电路基础知识(详解版)

第一章认识电路（基础知识）1.1电路和电路模型1.2电路中的主要物理量1.3电路的基本元件1.4基尔霍夫定律1.6简单电阻电路的分析方法1.5基尔霍夫定律本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.了解电路的有载工作、开路与短路状态，理解电功率和额定值的意义；4.会计算电路中各点的电位。第1章电路的基础知识1.1电路和电路模型(1)实现电能的传输、分配与转换(2)实现信号的传递与处理放大器扬声器话筒1.电路的作用电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线2.电路的组成部分电源:提供电能的装置负载:取用电能的装置中间环节：传递、分配和控制电能的作用发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉...输电线直流电源直流电源:提供能源信号处理：放大、调谐、检波等负载信号源:提供信息2.电路的组成部分放大器扬声器话筒电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。手电筒的电路模型为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。例：手电筒R+RoE–S+U–I电池导线灯泡开关手电筒由电池、灯泡、开关和筒体组成。理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。3.电路模型手电筒的电路模型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。今后分析的都是指电路模型，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。1.2电路中的主要物理量物理中对基本物理量规定的方向1.电路基本物理量的实际方向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(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2.电路基本物理量的参考方向aRb箭标abRI正负极性+–abUU+_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。(3)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。电路的基本元素是元件，电路元件是实际器件的理想化物理模型，应有严格的定义。电路中研究的全部为集总元件。电路元件的端子数目可分为二端、三端、四端元件等。最基本的几个元件：电阻(元件)电容(元件)电感(元件)电源(元件)1.3电路的基本元件实际电阻元件感性认识电阻元件线性电阻－电路研究的模型1.符号R2.欧姆定律(Ohm’sLaw)(1)电压与电流的参考方向设定为一致的方向Riu+uRiR称为电阻，电阻的单位：(欧)(Ohm，欧姆)一.电阻元件伏安特性曲线:Rtg线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。令G1/RG称为电导则欧姆定律表示为iGu.电导的单位：S(西)(Siemens，西门子)uiO电阻元件的伏安特性为一条过原点的直线Riu+–3.开路与短路对于一电阻R当R=0，视其为短路。i为有限值时，u=0。当R=，视其为开路。u为有限值时，i=0。*理想导线的电阻值为零。4.电阻的功率和能量由电功率的定义及欧姆定律可知，电阻吸收的功率和能量22GuRiuip电路端电压与电流的关系称为伏安特性。遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。I/AU/Vo线性电阻的伏安特性线性电阻的概念：常数即：IUR线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。实际电容元件感性认识电容元件线性电容－电路研究的模型任何时刻，电容元件极板上的电荷q与电流u成正比。2、电路符号1、电容CC或i+uC-+uC-i二.电容元件与电容有关两个变量:C,q对于线性电容，有：q=Cu3.元件特性uqCdefC称为电容器的电容电容C的单位：F(法)(Farad，法拉)F=C/V=A•s/V=s/常用F，nF，pF等表示。Ciu+–+–4、库伏特性：线性电容的q~u特性是过原点的直线tg5、电压、电流关系：u,i取关联参考方向Ciu+–+–或ttttttttξiqtqξiCuidξCξiCξiCtutt000000d)(d11d1d1)()()(quOuqCtuCtqidddd动态特性记忆特性6、电容元件的功率和能量在电压、电流关联参考方向下，电容元件吸收的功率为到t从t－-时间内，电容元件吸收的电能为0)(21)(21)(21)(21)ξ(21ddd220)(222tqCtCuCutCuCuξξuCuWuttC若则电容在任何时刻t所储存的电场能量WC将等于其所吸收的能量。tuCutuuCuipdddd由此可以看出，电容是无源元件，它本身不消耗能量。从t0到t电容储能的变化量：)(21)(21)(21)(21022022tqCtqCtCutCuWC7、小结：(1)i的大小与u的变化率成正比，与u的大小无关；(3)电容元件是一种记忆元件；(2)电容在直流电路中相当于开路，有隔直作用；(4)当u，i为关联方向时，i=Cdu/dt；u，i为非关联方向时，i=–Cdu/dt。动态记忆（5）C既表示元件，也表示参数图(a)所示电容元件，已知电流的波形如图(b)所示，设C=5μF，电容电压的初始值u(0)=0，试求电容两端的电压u。解由图(b)可知电流分段表示为其它tti0s20mA1又因为，根据记忆特性公式可得电容两端的电压为0)0(u20360360s2V400d1011051,s20V200d101510d1)0(,00tuttiCuututt电容电压的波形如图(c)所示。例12t/su/V0400(c)t/s10i/mA2(b)Ci+u-(a)其他电容－全面认识电容元件1、电磁特性实质：电容是储存电场能量或储存电荷能力的度量。电容元件是用来模拟一类能够储存电场能量的理想元件模型。2、分类1：线性时变、线性时不变；非线性时变、非线性时不变。3、分类2：二端子、三端子、多端子。4、电容效应——与万有引力相似，任意两个物体之间均有电容特性，常见如晶体管中三极管管脚之间的电容。5、实际电容——电容器：集额定功率、尺寸要求、耐压值、耐流值等多种指标的设备。电容器结构++++––––+q–q++++----两个极板＋介质实际电容器制作的材料和结构不尽相同，通常有云母电容器、陶瓷电容器、钽质电容器、聚碳酸酯电容器等等。线性电感－电路研究的模型Li+–u变量:电流i,磁链1、线性定常电感元件符号与参数L称为自感系数L的单位：亨（利）符号：H(Henry）2、韦安（~i）特性i0iLdeftgiL三.电感元件tiLedd3、电压、电流关系：由电磁感应定律与楞次定律i,右螺旋e,右螺旋u,e一致u,i关联tiLeuddi+–u–+etiLuddLi+–uttu0d)0(ttuLid1ttuLi0d1)0(VCR常用VCR次常用动态记忆很少用4、电感的储能tiLiuipdd吸0)(21)(21220)(tLtLii若也是无损元件L是无源元件ξiLiWtdddξ吸(1)u的大小与i的变化率成正比，与i的大小无关；(3)电感元件是一种记忆元件；(2)电感在直流电路中相当于短路；(4)当u，i为关联方向时，u=Ldi/dt；u，i为非关联方向时，u=–Ldi/dt。5、小结：（5）L既表示元件，也表示参数动态记忆其他电感－全面认识电感元件1、电磁特性实质：导体中有电流流过时，导体周围将产生磁场。变化的磁场可以使置于磁场中的导体产生电压，这个电压的大小与产生磁场的电流随时间的变化率成正比。这里所讨论的电感元件就是用来模拟实际电磁器件的理想元件。2、分类1：线性时变、线性时不变；非线性时变、非线性时不变。3、分类2：二端子、三端子、多端子。4、电感效应——与万有引力相似，任意两个物体之间均有电感特性，常见如同轴电缆有重要参数就是其电感，长距离传输线之间的电感等。5、实际电感——电感器：集额定功率、尺寸要求、耐压值、耐流值等多种指标的设备。更多的是理想电感元件与电阻的组合，因而不可能是无损元件。实际电感线圈结构：由具有绝缘外包线绕制成有心或空心的线圈构成感性认识电源1、任何实际电路正常工作必须要有提供能量的电源。2、实际电源多种多样，图给出了几种实际电源的图片。如手电筒和收音机上用的干电池和计算器中用的纽扣电池图(a)，实验室中用的稳压电源图(b)。还有其它种类的电源，如机动车上用的蓄电池和人造卫星上用的太阳能电池，工程上使用的直流发电机，交流发电机等等。实际电源(b)稳压电源规定：电源两端电压为uS，其值与流过它的电流i无关。(2)特点：(a)电源两端电压由电源本身决定，与外电路无关；(b)通过它的电流是任意的，由外电路决定。直流：uS为常数交流：uS是确定的时间函数，如uS=Umsint(1)电路符号uS+_i四.电压源(3).伏安特性US(a)若uS=US，即直流电源，则其伏安特性为平行于电流轴的直线，反映电压与电源中的电流无关。(b)若uS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样。电压为零的电压源，伏安曲线与i轴重合,相当于短路元件。uS+_iu+_uiO(4).理想电压源的开路与短路uS+_iu+_R(a)开路：R，i=0，u=uS。(b)短路：R=0，i，理想电源出现病态，因此理想电压源不允许短路。*实际电压源也不允许短路。因其内阻小，若短路，电流很大，可能烧毁电源。US+_iu+_rUsuiOu=US–ri实际电压源(5).功率：或p吸=uSip发=–uSi(i,uS关联)电场力做功，吸收功率。电流（正电荷）由低电位向高电位移动外力克服电场力作功发出功率p发＝uSi(i,us非关联）物理意义：uS+_iu+_uS+_iu+_独立电流源也是一种理想化的电源模型。若一个二端元件不论其电压为何值（或外部电路如何），其电流始终保持常量Is或给定的时间函数is(t)的电源称为独立电流源（简称电流源）。电子电路中有该类电路，今后会遇到。五.电流源电路分析－理想电流源模型规定:电源输出电流为iS，其值与此电源的端电压u无关。(2).特点：(a)电源电流由电源本身决定，与外电路无关；(b)电源两端电压是任意的，由外电路决定。直流：iS为常数交流：iS是确定的时间函数，如iS=Imsint(1).电路符号iS+_u(3).伏安特性IS(a)若iS=IS，即直流电源，则其伏安特性为平行于电压轴的直线，反映电流与端电压无关。(b)若iS为变化的电源，则某一时刻的伏安关系也是这样电流为零的电流源，伏安曲线与u轴重合,相当于开路元件uiOiSiu+_(4).理想电流源的短路与开路R(b)开路：R，i=iS，u。若强迫断开电流源回路，电路模型为病态，理想电流源不允许开路。(a)短路：R=0，i=iS，u=0，电流源被短路。(5).实际电流源的产生：可由稳流电子设备产生，有些电子器件输出具备电流源特性，如晶体管的集电极电流与负载无关；光电池在一定光线照射下光电池被激发产生一定值的电流等。iSiu+_一个高电压、高内阻的电压源，在外部负载电阻较小，且负