电路原理(清华大学)

关于电子教案的简单说明本《电路原理》课程的课内学时为64。课时的分配如下：（1）讲授共60学时，其中基本内容讲授共45学时，习题讨论课15学时。（2）期中考试2学时。（3）考虑到公共假期等因素，安排机动学时2学时。所以，电子教案共60讲。清华大学电机系电路原理教学组2005年6月电路元件与电路定律第一讲(总第一讲)电路和电路模型电压、电流的参考方向电路元件的功率一、电路电工设备构成的整体，它为电流的流通提供路径。电源(source)：提供能量或信号.负载(load)：将电能转化为其它形式的能量，或对信号进行处理.导线(line)、开关（switch)等：将电源与负载接成通路.电路和电路模型（model)二、电路模型(circuitmodel)几种基本的电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示各种电感线圈产生磁场，储存电能的作用电容元件：表示各种电容器产生电场，储存电能的作用电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件电路模型电路模型是由理想电路元件构成的，能反映实际电路电磁性质。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡例RRiUSs三、集总参数元件与集总参数电路集总参数元件每一个具有两个端钮的元件中有确定的电流，端钮间有确定的电压。集总参数电路由集总参数元件构成的电路。一个实际电路要能用集总参数电路近似，要满足如下条件：即实际电路的尺寸必须远小于电路工作频率下的电磁波的波长。例已知电磁波的传播速度v=3×105km/s(1)若电路的工作频率为f=50Hz，则周期T=1/f=1/50=0.02s波长=3×1050.02=6000km一般电路尺寸远小于，视为集总参数电路。(2)若电路的工作频率为f=50MHz，则周期T=1/f=0.0210–6s=0.02ns波长=3×1050.0210–6=6m此时一般电路尺寸均与可比，所以电路视为分布参数电路。返回首页电压和电流的参考方向(referencedirection)一、电流(current)电流的大小用电流强度表示。tqtqtitddΔΔlim)(Δdef01.电流：带电质点的定向运动形成电流。单位名称：安（培）符号：A（Ampere）mAA2.电流的参考方向例I1=1A10V10I1I1=-1A10V10I1参考方向：任意选定的一个方向作为电流的参考方向。i参考方向i0表示电流的参考方向与实际方向相同i0表示电流的参考方向与实际方向相反电流参考方向的两种表示：用双下标表示IABAB用箭头表示I3.为什么要引入参考方向？？(a)复杂电路的某些支路事先无法确定实际方向。当020iTt,电流实际方向与参考方向相同当02iTtT,电流实际方向与参考方向相反itIisinmi0tT/2T(b)电流是交变的1.电压(voltage)：电场中某两点A,B间的电压(降)UAB等于将单位正电荷q从A点移至B点电场力所做的功WAB,，即qWUddABdefAB单位名称：伏(特)符号：V（Volt）mVV二、电压(voltage)2.电压(降)的参考方向+实际方向+（参考方向）U+（参考方向）UU0U0+实际方向例U1=10V10V10+U110V10+U1U1=10V(2)用箭头表示：箭头指向为电压的参考方向U(3)用双下标表示：如UAB,由A指向B的方向为电压的参考方向。ABUAB3.电压参考方向的三种表示方式+U(1)用正负极性表示：由正极指向负极的方向为电压的参考方向三、电位取恒定电场中的任意一点（O点），设该点的电位为零，称O点为参考点。则电场中一点A到O点的电压UAO称为A点的电位，记为A。单位V(伏)。abcd设c点为电位参考点，则c=0a=Uac，b=Ubc，d=UdcUab=a-b返回首页电路元件的功率(power)一、电功率：单位时间内电场力所做的功。twpdduitqqwdddd功率的单位名称：瓦（特）符号（W）能量的单位名称：焦（耳)符号（J）二、功率的计算2.u,i取非关联参考方向+–iup发=ui或写为元件（支路）发出功率p=ui1.u,i取关联参考方向+–iup吸=ui或写为元件（支路）吸收功率p=uiP吸=UI=5(-1)=-5W例U=5V，I=-1A+–IU或P发=-UI=-5(-1)=5WP发=UI=4(-2)=-8W+–IU例U=4V，I=-2A或P吸=-UI=-4(-2)=8W返回首页电路元件与电路定律第二讲(总第二讲)电阻元件电感元件电容元件线性定常电阻(resistor)元件2.欧姆定律(Ohm’sLaw)(1)电压与电流取关联参考方向uRi电阻R单位名称：欧(姆)符号:kR+ui1.符号R线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。Rtg线性电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线ui0令G1/RG称为电导则欧姆定律表示为iGu单位名称：西(门子)符号:S(Siemens)G+ui(2)电阻的电压和电流的参考方向相反R(G)+ui则欧姆定律写为u–Rii–Gu3.功率和能量p吸–ui–(–Ri)ii2R–u(–u/R)=u2/Rp吸uii2Ru2/R功率：R+uiR+ui能量：可用功表示。从t0到t电阻消耗的能量ttttRiupW00ddRiu+–4.开路与短路当R=(G=0)，视其为开路。i=0,u由外电路决定ui0开路当R=0(G=)，视其为短路。u=0,i由外电路决定ui0短路电感(inductor)元件Li+–u变量:电流i,磁链一、线性定常电感元件iLdef=N为电感线圈的磁链L称为自感系数]][[][][][(A))(W(H)秒欧安秒伏安韦亨bL的单位名称：亨（利）符号：H(Henry）返回首页二、线性电感电压、电流关系：i,右螺旋e,右螺旋u,e一致u,i关联i+–u–+etiLedd由电磁感应定律与楞次定律tiLeudd韦安（~i）特性i0iLdef当i为常数时，di/dt=0u=0。电感在直流电路中相当于短路；u的大小与i的变化率成正比，与i的大小无关；tiLuddLi+–u(1)当u，i为关联方向时，u=Ldi/dtu，i为非关联方向时，u=–Ldi/dt(2)电感元件是一种记忆元件；tu0d)0(tuLid1tuLuL00d1d1tuLi0d1)0((3)当电压u为有限值时，电感中电流不能跃变。因为电流跃变需要一个无穷大的电压。三、电感的储能tiLiuipdd吸0)(21)(21220)(tLtLii若dddiLiWt吸)()(221tiiLi)(21)(2122LitLi返回首页电容(capacitor)元件描述电容的两个基本变量:u,q对于线性电容，有：q=CuuqCdefC称为电容器的电容电容C的单位：F(法)(Farad，法拉)常用F，pF等表示。一、元件特性Ciu+–+–库伏（q~u）特性Ctgqu0二、线性电容的电压、电流关系Ciu+–+–tuCtqidddd(1)i的大小与u的变化率成正比，与u的大小无关；当u为常数时，du/dt=0i=0。电容在直流电路中相当于开路，电容有隔直作用；tiCtud1)(ttitqtq0d)()(0ttiCtu0d1)(0tttiCiC00d1d1(2)电容元件是一种记忆元件；(3)当电流i为有限值时，电容电压不能跃变。Ciu+–+–tuCtqidddd四、电感和电容的串并联电容的并联nkkCC1eq电容的串联nkkCC1eq11电感的串联nkkLL1eq电感的并联nkkLL1eq11返回首页电路元件与电路定律第三讲(总第三讲)电源元件受控电源电源(source)元件一、理想电压源电压U由a点到b点的电压降低U=a-b电动势E由b点到a点经电源内部的电压升高E=a-b参考方向电压：＋极到－极的降低电动势：－极到＋极的升高电路符号abU(E)U(E)ab1.特点：(a)端电压确定不变。由电源本身决定，与外电路无关；(b)通过它的电流是任意的，由外电路决定。IR5V5VuS2.伏安特性(1)若uS=US，即直流电源。则其伏安特性为平行于电流轴的直线。(2)若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行于电流轴的直线。uS+_iu+_USui0(3)电压为零的电压源，伏安曲线与i轴重合，相当于短路状态。3.理想电压源的开路与短路uS+_i(1)开路i=0(2)短路理想电压源不允许短路(此时理想电压源模型不存在)。二、理想电流源1.特点：(a)电源电流确定不变由电源本身决定的，与外电路无关；电路符号iS(b)电流源两端电压是由外电路决定。VUAIR1,1,1VUAIR10,1,10UIR1AU2.伏安特性(1)若iS=IS，即直流电源。则其伏安特性曲线为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。(2)若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是平行于电压轴的直线ISui0iSiu+_(3)电流为零的电流源，伏安特性曲线与u轴重合，相当于开路状态。3.理想电流源的短路与开路(2)开路：理想电流源不允许开路。(1)短路：i=iS，u=0iSiu+_4.功率p吸=uisp发=–uisiSu+_u,iS关联p发=uisp吸=–uisiSu+_u,iS非关联返回首页受控电源(非独立源)(controlledsourceordependentsource)一、定义电压源电压或电流源电流不是给定函数，而是受电路某个支路的电压(或电流)的控制。电路符号+–受控电压源受控电流源控制部分受控部分ibbibic=bib例RcibRbic电流控制的电流源(1)电流控制的电流源(CurrentControlledCurrentSource)二、四种类型(2)电流控制的电压源(CurrentControlledVoltageSource)b:电流放大倍数{u1=0i2=bi1CCCSbi1+_u2i2+_u1i1r:转移电阻{u1=0u2=ri1i2i1CCVSri1+_u2+_u1+_(3)电压控制的电流源(VoltageControlledCurrentSource)(4)电压控制的电压源(VoltageControlledVoltageSource)g:转移电导{i1=0i2=gu1VCCSgu1+_u2i2+_u1i1:电压放大倍数{i1=0u2=u1VCVSu1+_u2+_u1+_i2i1CCCSbi1+_u2i2+_u1i1i2i1CCVSri1+_u2+_u1+_VCCSgu1+_u2i2+_u1i1VCVSu1+_u2+_u1+_i2i1*，g，b，r为常数时，被控制量与控制量满足线性关系，称为线性受控源。电路元件与电路定律第四讲(总第四讲)基尔霍夫定律基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’scurrentlaw—KCL)基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’svoltagelaw—KVL)基尔霍夫定律与元件特性是电路分析的基础。一、几个名词1.支路(branch)：电路中流过同一电流的每个分支。(b)2.节点(node):支路的连接点称为节点。(n)4.回路(loop)：由支路组成的闭合路径。(l)3.路径(path)：两节点间的一条通路。路径由支路构成。5.网孔(mesh)：对平面电路，每个网眼即为网孔。网孔是回路，但回路不一定是网孔。+_R1uS1+_uS2R2R3abn=2l=3123b=3123二、基尔霍夫电流定律(KCL)0)(ti在集总参数电路中，任一时刻流出(流入)任一节点的各支路电流的代数和为零。即物理基础:电荷守恒，电流连续性。i1i4i2i3•例–i1+i2–i3+i4=0i1+i3=i2+