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第一章 电路的基本概念及电路元件 1.1 电路的组成及其作用 1.2 电路模型 1.3 电路的基本物理量及其方向 1.4 无源电路元件 1.5 有源电路元件 1.6 电路的工作状态 电信号 1.1 电路的组成及其作用 电路: 电流的通路 发电机 升压 变压器 降压 变压器 输电线 电灯 电动机 电炉 电源 能量传输 能量转换 （能量的角度） 负载 语言 音乐 放 大 器 语言 音乐 电路实例： （信息） 电信号 （放大）（还原） 传递 处理 信号源 负载 （信息） 电路的组成： 电路=电源（或信号源）+中间环节+负载 传递和处理信号 实现电能的传输和转换 电路的作用 电工技术中将提供电能的设备称为电源，而电子 技术中将换能设备称为信号源。如扩音机中的话 筒就是信号源，相当于电源，但与发电机和电池 不同。 电路模型：由理想电路元件组成的电路 1.2 电路模型 构成实际电路的元器件种类繁多，形状各异，给 分析和设计带来困难；另一方面，只有对各种元 器件的特性建立了数学模型，才可能对电路进行 深入分析。 对实际电路的特性进行分析、抽象，将电路的主 要性能用数学方法表达出来，再利用一些具有特 定、理想化特性的元件（理想元件）重构出来的 电路，称为原电路的模型。 电路模型中，构成电路的不再是千差万别的各种实际 元器件，而是数量有限的理想元件，具有很好的规范 性。有利于设计、交流。 常用理想元件符号 电阻元件 电压源 电流源 电容元件 电感元件 电池 R C L - E US +- IS 从电路的作用看，无论是着眼于能量还是信息， 电路的工作都有两个量需要讨论： 激励：电源或信号源的电压或电流。 响应：激励在电路中各部分产生的电压与电流。 电路的激励与响应 电路分析 电路中，激励和响应变量一般采用电压与电流，只 在某些特殊情况下才将功率、电荷等作为变量。 所谓电路分析，就是在已知电路结构和元件参数的 条件下，讨论电路的激励与响应之间的关系。 1.3 电路的基本物理量及其方向 在进行电路分析和设计过程中，经常使用的物理量有： 电 流 电 压 电 功 率 电 动 势 电 位 电流及其参考方向 电流的概念 电路中电荷流动量的度量，它表示单位时间流过电路 中某一截面的净电荷量。 电流的符号与单位 电荷流动不仅有数量，也有方向，因此，电流是具有 方向的。 电路中用 I 或 i 表示电流 电流 i(或 I)=dq/dt(或Q/t) 电流的单位是安培（A） 1安培（A）103毫安(mA)106微安(A) 103千安(KA) 电流的方向及其表示、参考方向的概念 电流的真实方向定义为正电荷流动的方向。 表示电流的方向有两种方式：箭头、双下标 部分电路 ba i 例：a流向b的电流， 可以如图表示。也可 以用双下标表示成 iab 电流既然具有方向性，就不能单用数值来表示，必 须同时标定其方向。但在对电路分析之前显然不能 确定电流的真实方向。 由于电流的方向只有两个取 向，因此，我们可以先假设 电流的方向，然后用电流数 值的正、负表示电流真实方 向与假设的方向之间的关系 。称此假设的方向为电流的 参考方向。 电流的参考方向用箭头在电路中标出。有了参考 方向，就把带方向的电流变量转变成了代数量， 便于实施电路分析。 部分电路 ba i 电压的概念 电路中电场强弱的是度量，它表示单位正电荷从电 路中一点移动到另一点电场所作的功，即在移动过 程中单位正电荷所失去的电位能。 电压的符号与单位 电场对电荷作用有方向，因此，电压也具有方向。 电路中用 U 或 u 表示电压 电压 u(或 U)=dW/dq 电压及其参考方向 电压的单位是伏特（V） 1伏特（V）103毫伏(mV)106微伏（V) 103千伏(KV) 电压的方向及其表示、参考方向的概念 电压的真实方向定义为电位降低的方向。 表示电压的方向有三种方式：正负号、箭头、双下标 部分电路 ba u 例：a、b之间的电压， 可如图表示。也可用双 下标表示成 uab 电压既然具有方向性， 也不能单用数值来表示 ，必须同时标定其方向 。但在对电路分析之前 显然也不能确定电压的 真实方向。 由于两点之间电压只可能有两个方向，因此，我们 可以先假设电压的方向，然后用电压数值的正、负 表示电压真实方向与假设的方向之间的关系。称此 假设的方向为电压的参考方向。 电压的参考方向用箭头在电路中标出。有了参考方 向，就把带方向的电压变量转变成了代数量，便于 实施电路分析。 部分电路 ba u 同一电路元件上既有电流参考方向，也有电压参考方 向。作为参考方向，都是人为假设的，两者之间没有 实际联系。 但是，为了分析的方便，我们在一个元件上定义 两个独立的参考方向是不合适的。因此，通常我 们在分析电路时采用所谓关联的参考方向： 在同一电路元件或电路部分，电压和电流的参考方向 采用一致的方向。否则，称为非关联参考方向。 电流、电压参考方向之间的关系 部分电路 ba u，i 电源力把单位正电荷从电源的低 电位端经电源内部移到高电位端 所做的功称为电动势。 电动势的概念 电动势的符号与单位 电路中用 E 表示电动势。 其单位是伏特（V）。 电动势的方向 电动势的方向规定为从电源的负极指向正极。 通常用电动势来衡量电源对电荷做功的能力。 a Vb Uab RL 电动势及其参考方向 电位的概念 电位是描述电场的一个标量物理量，是一个相对量，只 有定义了参考点，电位才有意义。电位的单位是伏特。 参考点及其参考电位 为了分析方便，在电路中选取一个结点为参考点，并设 参考点的电位（参考电位）为 0 伏特。称为“接地” 并用接地符号“”标出。 电 位 电位与电压的关系 定义了参考结点后，电路中每个结点都有一个电位 值。两个结点之间的电压实际上就是两结点电位之 差，因此，电压也称为“电位差”。 结点电位实际上就是该结点到参考结点之间的电压。 电位的计算 计算电路中某点的电位，过程可分两步进行： （1）在电路中设定参考结点 一般选择电压源的一端、连接支路最多的结点为参 考结点。 （2）计算各结点到参考结点的电压 因为某结点的电位就是它到参考结点的电压，因此 ，电位的计算可转化为电压的计算。 3 5 2 I 6V 4V 10V A B DC E 1、以E为参考点时；VE，VD，VB为多少？例： 2、以C为参考点时；又为多少？ 解： 1）以E为参考点时 VE = 0V VD = -0.85 = - 4V VB = -0.8(5+2) = -5.6V2）以C为参考点时 VE = - 6V VD = -0.85 - 6= - 10V VB = -6 - 0.8(5+2) = -11.6V 电功率：电路元件消耗电能快慢的度量，它表示单位时 间内电路元件消耗的电场能量。 电功率的符号与单位 电路中用 P 或 p 表示电功率 电功率 p(或 P )=dW/d t 在关联参考方向时 功率的单位为瓦特（W） 电功：正电荷从电路元件的电压“+”极，经元件移到 电压的“-”极，电场力对电荷要做功，称为电功。其 电位为焦耳（J）。 电功与电功率 a I R U b 设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电路的电 流为 I， 则这部分电路消耗的功率为: 功率有无正负？ 如果U I方向不一 致结果如何？ 在 U、 I 为关联参考方向的前提下， 或 I RU a b “吸收功率” （负载） “发出功率” （电源） 若 P = UI 0 若 P = UI 0 I U a b + - 根据能量守衡关系P（吸收）= P（发出） I R U b a 当 计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向 一致，此部分电路消耗电功率，为负载。 所以，从 P 的 + 或 - 可以区分器件的性质， 或是电源，或是负载。 结 论 在进行功率计算时，如果假设 U、I 正方向一致。 当计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向 相反，此部分电路发出电功率，为电源。 伏 - 安 特性 i u u i R i u 线性电阻 电阻 R （常用单位：、k、M ） 非线性电阻 i u 1.4 无源电路元件 电感 L： u i （单位：H, mH, H） 单位电流产生的磁链 线圈 匝数 磁通 电感中电流、电压的关系 e u i 当 (直流) 时, 所以,在直流电路中电感相当于短路. L 线圈 面积 线圈 长度 磁导率 电感和结构参数的关系 线性电感:L=Const (如:空心电感 不变) 非线性电感 : L = Const (如:铁心电感 不为常数) u e i 电感是一种储能元件, 储存的磁场能量为： 电感的储能 电容 C： 单位电压下存储的电荷 （单位：F, F, pF） + + - - - - +q -q u i 电容符号 有极性无极性 + _ 电容上电流、电压的关系 当 (直流) 时, 所以,在直流电路中电容相当于断路。 u i C 极板 面积 板间 距离 介电 常数 电容和结构参数的关系 线性电容:C=Const ( 不变) 非线性电容:C = Const ( 不为常数) u i C 电容的储能 电容是一种储能元件, 储存的电场能量为： 无源元件小结 理想元件的特性 （u 与 i 的关系） LCR 实际元件的特性可以用若干理想元件来表示 例： 电感线圈 L ：电感量 R：导线电阻 C：线间分布电容 参数的影响和电路的工作条件有关。 U R1 R2 L C R1 UR2 U为直流电压时, 以上电路等效为 注意 L、C 在不同电路中的作用 电压源 伏安特性 电压源模型 I U E U I RO + - E Ro越大 斜率越大 主要讲有源元件中的两种电源：电压源和电流源。 1.5 有源电路元件 理想电压源 （恒压源）: RO= 0 时的电压源. 特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。 即 Uab E； （2）电源中的电流由外电路决定。 I E + _ a b Uab 伏安特性 I Uab E 恒压源中的电流由外电路决定 当R1 R2 同时接入时， R2 2 I E + _ a b Uab2 R1 设: E=10V 例 当R1接入时 ，则： I=10A I=5A 恒压源特性中不变的是：_ UabE 恒压源特性中变化的是：_ I _ 会引起 I 的变化。外电路的改变 I 的变化可能是 _ 的变化， 或者是_ 的变化。 大小 方向 + _ I 恒压源特性小结 E Uab a b R 电流源 Is U I 伏安特性 RO RO越大 特性越陡 电流源模型 IS RO a b U I 理想电流源 （恒流源): RO= 时的电流源. 特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电 流源电流 IS； a b I Uab Is I Uab IS 伏 安 特 性 （2）输出电压由外电路决定。 R=1 时， 恒流源两端电压由外电路决定 I UIsR R=10 时， U = 设: IS=1 A 则: 例 U =10 V 1V 恒流源特性小结 恒流源特性中不变的是：_ I=Is 恒流源特性中变化的是：_ Uab _ 会引起 Uab 的变化。 外电路的改变 Uab的变化可能是 _ 的变化， 或者是 _的变化。 大小 方向 a b I UabIsR 电压源中的电流 如何决定？电流 源两端的电压等 于多少？ 例I=？ E R _ + a b Uab=? Is 原则：Is不能变，E 不能变。 电压源中的电流 恒流源两端的电压 I= IS 恒压源与恒流源特性比较 Uab = E （常数） Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 Uab 无影响。 恒压源恒流源 不 变 量变 化 量 E + _ a b I Uab I a b UabIs I = Is （常数） I 的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 I 无影响。 输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均 由外电路决定 端电压Uab 可变 - Uab 的大小、方向 均由外电路决定 有载工作状态 电源元件接有负载元件，存在电功率的传递，这种工 作状态称为电路的有载工作状态。 额定工作状态、额定值 元器件生产厂商根据产品特点，规定元器件正常 运行的工作条件称为额定工作状态。 在额定工作状态下元器件的各项指标参数称为额 定值。由厂家的产品技术指标给出。 例如：某指示灯额定工作状态为12V、50Hz交流， 额定功率为5W。 说明：该灯正常工作应接在12V、50Hz交流电源上 ，此时，该灯功率为5W。 1.6 电路的工作状态 开路工作状态 当电路中