电子与电路第1章

电路与电子学浙江理工大学信电学院杨俊秀1教材及参考书—《电路与电子学》教材：《电路与电子学》麻寿光主编高等教育出版社《电子线路线性部分

》谢嘉奎主编高等教育出版社

参考书：电工学》顾伟驷高等教育出版社《2电路电子学直流电路交流电路电动机半导体器件放大电路稳压电源信号、功率放大振荡器运算放大器主要教学内容3主要教学环节习题独立完成作业，按时交作业。紧跟老师讲课思路，搞清基本概念，注意解题方法和技巧。课堂教学实验注意理论联系实际，掌握常用仪器、仪表的使用方法，验证与探索相结合。4第一章电路基本概念及电路元件1-1电路的组成要素

（a）(b)（a）实物剖面图（b）电路原理图5

电路是电流的通路，是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成。电路的组成：电源、负载和导线、开关等。实际电路电路模型E+–SIR6电路的基本组成部分：1、电源：为电路提供电能的设备，如干电池、发电机。2、负载：取用电能并将电能转换成所需的光能、机械能、热能或其他形式能量的设备，如电灯、电动机、电炉。3、连接线：连接电源、负载及其他设备或元件形成电流的通路，如金属导线。4、控制装置：用以控制电路的工作，如开关、继电器。5、保护装置：当电路出现故障时及时断开电路的器件，如保险丝。7手电筒的电路模型R+RoE–S+U–I电池导线灯泡开关

电池是电源元件，其参数为电动势E和内阻Ro；

灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；

筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。

开关用来控制电路的通断。电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。8电池的容量电池容量是指电池在特定条件下可以提供的能量的数值。

电池释放能量的条件：温度、放电电流(放电速度)放电完成后的最终输出电压。

普通的手电筒电池，放电电流从300mA减小到50mA时，它提供的能量大约可增加两倍。温度从21度下降到5度，其容量下降30%。

1-2电池

9电池的内部电阻例1-1电压为6V的电池组，其内电阻为0.15欧姆，当负载的电流是3.4A时，电池组两端的电压是多少？解：UL=U0－（IL×RS）=6－（3.4×0.15）=5.49V101-3电阻元件电阻元件的分类:可变电阻（电位器）1-5可调电阻实物图图1－6联动电位器11固定电阻12电阻的额定功率为安全起见，在选用电阻时其额定功率要大于此电阻在电路中功率的实际值。通常可按电阻在电路中功率的实际值或计算值的两倍确定选用电阻的额定功率。例１-２1000Ω的电阻接在100Ｖ电压上其消耗的功率是多少？这个电阻的额定功率应为多少？解：电阻消耗的功率是10W。用上面所述的经验法则，额定功率应是计算值的两倍。因此，选用额定功率为20W的电阻。13电阻器的种类碳合成电阻

线绕电阻

金属陶瓷电阻镀层薄膜电阻

电阻网络（排电阻）图1-9排阻实物图绕线电阻14贴片电阻热敏电阻图1-10贴片电阻实物图热敏电阻151－4电容元件(储存电场能量)图1-11电容器的结构图（电介质）图1-12电容器的充电16电容元件符号与电容量的单位电容的基本单位是法拉（1F=1C/1V=1库仑/1伏特）电容值常用微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）作为单位：1F=106μF＝109nF=1012pF或：1μF＝10－6F1nF=10-9F1pF=10-12F17例1-3两个极板由面积为10cm×10cm，由厚为3mm，相对介电常数为4的云母分隔，确定它的电容量。解：A=10×10-2m×10×10-2m=100×10-4m2d=3×10-3m

εo=8.85×10ˉ12F/mC=εo

εr·A/d=8.85×10-12×4×10-2/(3×10-3)=1.18×10-10=118pF18电容器的种类及特性铝电解电容器图1-13铝电解电容器实物图19钽电解电容器钽是导电性的金属材料，钽电解电容器用钽粉做电解电容器的电极、钽粉外的5氧化二钽（Ta2O5）作电介质。比铝电解电容器稳定，可靠，寿命长。常用于小型高可靠的电路中。图1-14钽电容器实物图20薄膜电容器薄膜电容器用聚丙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯和聚酯等低损耗塑材代替纸作为电介质，相对纸质电容器来说频率特性好，介电损耗小，稳定，泄漏电流更小。电容值一般都小于1μF。图1-15薄膜电容器实物图21独石电容器常用于噪声旁路、滤波器、积分、振荡电路。陶瓷电容器适合于一般应用，被广泛的应用在小电容量的场合。电容值一般是从1pF

到0.27μF，耐压为25V，50V，100V。用于高稳定振荡回路中。

图1-16独石电容器实物图图1-17陶瓷电容器实物图22可变电容器和微调电容器电容器的电容量随极板有效面积或极板间距的变化而变化。极板有多个动片和定片，通过旋转动片使极板有效面积产生改变。微调电容器同样可改变电容器的容量，不适合在需反复调试的场合使用。微调电容器的最大电容典型地从大约2pF到100pF变化。23

1-5电感元件（储存磁场能）

电感通常就是线圈。由导线一圈靠一圈地绕在绝缘支架上制成。绝缘支架可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯。电感在电路中反抗电流改变、储存磁场能量。电感的符号L、基本单位是亨利（H），高频电路中的电感一般小于1微亨,低频电路，5亨的电感很常见。图1－19通电线圈产生电磁场24决定电感量的因素 确定电感器的电感量主要有四个因素：1．磁芯的材料类型2．线圈的匝数3．线圈匝间的间隔4．线圈或铁芯的直径

25铁芯电感的电感量可由下式计算：

式中：L—电感量，单位为亨（H）；

μr—铁芯材料相对磁导率；

N—线圈的匝数；a—铁芯的截面积

，单位m2；l—磁路的平均长度，单位m；对单层空芯线圈，如果线圈的长度比线圈直径大10倍以上，也可用上述公式计算，式中的l这时是线圈的长度

26例11-4：计算如图11-8所示线圈的电感量解：平均磁路长度

l=4×10cm=40cm=0.4m

平方面积为

a=(0.02)2=4×10-4m227电感种类可变电感空芯电感器铁氧体和铁粉磁芯电感器

环形电感器

图1-20可变电感器图1-21空芯电感器图1-22铁芯电感器图1-23环形电感器带有磁心的电感陶瓷电感铁氧体电感28色码电感器叠片铁芯电感

图1-24色码电感器图1-25叠片铁芯电感器29物理量实际方向电流I正电荷运动的方向电动势E

(电位升高的方向)

电压U(电位降低的方向)高电位

低电位

单位kA、A、mA、μA低电位

高电位kV、V、mV、μVkV、V、mV、μV物理中对基本物理量规定的方向电路基本物理量的实际方向1-6电路的基本物理量

30电流及其参考方向：单位时间内通过导体截面的电量。电流的基本单位为安培（简写为A）。电流常用的单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）及纳安（nA）等，关系为：

1kA＝103A1mA＝10-3A1μA＝10-6A1nA＝10-9A31

在复杂电路中难于预先判断某段电路中电流的实际方向，从而影响电路求解。问题电流方向ba,ab？abR5R2R1R3R4R6++E1E2E＋¯＋URIab电压、电流实际方向：¯32

在解题前先任意选定一个方向，称为参考方向（或正方向）。依此参考方向，根据电路定理、定律列电路方程，从而进行电路分析计算。解决方法:计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为负，实际方向与假设方向相反。

由计算结果可确定U、I

的实际方向：33例：图示电路E＝－10V,R=100Ω，试确定电流的大小和方向。图1-26解：电流的实际方向显而易见，从电源负极流出，流向电源正极的.34电压及其参考方向两点之间的电位之差即是两点间的电压。在如图1-28电路中，ab两点间的U电压为：

U=Ua－Ub式中的Ua为a点的电位，Ub为b点的电位。图1－2835

从电场力做功概念定义，电压就是将单位正电荷从电路中一点移至电路中另一点电场力做功的大小。用数学式表示，即为

dq为由a点移至b点的电荷量,库仑(C)，

dw是为移动电荷dq电场力所做的功，焦耳(J)。u是ab两点间的电压,u表示时变量。大写字母U表示直流电压。电压的单位是伏特(V),1V电压相当于移动1C正电荷电场力所做的功为1J。

有时用千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)作电压单位。36规定电位真正降低的方向为电压的实际方向。电压方向用箭头表示，箭头方向由高电位端指向低电位端。在电路中，电压的实际方向不易判别时，为便于解题，常任意假定电压的参考方向。图1－2737欧姆定律U、I参考方向相同时，U、I参考方向相反时，RU+–IRU+–I

表达式中有两套正负号：

①式前的正负号由U、I

参考方向的关系确定；

②

U、I

值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。通常取

U、I

参考方向相同。U=IR

U=–IR38解：对图(a)有,U=IR例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。对图(b)有,U=–IRRU6V+–2AR+–U6V

I(a)(b)I–2A39电流电压的关联方向、非关联方向及欧姆定律图1－27元件R3所标I、U的方向为关联，欧姆定律：U=R3I图1－28元件R所标的I、U的方向为非关联方向，欧姆定律：U=-RI图1－27图1－2840(2)参考方向的表示方法电流：Uab

双下标电压：

(1)参考方向IE+_在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。Iab

双下标物理量的参考方向aRb箭标abRI正负极性+–abU

U+_41实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。实际方向与参考方向的关系注意：

在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。若

I=5A，则电流从a流向b；例：若I=–5A，则电流从b流向a

。abRIabRU+–若

U=5V，则电压的实际方向从a指向b；若U=–5V，则电压的实际方向从b指向a。423.为方便列电路方程，习惯假设I与U

的参考方向一致（关联参考方向）。

2.在解题前，先假定电压电流的“参考方向”，然后再列方程求解。当参考方向与实际方向一致时为正，否则为负。

小结1.电压电流“实际方向”是客观存在的物理现象，“参考方向”是人为假设的方向。43

设电路任意两点间的电压为U，电流为I,则这部分电路消耗的功率为电路功率如果假设方向不一致怎么办？功率有无正负？问题：bIRUa+-P=UI44若计算的结果P>

0,此部分电路吸收电功率

（消耗能量）,为负载。若计算结果P<0,此部分电路输出电功率（提供能量）,为电源

。P=UIbIRUa+-45电源与负载的判别U、I参考方向不同，P=UI

0，电源；

P=UI

0，负载。U、I参考方向相同，P=UI0，负载；

P=UI

0，电源。

1.

根据U、I的实际方向判别2.

根据U、I的参考方向判别电源：

U、I实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；负载：

U、I实际方向相同，即电流从“-”端流出。

（吸收功率）。46电气设备的额定值额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：I<IN

，P<PN(不经济)

过载(超载)：

I>IN

，P>PN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN

，P=PN

(经济合理安全可靠)

1.额定值反映电气设备的使用安全性；2.额定值表示电气设备的使用能力。例：灯泡：UN=220V

，PN=60W电阻：RN=100

，PN=1W47已知：U=

10

V,I=

1A

。按图中

P=10

W

(负载性质）假设的正方向列式：P=UI

1

)

P为“＋”表示该元件吸收功率；P为“－”则表示输出功率。2）在同一电路中，电源产生的总功率和负载消耗的总功率是平衡的。小结：若：U=10

V,I=－1

A

则

P=－10W

（电源性质）IbaU＋－[例]48例1-5:在图1-29电路中，已知U=7V,I=-4A,试求元件A的吸收功率。解由于U、I为非关联方向，所以

P=－UI=－7×(-4)=28W

说明元件A吸收功率28WA图1-29例1-5用图4948、设电路的电压与电流参考方向如图1-30所示，已知，问ab两点哪个电位高？电流的实际方向是什么？52、如图1-31所示，若已知元件A吸收功率10W，则电压为________V。图1-30题48用图图1-31题52用图501-7电路模型基本的理想电路元件有理想电阻、理想电感、理想电容、理想电压源、理想电流源五种。

图1-33理想电压源、理想电流源符号图1-32理想电路元件符号51理想电压源和理想电流源理想电压源简称电压源。US+__(a)符号USU0I理想电压源(c)外特性曲线(b)电压源电路IRLUS+_＋U－特点：

1.输出电压恒定不变或随时间变化us(t)2.输出电流由负载的大小决定52理想电流源简称电流源。特点：

1.输出电流恒定不变或随时间变化is(t)2.端电压由负载的大小决定RLI＋U－IS(c)电压源电路IS(a)符号U0I理想电流源IS(b)外特性曲线53分析：IS

固定不变,US

固定不变。USIRU-=IsU=?＋－IUS+-R所以：

I=Is,已知：Is

，US

，R

问：I

等于多少？U

又等于多少？[例1.3.1]54解：1.Uab=US

,

2.若R

减小为1Ω，电流源的功率不变！电压源的功率IUs

=I–Is=3A

增大！P=USIUs

=12WI=USR=4A为什麽？

已知：Is

，US

，R0试分析：[例1.3.2]US+bRIsIIUsa-1A4V2ΩI=USR=42=2A2.若使R减小为1Ω，I如何变？两个电源的功率如何变？1.I等于多少？55例1-6电路如图1-35所示，若，，，求电路中各电源提供的功率和电阻消耗的功率。解：电路为串联电路，因此电压源和电阻通过的电流也为2A。电压源提供的功率为电阻不可能提供功率，只可能消耗电功率：图1-35例1-6电路561-8基尓霍夫定律及应用支路：电路中流过相同电流的分支（有时将每个元件看成一条支路）节点：三条或以上支路的结点（两条支路的结点，因流过相同电流看成一条支路）回路：由多条支路构成的闭合路径称作回路。57支路：电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。结点：三条或三条以上支路的联接点。回路：由支路组成的闭合路径。网孔：内部不含支路的回路。I1I2I3ba+-E2R2+

-R3R1E112358例1：支路：ab、bc、ca、…（共6条）回路：abda、abca、adbca…

（共7个）结点：a、b、c、d

(共4个）网孔：abd、

abc、bcd

（共3个）adbcE–+GR3R4R1R2I2I4IGI1I3I59一.基尓霍夫电流定律（KCL）在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为零。用代数式可表示为对节点a：－I1－I2+I3=0对节点b：I1＋I2－I3=0图1-3660电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。推广I=?例:广义结点I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V61二、基尔霍夫电压定律（KVL）

沿任一回路绕行方向（顺时针或逆时针方向），回路中各段电压的代数和等于零。基尔霍夫电压定律应用于回路。用数学式表示为：图1-39回路abef：-US1-I1R1+I3R3=0回路bcd：-I3R3+I2R2+US2=0确定系数的正、负号：电压降方向与回路方向相同取正号、否则取负号。621．列方程前标注回路循行方向；

电位升=电位降

E2=UBE+I2R2U=0

I2R2–E2+

UBE

=02．应用

U=0列方程时，项前符号的确定：

如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。3.开口电压可按回路处理

注意：1对回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_63

或：在任一时刻，沿电路内任一回路以任一方向巡行一周时，沿巡行方向上的电位升（电动势）之和等于电位降之和。回路：a-b-c-a电位升电位降依据：电位的单值性。US1R2I1I3dbc_+R1_R3R2US2a+64例1-7：电路如图1-40所示，已知，U1=10V，E2=2V，E1=4V，R1=4R2=2，d、c两点间处于开路状态，试计算开路电压。解：d、c两点开路时有I2=I，回路abc

方程写成：IR2+IR1+E1-U1=0可求出电流对于右回路dbe有E2+U2-E1-IR1=0开路电压为6V。图1-40I265电路中电位的概念及计算电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”

。

通常设参考点的电位为零。1.电位的概念电位的计算步骤:

(1)任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；

(2)标出各电流参考方向并计算；

(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。662.举例

求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd

。解：设a为参考点，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca

=4×20=80VVd

=Uda=6×5