《电路原理》详细讲解

《电路原理》课程介绍《电路原理》课程是工科学生先修完《高等数学》、《大学物理（电磁学）》等基础课程后，开设的一门十分重要的理论基础课，是电气、控制、电子、信息类专业学生系统化接受电类课程学习的共同必修课程。参考书目：李瀚荪主编，《电路分析基础》，北京高等教育出版社，2004年；周守昌主编，《电路原理》，北京高等教育出版社，2002年5月；胡翔俊主编，《电路分析》，北京高等教育出版社，2001年6月。教材：《电路》（第五版）邱关源主编，北京高等教育出版社，2006年。学时数：56学时理论课时；16学时实验课时。课程性质•新世纪来，电工、电子课程体系改革，创建了以电路、模电、信号与系统为主线，理论完整、工程实践性强的课程和教学内容新体系。《电路原理》是电路理论入门课。•本课程是电路分析、网络综合与设计的基础工程学科，它属于电（强电、弱电）类各专业共同的理论、技术基础。课程目的•通过本课程的学习，掌握电路的基本理论知识、分析计算的基本方法和初步的实验技能，为学习后续有关课程提供理论支持，并为进一步学习电路理论打下初步的基础。课程教学方法与要求•本课程理论授课采用板书和多媒体教学相结合的方法、以教师讲授为主，根据学生接受情况，适当开展课堂练习、讨论；根据学生作业情况，习题课讲评普遍存在问题。•要求学生课前自学、课外练习，能熟悉一种计算机辅助仿真设计软件，通过理论教学――计算机仿真――实验验证等，以增加学习兴趣，提高教学质量。计算机辅助教学软件的介绍•见附录B、C(P524---543)1、PSpice电子线路仿真设计软件。2、MATLAB是矩阵实验室，标准计算软件。3、Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的专门用于电子电路仿真与设计的工具软件，理念是“把实验室装进PC机中”，“软件就是仪器”---虚拟仪器。答疑时间与联系方式•答疑时间：每次上完理论课或实验课后。•谢志宇老师的联系方式：电话：[phone]邮箱：[e-mail]:623329793QQ邮箱：[e-mail]课程成绩考核方式•理论成绩100分制记分，由两部分组成：期末考试成绩占70%；平时成绩占30%；•每次实验班一组，每人每次实验100分，由三部分组成：预习报告10分、操作50分和实验报告40分。•最终实验成绩是10次实验的平均分。本课程的几个基本概念电路电在日常生活、生产和科学研究工作中广泛应用。如收录机、电视机、录像机、音响设备、计算机、通信系统和电力网络中都可以看到各种各样的电路。电阻器电容器线圈电池运算放大器晶体管低频信号发生器的内部结构实际电路的组成：由电阻器、电容器、电感线圈、变压器、晶体管、运算放大器、集成电路、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成。实际电路：由电源（信号源）、中间环节与负载组成。实际电路的作用：1）、实现电能的传输和转换。（强电）2）、实现电信号的传输、处理和存储。（弱电）电路理论就是研究电路中发生的电磁现象，用电流、电压、电荷、磁通等物理量来描述其中的过程。主要计算电路中各电气器件端子通过的电流、端子间的电压。电路的两种含义:(1)实际电路;(2)电路模型。电路模型是实际电路抽象而成，它近似地反映实际电路的电气特性。电路模型由一些理想电路元件用理想导线连结而成。用不同特性的电路元件按照不同的方式连结就构成不同特性的电路。本课程主要讨论电路模型，常简称为电路，请注意加以区别。电路模型的表示方法：它表示(1)电路图(2)电路数据(表格或矩阵)(1)电路元件的特性(2)元件间的连结关系图1－1手电筒电路常用电路图来表示电路模型(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图图1－2晶体管放大电路(a)实际电路(b)电原理图(c)电路模型(d)拓扑结构图电路元件（理想的电路元件简称）电源（电压源、电流源、受控电源）储能元件（电容、电感）电阻元件理想导线分类：端子数---二端、三端、四端元件特性---线性、非线性参数特性---时变、时不变无源、有源根据实际电路的几何尺寸(d)与其工作信号波长(λ)的关系，可以将它们分为两大类：(1)集总参数电路：满足dλ条件的电路。(2)分布参数电路：不满足dλ条件的电路。说明：本书只讨论集总参数电路,今后简称为电路。集总参数元件、分布参数元件集总参数元件：在任何时刻，流入二端元件的一个端子的电流一定等于从另一端子流出的电流，两个端子之间的电压为单值量。电路模型近似地描述实际电路的电气特性。根据实际电路的不同工作条件以及对模型精确度的不同要求，应当用不同的电路模型模拟同一实际电路。现在以线圈为例加以说明。图1－3线圈的几种电路模型(a)线圈的图形符号(b)线圈通过低频交流的模型(c)线圈通过高频交流的模型电路分析与网络综合实际电路电路模型计算分析电气特性电路分析网络综合目的：通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性，从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电路。任务：掌握电路的基本理论和电路分析的方法。电路ElectricCircuits电子与通信工程系第1章电路模型和电路定律(circuitmodel)(circuitlaws)1.1电路和电路模型1.2电流和电压的参考方向1.3电功率和能量1.5电阻元件1.6电压源和电流源1.7受控电源1.8基尔霍夫定律1.4电路元件重点（emphases）：1.电压、电流的参考方向(voltage¤treferencedirection)3.基尔霍夫定律(Kirchhoff’sLaws)2.电路元件特性(circuitelements’characters)§1.1电路和电路模型（circuitmodel）1.电路(实际)由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。电路主要由电源、负载、连接导线及开关等构成。电源(source)：将电源与负载接成“通路”的装置。(1)电路的组成能量或信号（u、i）的发生器。负载(load)：将电能转化为其它形式能的用电设备，或对信号进行处理的设备。导线(line)、开关（switch)：“激励”(power)“响应”（response）(2)电路的作用具有能量(energy)的传输、分配与转换；信息(information)的传递与处理；测量、控制等功能。10BASE-Twallplate导线电池开关灯泡2.电路模型（circuitmodel）sRLRsU电路模型反映实际电路部件的主要电磁性质的理想电路元件及其组合。电路模型实际电路图几种基本的理想电路元件：电阻元件：表示消耗电能的元件电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件电源元件：表示各种将其它形式的能量转变成电能的元件注意具有相同的主要电磁性能的各实际电路部件，在一定条件下可用同一模型表示；同一实际电路部件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式理想电路元件idealcircuitelements具有确定的电、磁性质并具有精确的数学定义的假想元件。例（example）：电灯、电炉等Rparallelconnectionseriesconnection1.电流的参考方向(referencedirection)tqtqitddlim)t(0ΔdefΔΔ电流电流强度带电粒子有规则的定向运动。§1.2电流和电压的参考方向(referencedirection)(Chargedparticle)单位时间内通过导体横截面的电荷量(crosssection)电路中的主要物理量有电压、电流、电荷（electriccharge）、磁链、能量、电功率等。在线性（linear）电路分析中人们主要关心的物理量是电流、电压和功率。方向单位1kA=103A1mA=10-3A1A=10-6AA（安培）、kA、mA、A元件(导线)中电流流动的方向只有两种可能:实际方向实际方向AABB问题？question复杂电路或电路中的电流随时间变化时，电流的实际方向往往很难事先判断？(unit)规定正电荷的运动方向为电流的实际方向。(positivecharge/negativecharage)参考方向i参考方向大小方向电流(矢量)ABi0i0电流的参考方向与实际方向的关系：i参考方向实际方向ABi参考方向实际方向AB任意假定一个正电荷运动的方向即为电流的参考方向。(vector/scalar）电流参考方向的两种表示：用箭头表示：箭头的指向为电流的参考方向。用双下标表示：如iAB,电流的参考方向由A指向B。ABiABi电压UdqdWUdef单位：V(伏)、kV、mV、V2.电压的参考方向(voltagereferencedirection)单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功（W）的大小。电位实际电压方向电位真正降低减少的方向。单位正电荷q从电路中一点移至参考点（＝0）时电场力做功的大小。（referencepoint）例已知：4C正电荷由a点均匀移动至b点电场力做功8J，由b点移动到c点电场力做功为12J，(1)若以b点为参考点，求a、b、c点的电位和电压Uab、Ubc;(2)若以c点为参考点，再求以上各值ac解(solution)bVqWaba2480bVqWqWbccbc3412VUbaab202VUcbbc)(330(1)以b点为电位参考点abc解VqWaca541280cVqWbcb3412VUbaab235VUcbbc303(2)结论（conclusions）：以c点为电位参考点（1）电路中电位参考点可任意选择；（2）参考点一经选定，电路中各点的电位值就是唯一的；（3）当选择不同的电位参考点时，电路中各点电位值将改变，但任意两点间电压保持不变。问题?question复杂电路或交变电路中，两点间电压的实际方向往往不易判别，给实际电路问题的分析计算带来困难。电压(降)的参考方向U00U参考方向U+–+实际方向+实际方向参考方向U+–假设的电压降低方向。电压参考方向的三种表示方式：(1)用箭头表示(2)用正负极性表示(3)用双下标表示UU+ABUABsubscript元件或支路的u，i采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。关联参考方向非关联参考方向3.关联参考方向（interactioninreferencedirection）▲i+-+-iUU注意：例ABABi＋－U电压电流参考方向如图中所标，问：A、B两部分电路电压电流参考方向关联否？答：A电压、电流参考方向非关联；B电压、电流参考方向关联。(1)分析电路前必须选定电压和电流的参考方向。(2)参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号），在计算过程中不得任意改变。（3）参考方向不同时，其表达式相差一负号，但实际方向不变。§1.3电路元件的功率(power)1.电功率（electricpower）twpddiutqqwtwpdddddd功率的单位：W(瓦)(Watt，瓦特)能量的单位：J(焦)(Joule，焦耳)单位时间内电场力所做的功qwuddtqidd2.电路吸收或发出功率的判断▲u,i取关联参考方向P=ui表示元件吸收(absorb)的功率P0表示吸收正功率(实际吸收)P0表示吸收负功率(实际发出)p=ui表示元件发出(supply)的功率P0表示发出正功率(实际发出)P0表示发出负功率(实际吸收)u,i取非关联参考方向+-iu+-iu例564123I2I3I1++++++-----U6U5U4U3U2U1求图示电路中各方框所代表的元件消耗或产生的功率。已知：U1=1V,U2=-3V,U3=8V,U4=-4V,U5=7V,U6=-3VI1=2A,I2=1A,I3=-1A解（发出）WIUP221111（发出