shí)刻，其端電壓u與其儲(chǔ)存電荷q之間的關(guān)系能用u-q平面(或q-u平面)上的一條曲線所確定，就稱其為電容元件，簡(jiǎn)稱電容，其表示符號(hào)如圖1-3-4(a)所示。圖1-3-4線性時(shí)不變電容元件及其庫(kù)伏特性電容元件按其特性可分為線性電容和非線性電容。線性電容元件的外特性(伏庫(kù)特性)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，是u-q平面上一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，如圖1-3-4(b)所示；非線性電容的外特性(伏庫(kù)特性)是u-q平面上一條通過(guò)原點(diǎn)的曲線，本書主要涉及線性電容元件。

在電容元件上電壓與電荷的參考極性一致的條件下，在任意時(shí)刻，電荷量與其端電壓的關(guān)系為

q(t)=Cu(t)

(1-18)式(1-18)是電容的計(jì)算式，電容制造好后，電容量即為定值，其大小取決于制造電容的極板材料、面積、距離，極板間的介質(zhì)以及制造工藝等。

在SI中，電容的單位為法拉(Farad)，簡(jiǎn)稱法，其SI符號(hào)為F。由于法拉單位比較大，因此在實(shí)際使用時(shí)常用微法(μF)或皮法(pF)表示。

1μF=10-6F

1pF=10-12F

一般情況下，說(shuō)“電容”一詞及其符號(hào)C時(shí)，既表示電容元件也表示電容量的大小。

2.電容元件的電壓與電流關(guān)系(VCR)

如圖1-3-5所示，當(dāng)電流i與電壓u參考方向一致時(shí)，q=Cu。

由i=dq/dt

得

(1-19)圖1-3-5電容元件VCR關(guān)系由式(1-19)可知:

(1)流過(guò)電容的電流與其兩端的電壓變化率有關(guān)，而與其兩端的電壓大小無(wú)關(guān)。

(2)當(dāng)du/dt>0時(shí)，即dq/dt>0，i>0，說(shuō)明電容極板上電荷量增加，電容器充電。

(3)當(dāng)du/dt=0時(shí)，即dq/dt=0，i=0，說(shuō)明電容兩端電壓不變時(shí)電流為零，即電容在直流穩(wěn)態(tài)電路中相當(dāng)于開路，故電容具有隔斷直流的作用。

(4)當(dāng)du/dt<0時(shí)，即dq/dt<0，i<0，說(shuō)明電容極板上電荷量減少，電容器放電。

若電容上電壓u與電流i為非關(guān)聯(lián)參考方向，則

(1-20)

3.電容元件儲(chǔ)存的能量

當(dāng)電壓和電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，線性電容元件吸收的功率為

從t=-∞到t時(shí)刻，電容元件吸收的電場(chǎng)能量為

電容元件吸收的能量以電場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在元件的電場(chǎng)中?？梢哉J(rèn)為在t=-∞時(shí)，u(-∞)=0，其電場(chǎng)能量也為零，因此電容元件在任何時(shí)刻t儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量WC(t)即等于它吸收的能量，可寫為

(1-21)從t1到t2時(shí)刻，電容元件吸收的能量為

當(dāng)|u(t2)|>|u(t1)|時(shí)，WC(t2)>WC(t1)，電容元件充電；當(dāng)|u(t2)|<|u(t1)|時(shí)，WC(t2)<WC(t1)，電容元件放電。由上式可知，若元件原先沒(méi)有充電，則它在充電時(shí)吸收并儲(chǔ)存起來(lái)的能量一定又會(huì)在放電完畢時(shí)全部釋放，它并不消耗能量。所以，電容元件是一種儲(chǔ)能元件。同時(shí)，電容元件也不會(huì)釋放出多于它所吸收或儲(chǔ)存的能量，因此它也是一種無(wú)源元件。圖1-3-6例1-3圖

例1-3

電容元件上的電壓、電流方向如圖1-3-6所示，已知u=-60sin100tV，電容儲(chǔ)存能量最大值為18J，求電容C的值及t=2π/300s時(shí)的電流。

解由題意得t=2π/300s時(shí)電容元件兩端端電壓

根據(jù)公式(1-21)得

解之得

C≈0.013F

由題圖可知，電容元件上的電壓、電流方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向，根據(jù)公式(1-19)得

1.3.3電感元件

電感元件是實(shí)際電路中儲(chǔ)存電磁場(chǎng)能量的元件的模型，凡是電流及其磁場(chǎng)存在的場(chǎng)合總可以用電感元件來(lái)加以描述。

1.電感元件

電路中的一個(gè)二端元件，如果在任意時(shí)刻，通過(guò)它的電流i與其磁鏈Ψ之間的關(guān)系可用Ψ—i平面(或i—Ψ平面)上的曲線所確定，就稱其為電感元件，簡(jiǎn)稱電感。其電路模型如圖1-3-7(a)所示。電感元件也分為線性電感和非線性電感。線性電感元件的外特性(韋安特性)是Ψ—i平面上一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，如圖1-3-7(b)所示，當(dāng)規(guī)定磁鏈Ψ的參考方向與電流i的參考方向之間符合右手螺旋定則時(shí)，在任意時(shí)刻，磁鏈與電流的關(guān)系為

Ψ(t)=Li(t)

上式中，L稱為元件的電感。在SI中，電感的單位為亨利，簡(jiǎn)稱享，其SI符號(hào)為H。一般情況下，“電感”一詞及其符號(hào)L，既表示電感元件也表示元件的參數(shù)。

本書只討論線性電感元件。圖1-3-7線性電感元件

2．電感元件的電壓與電流關(guān)系(VCR)

當(dāng)磁鏈Ψ隨時(shí)間變化時(shí)，在線圈的兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果感應(yīng)電壓的參考方向與磁鏈滿足右手螺旋定則，如圖1-3-8所示，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，有

(1-22)圖1-3-8電感元件電壓與電流的關(guān)系若電感上電流的參考方向與磁鏈滿足右手螺旋定則，則Ψ＝Li，代入式(1-22)，得

(1-23)

式(1-23)稱為電感元件的電壓與電流約束關(guān)系(VCR)。由于電壓和電流的參考方向與磁鏈都滿足右手螺旋定則，因此電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向。

由式(1-23)可知，當(dāng)電流i為直流穩(wěn)態(tài)電流時(shí)，di/dt=0，故u=0，說(shuō)明電感在直流穩(wěn)態(tài)電路中相當(dāng)于短路，有通直流的作用。若電感上電壓u與電流i為非關(guān)聯(lián)參考方向，則

(1-24)

3．電感元件儲(chǔ)存的能量

在電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向下，線性電感元件吸收的功率為

(1-25)從-∞到t時(shí)刻，電感吸收的磁場(chǎng)能量為

(1-26)

由于在t=-∞時(shí)，i(-∞)=0，代入式(1-26)中，得

(1-27)這就是線性電感元件在任何時(shí)刻的磁場(chǎng)能量表達(dá)式。

從t1到t2時(shí)刻，線性電感元件吸收的磁場(chǎng)能量為

當(dāng)電流|i|增加時(shí)，WL>0，元件吸收能量；當(dāng)電流|i|減小時(shí)，WL<0，元件釋放能量?？梢?jiàn)電感元件并不是把吸收的能量消耗掉，而是以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在磁場(chǎng)中。所以，電感元件是一種儲(chǔ)能元件。同時(shí)，它不會(huì)釋放出多于它所吸收或儲(chǔ)存的能量，因此它也是一種無(wú)源元件。

例1-4

已知電感電流i=100e-0.02tmA，L=0.5H，求：(1)電壓表達(dá)式；

(2)t=0時(shí)的電感電壓；

(3)t=0時(shí)的磁場(chǎng)能量(u、i參考方向一致)。

解

(1)由電感元件的電壓、電流關(guān)系可知

(2)t=0時(shí)的電感電壓

u=-e-0.02t=-e-0.02×0=-1mV

(3)t=0時(shí)的磁場(chǎng)能量

1.額定值為1W、100Ω的碳膜電阻，在使用時(shí)電流和電壓不得超過(guò)多大值？

2.電容和電感均能向外提供能量，為什么說(shuō)它們是無(wú)源元件？【思考與練習(xí)題】1.4.1電壓源

端電壓固定或按照某給定規(guī)律變化而與流過(guò)其電流無(wú)關(guān)的二端元件，稱為理想電壓源，簡(jiǎn)稱電壓源。我們把端電壓為常數(shù)的電壓源稱為直流電壓源，其圖形符號(hào)及伏安特性曲線如圖1-4-1所示。圖(a)為直流電壓源模型；圖(b)為其伏安特性曲線；圖(c)為理想電壓源模型；圖(d)為其在t1時(shí)刻的伏安特性曲線，它同樣為一定值而與其電流無(wú)關(guān)，當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，其輸出電壓可能改變，但仍為平行于i軸的一條直線。1.4電源元件圖1-4-1電壓源及其伏安特性曲線電壓源具有以下特點(diǎn)：

(1)電壓源的端電壓uS是一個(gè)固定的函數(shù)，與所連接的外電路無(wú)關(guān)。

(2)通過(guò)電壓源的電流由電壓源和外接電路共同決定。電壓源連接外電路時(shí)有以下幾種工作情況，如圖1-4-2所示。圖1-4-2電壓源與負(fù)載的連接

(1)當(dāng)外電路的電阻R=∞時(shí)，電壓源處于開路狀態(tài)，I＝0，其對(duì)外提供的功率P=0。

(2)當(dāng)外電路的電阻R＝0時(shí)，電壓源處于短路狀態(tài)，I=∞，其對(duì)外提供的功率P=∞。

這樣，短路電流可能使電壓源過(guò)熱損傷或毀壞，因此電壓源短路通常是一種嚴(yán)重事故，應(yīng)該盡力預(yù)防。

(3)當(dāng)外電路的電阻為一定值時(shí)，電壓源對(duì)外輸出的電流I=US/R，對(duì)外提供的功率等于外電路電阻消耗的功率，即P=U2/R，R越小，則P越大。而對(duì)于一個(gè)實(shí)際電壓源來(lái)說(shuō)，它對(duì)外提供的功率是有一定限度的，因此在連接外電路時(shí)，要考慮電壓源的實(shí)際情況，詳細(xì)閱讀說(shuō)明書。1.4.2電流源

元件電流固定或按照某給定規(guī)律變化而與其端電壓無(wú)關(guān)的二端元件，稱為理想電流源。

我們常把電流為常數(shù)的電流源稱為直流電流源，其圖形符號(hào)及伏安特性曲線如圖1-4-3所示。圖(a)為直流電流源模型；圖(b)為其伏安特性曲線；圖(c)為理想電流源模型；

圖(d)為其在t1時(shí)刻的伏安特性曲線，它同樣為一定值而與其電壓無(wú)關(guān)，當(dāng)時(shí)間變化時(shí)，其輸出電流可能改變，但仍為平行于u軸的一條直線。圖1-4-3電流源及其伏安特性曲線電流源具有以下特點(diǎn)：

(1)電流源的電流iS是一個(gè)固定的函數(shù)，與所連接的外電路無(wú)關(guān)。

(2)電流源的端電壓由電流源和外接電路共同決定。

上述電壓源對(duì)外輸出的電壓為一個(gè)獨(dú)立量，電流源對(duì)外輸出的電流也為一個(gè)獨(dú)立量，因此二者常被稱為獨(dú)立電源。1.4.3受控源

如果電路向外連接有兩個(gè)端子，從一個(gè)端子流入的電流恒等于從另一個(gè)端子流出的電流，則我們把這兩個(gè)端子稱為一個(gè)端口。受控源一般由兩個(gè)端口構(gòu)成，一個(gè)稱為輸入端口或控制端，是施加控制量的端口，所施加的控制量可以是電流也可以是電壓；另一個(gè)稱為輸出端口或受控端，是對(duì)外提供電壓或電流的。輸出端是電壓的稱為受控電壓源，受控電壓源又按其輸入端的控制量是電壓還是電流分為電壓控制電壓源(VCVS，VoltageControlledVoltageSource)和電流控制電壓源(CCVS，CurrentControlledVoltageSource)兩種。

輸出端是電流的稱為受控電流源，同樣，受控電流源也按其輸入端的控制量是電壓還是電流分為電壓控制電流源(VCCS，VoltageControlledCurrentSource)和電流控制電流

源(CCCS，CurrentControlledCurrentSource)兩種。受控源就是從實(shí)際電路中抽象出來(lái)的四端理想電路模型。例如晶體三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，其集電極電流受到基極電流的控制；運(yùn)算放大器的輸出電壓受到輸入電壓的控

制等，都可以看成是受控源，這些器件的某些端口電壓或電流受到另外一些端口電壓或電流的控制，并不是獨(dú)立的，因此又把受控源稱為非獨(dú)立電源。

4種受控源的端口電壓和電流關(guān)系分別為

電壓控制電壓源(VCVS)

(1-28)

電流控制電壓源(CCVS)

(1-29)電壓控制電流源(VCCS)

(1-30)

電流控制電流源(CCCS)

(1-31)式中，μ、r、g、α是控制系數(shù)，其中μ和α無(wú)量綱，r和g分別具有電阻和電導(dǎo)的量綱。當(dāng)這些系數(shù)為常數(shù)時(shí)，被控電源數(shù)值與控制量成正比，這種受控源稱為線性受控源，

本書只涉及這類受控源。圖1-4-4分別給出了這4種受控源的電路符號(hào)。圖1-4-4受控源的四種形式受控源有兩個(gè)端口，但由于控制口功率為零，它不是開路就是短路，因此，在電路圖中，不一定要專門畫出控制口，只要在控制支路中標(biāo)明該控制量即可。如圖1-4-5所示，兩者本質(zhì)上是相同的，但圖(a)就簡(jiǎn)單明了。圖1-4-5含受控源的電路1.5.1電路中的常用術(shù)語(yǔ)

(1)支路：一般來(lái)說(shuō)，常把電路中流過(guò)同一電流的幾個(gè)元件互相連接起來(lái)的分支稱為一條支路。圖1-5-1所示的電路中有3條支路，分別為ADB、AEB、ACB。

(2)節(jié)點(diǎn)：一般來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)是指3條或3條以上支路的連接點(diǎn)。圖1-5-1所示的電路中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)。1.5基爾霍夫定律圖1-5-1電路的基本概念

(3)回路：由一條或多條支路所組成的任何閉合電路稱為回路。圖1-5-1所示的電路中有3個(gè)回路，分別為ADBCA、ADBEA、AEBCA。

(4)網(wǎng)孔：在電路圖中，內(nèi)部不含支路的回路稱為網(wǎng)孔。圖1-5-1所示的電路中有兩個(gè)網(wǎng)孔，分別為ADBEA和AEBCA。1.5.2基爾霍夫電流定律

基爾霍夫電流定律(Kirchhoff’sCurrentLaw)簡(jiǎn)稱KCL。它是根據(jù)電流的連續(xù)性，即電路中任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻均不能堆積電荷的原理推導(dǎo)來(lái)的。在任一時(shí)刻，流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流之和等于從該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和，這就是基爾霍夫電流定律。圖1-5-2一般節(jié)點(diǎn)例如，在圖1-5-2所示的電路中，各支路電流的參考方向已選定并標(biāo)于圖上，對(duì)節(jié)點(diǎn)A，KCL可表示為

i1+i4=i2+i3+i5

或

i1-i2-i3+i4-i5=0

寫成一般形式為

∑i=0

(1-32)對(duì)于直流電路也可以寫成

∑I=0

從上述過(guò)程可知，若將任意一個(gè)回路看做一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)叫做廣義節(jié)點(diǎn)，則基爾霍夫電流定律可以擴(kuò)展為：流入一個(gè)回路的電流之和等于流出該回路的電流之和。在圖1-5-3(a)中，對(duì)于回路2-3-4-2，

i1+i2+i3=0

在圖1-5-3(b)中，i=0；在圖1-5-3(c)中，i=0。圖1-5-3廣義節(jié)點(diǎn)圖1-5-4例1-5圖

例1-5

在圖1-5-4中，已知I1＝2A，I2＝-3A，I3＝-2A，試求I4。

解由基爾霍夫電流定律可列出

I1-I2+I3-I4=0

即

2-(-3)+(-2)-I4=0

得

I4=3A1.5.3基爾霍夫電壓定律

基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff’sVoltageLaw)簡(jiǎn)稱KVL。它是根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)出來(lái)的。當(dāng)單位正電荷沿任一閉合路徑移動(dòng)一周時(shí)，其能量不改變。即在任一時(shí)刻，電路中任一閉合回路內(nèi)各段電壓的代數(shù)和恒等于零，這就是基爾霍夫電壓定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

∑u=0

(1-33)圖1-5-5KVL的應(yīng)用

在直流電路中，可表示為

∑U=0

式(1-33)取和時(shí)，需要任意選定一個(gè)回路的繞行方向，凡電壓的參考方向與繞行方向一致時(shí)，該電壓前面取“＋”號(hào)；凡電壓的參考方向與繞行方向相反時(shí)，則取“—”號(hào)。圖1-5-5所示的電路是某電路的一個(gè)回路，則有

UAB+UBC+UCD+UDE-UFE-UAF=0

也可以寫成

UAF+UFE=UAB+UBC+UCD+UDE

例1-6

有一閉合回路如圖1-5-6所示，各支路的元件是任意的，已知UAB=5V，UBC=-4V，UDA=-3V。試求：

(1)UCD；(2)UCA。圖1-5-6例1-6圖

解

(1)由基爾霍夫電壓定律可列出

UAB+UBC+UCD+UDA=0

即5＋(-4)＋UCD＋(-3)=0

得UCD=2

V

(2)ABCA不是閉合回路，也可應(yīng)用基爾霍夫電壓定律列出

UAB+UBC+UCA=0

即5＋(-4)＋UCA=0

得

UCA=-1V

例1-7

在如圖1-5-7所示的電路中，已知R1＝10kΩ，R2＝20kΩ，US1＝6V，US2＝6V，UAB＝-0.3V。試求電流I1、I2和I3。圖1-5-7例1-7圖

解對(duì)回路1應(yīng)用基爾霍夫電壓定律得

-US2+R2I2+UAB=0

即-6＋20I2＋(-0.3)=0

故I2＝0.315mA

對(duì)回路2應(yīng)用基爾霍夫電壓定律得

US1+R1I1-UAB=0

即6+10I1-(-0.3)=0

故I1=-0.63mA對(duì)節(jié)點(diǎn)1應(yīng)用基爾霍夫電流定律得

-I1+I2-I3=0

即-0.63＋0.315-I3=0

故I3=-0.315mA

例1-8

在如圖1-5-8所示的電路中，設(shè)節(jié)點(diǎn)B為參考點(diǎn)，求電位VC、VA、VD。

解在節(jié)點(diǎn)A上應(yīng)用KCL，得

I＝4＋6＝10A

VA=UAB=6I=