1電路的基本概念和基本定律

1、主講：E-mil:l:87542726-015（C3-325)電路理論，、主編，電子工業(yè)參考電路分析基礎(chǔ)（上、中、下） ，編，高等教育Fundamentals of Electric Circuits. Charles k. Alexander. Matthew N.O.sadiku.習(xí)題集配套習(xí)題集 電路理論學(xué)習(xí)與指導(dǎo)，電子工業(yè)教學(xué)安排學(xué)時(shí)：40+64學(xué)時(shí)（2.5+4學(xué)分）成績(jī)計(jì)算作業(yè)（占10%），每周一交作業(yè)，超過(guò)1/3未交者不能參加期末平時(shí)測(cè)驗(yàn)（占10%），一次，閉卷，安排在直流電路分析學(xué)完后；（占80%），閉卷。期末后續(xù)課程電路測(cè)試技術(shù)（實(shí)驗(yàn)，2學(xué)分）、模擬電子技術(shù)、微機(jī)原理課程計(jì)劃（

2、學(xué)時(shí)）電路的基本概念和定律（6）簡(jiǎn)單電阻電路分析（4）電路的一般方法（5）電路定理（6）含運(yùn)算放大器的電阻電路（3）動(dòng)態(tài)元件與動(dòng)態(tài)電路（6）一階電路和二階電路（8）共計(jì):40學(xué)時(shí)正弦穩(wěn)態(tài)電路分析及頻率響應(yīng)（10）含耦合元件的正弦穩(wěn)態(tài)電路（6） 三相正弦穩(wěn)態(tài)電路（6）周期性非正弦穩(wěn)態(tài)電路（4） 動(dòng)態(tài)電路的復(fù)頻域分析法（4）二端口網(wǎng)絡(luò)（6）網(wǎng)絡(luò)的矩陣方程（5）網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程（3）均勻傳輸線(xiàn)的正弦穩(wěn)態(tài)分析（8） 無(wú)損耗均勻傳輸線(xiàn)的暫態(tài)分析（6）共計(jì):56學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)方法：聽(tīng)課。課堂效率，思維方式:問(wèn)題的提出、分析和引申的方法筆記。知識(shí)的濃縮、要點(diǎn)的提煉作業(yè)。加深理解，學(xué)會(huì)應(yīng)用，思維創(chuàng)造能力培養(yǎng)。獲取知識(shí)

3、的能力，應(yīng)用知識(shí)的能力，創(chuàng)新能力。第1章電路的基本概念和基本定律1.1電路與電路模型1.2電流與電壓的其參考方向1.3電功率1.4電阻元件1.5獨(dú)立電源1.6受控電源1.7定律1.11.1.1 電路電路與電路模型1、電路：由電路元件和聯(lián)接導(dǎo)線(xiàn)組合而成的電流通路。一般由電源或信號(hào)源、負(fù)載（用電設(shè)備）和中間環(huán)節(jié)組成。電源（或信號(hào)源）：將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，提供給電路。負(fù)載(load)：將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量（消耗電能）。中間環(huán)節(jié)：包括導(dǎo)線(xiàn)(line)、開(kāi)關(guān)（switch)等，主要作用是輸送、分配電能和對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理。2、 集中參數(shù)電路和分布參數(shù)電路:電路按其幾何尺寸與工作信號(hào)的波長(zhǎng)劃分

4、為集中參數(shù)電路和分布參數(shù)電路。一個(gè)電路元件可以用一個(gè)或多個(gè)參數(shù)表征，而不用考慮它的尺寸，這種參數(shù)被稱(chēng)為集中參數(shù)電路。(1)、集中參數(shù)電路集中參數(shù)假設(shè)：假定電磁波的速度為無(wú)限大，即電磁波在電路中的緊要。不需要時(shí)間，這樣，元件及電路的幾何尺寸變得無(wú)關(guān)工程上處理原則為d0.01，用集中參數(shù)電路加以研究其中d表示電路的最大幾何尺寸，表示電路的最高工作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) 。例：=c/f ， c=3*105km/s，若f=50Hz，其波長(zhǎng)為6000km，一般元件遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值。(2)、分布參數(shù)電路當(dāng)d0.01時(shí)，就應(yīng)該按分布參數(shù)電路加以分析研究。電路中的參數(shù)時(shí)按幾何尺寸連續(xù)分布。對(duì)于直流高壓輸電線(xiàn)路，其長(zhǎng)度

5、為幾百公里甚至上千公里，與電路頻率的波長(zhǎng)在一個(gè)數(shù)量級(jí)，此時(shí)若采取集中假設(shè)就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果；高頻電子線(xiàn)路中，信號(hào)波長(zhǎng)為米，甚至是厘米數(shù)量級(jí)，與線(xiàn)路和電路器件的尺寸相當(dāng)，這時(shí)也不能采用集中參數(shù)假設(shè)。1.1.2理想電路電元件和電路模型(circuit m)(1) 理想電路元件：在一定的條件下對(duì)實(shí)際器件加以理想化，忽略它的次要性質(zhì)，用一個(gè)表征其主要性能的模型表示。實(shí)際電器件工作時(shí)，通常存在3中基本的電磁現(xiàn)象，即：消耗電能、磁場(chǎng)效應(yīng)、電場(chǎng)效應(yīng)，為了描述這三種基本的電磁現(xiàn)象，引入與之相對(duì)應(yīng)的3個(gè)理想化電路元件。幾種基本的電路元件：電阻元件：表示消耗電能的元件。電感元件：表示各種電感線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，反映磁場(chǎng)效

6、應(yīng)電容元件：表示各種電容器產(chǎn)生電場(chǎng)，反映電場(chǎng)效應(yīng)電源元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件(2). 電路模型：由集中參數(shù)電路中，實(shí)際電器件雖然存在多種電磁現(xiàn)象，但在特定的條件下，某一電磁現(xiàn)象起主導(dǎo)作用，其他電磁現(xiàn)象可以忽略不計(jì)，可用理想電路元件來(lái)近似描述實(shí)際電器件。例如：白熾燈可用電阻元件來(lái)描述，低頻下工作的螺線(xiàn)管線(xiàn)圈用電阻和電感元件串聯(lián)模型來(lái)描述。理想元件及其組合代表實(shí)際電路元件，與實(shí)際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱(chēng)其為電路模型。電路模型為電路理論研究的對(duì)象。.B S1.2電流與電壓的參考方向電路中的主要物理量主要有電壓、電流、電荷、磁鏈、功率和能量等，這些物理量稱(chēng)為電路變量或網(wǎng)絡(luò)變

7、量。電流、電壓是線(xiàn)性電路分析中常用的兩個(gè)基本物理量。1.2.1 電流 (current)：電荷有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)或電場(chǎng)的變化產(chǎn)生電流。電流強(qiáng)度:表征電流大小的概念。它被定義為時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量，用符號(hào)i表示dqdefi(t) ：A (安)(ere，)dt1.2.2電壓 (voltage)：在電場(chǎng)中，電量為dq的電荷由A點(diǎn)被移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)力所做的功為dw，則A、B兩點(diǎn)間的電壓為：dWABdef：V (伏)(Volt，伏特)UABd q電位：電路中為分析的方便，常在電路中選某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，把任一點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓稱(chēng)為該點(diǎn)的電位。與電壓相同，也是V(伏)。參考點(diǎn)的電位一般選為零，ba設(shè)c點(diǎn)為

8、電位參考點(diǎn)，則 c=0a=UacUad= Uacb=Ubcd=UdcdcUdc= a d電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選得不其它各點(diǎn)的電位也將隨之改變；路中電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考點(diǎn)的不同而改變。1.2.3電壓和電流的參考方向BAABIRABRE1E21-2-3電壓和電流的參考方向1、參考方向的概念參考方向是一個(gè)假定的方向，它和電壓、電流數(shù)值的正、負(fù)結(jié)合起來(lái)，便能確定電量的真實(shí)方向。（1）電流的參考方向電流的實(shí)際方向?yàn)檎姾蛇\(yùn)動(dòng)的方向，電流的參考方向?yàn)槿我膺x定的一個(gè)方向。I1I1例101010V10VI1 = 1AI1 = -1A（2）電壓的參考方向兩點(diǎn)之間電壓的實(shí)際方向是從高電位的一

9、點(diǎn)指向低電位的一點(diǎn)?；趦牲c(diǎn)間電壓的實(shí)際方向只有兩個(gè)可能，所以人為的為電路的各部分電壓假定一個(gè)方向，這個(gè)假定的電壓方向稱(chēng)為電壓的參考方向。參考方向U參考方向U+U 0-+本書(shū)中電壓的參考方向有兩種表示方法:uabbaab+uab(b)(a)一種是用+、-符號(hào)表示，即高電位端標(biāo)以符號(hào)+，低電位端標(biāo)以符號(hào)-，如圖（a）所示；二是用箭頭表示，箭頭指向低電位端，如圖（b）所示。電壓參考方向的選擇是任意的，它并不影響電壓的實(shí)際方向。在指定了電壓的參考方向以后，結(jié)合電壓數(shù)值的正負(fù)，可確定電壓的實(shí)際方向。2、關(guān)聯(lián)的參考方向在分析電路時(shí)，電壓和電流的參考方向選取是互相獨(dú)立的。為了方便起見(jiàn)，常采用關(guān)聯(lián)的參考方向

10、：電流參考方向與電壓參考+到- 極的方向一致，即電流與電壓降的參考方向一致，如下(b) (c)所示, 也稱(chēng)為一致的參考方向或關(guān)聯(lián)正向。aaa+u-+u-(a)(b)(c)圖3、關(guān)于參考方向的說(shuō)明：(1)(2)分析電路前必須選定電壓和電流的參考方向。參考方向一經(jīng)選定，必須在圖中相應(yīng)位置標(biāo)注 (包括方向和符號(hào)），在計(jì)算過(guò)程中不得任意改變。關(guān)聯(lián)參考方向和非關(guān)聯(lián)參考方向。元件或支路的u，i通常采用相同的參考方向，以減少公式中負(fù)號(hào)，稱(chēng)之為關(guān)聯(lián)參考方向。反之，稱(chēng)為非關(guān)聯(lián)參考方向。(3)+U+UI關(guān)聯(lián)參考方向I非關(guān)聯(lián)參考方向(4)參考方向也稱(chēng)為假定正方向，以后均在參考方向下進(jìn)行，不考慮實(shí)際方向。1.3電功率

11、p dw ,u dw ,i dqdtdqdtp dw dw dq uidtdq dtW (J()(Watt(Joule)1.u, iip = uiuP0P0P0IS 0i I s ( e 1 )bu1.4.3時(shí)變電阻元件Rt Rttit+utit = gt utut = Rt itut1t2i1.51.5.1獨(dú)立電源(independentsource)Ideal Voltage Source1.定義：一個(gè)二端元件，如果在與任意電路聯(lián)接時(shí)，能維持其兩端電壓為確定量值或波形，而與流過(guò)此元件的電流無(wú)關(guān)，則該二端元件稱(chēng)為獨(dú)立電壓源。uuSUS0i伏安特性電路符號(hào)us(t)Eabba+Usba2.(a

12、)u=usiuuuS_Oi_(b)(c) U=0i,(d)iRR=0i=0u=uS(1)(2)iuSR_ii3.功率u_uSu_uS_i , uSi , usp= uS ip=- uSip=uSip=u Siu_1.5.21.定義：一個(gè)二端元件，如果在與任意電路聯(lián)接時(shí)，能維持通過(guò)此元件的電流為確定量值或波型，而與其兩端間的電壓無(wú)關(guān)，則該二端元件稱(chēng)為獨(dú)立電流源。uISiS0i電路符號(hào)伏安特性is(t)Isbaba2.特點(diǎn):電源電流由電源本身決定，與外電路無(wú)關(guān)；電源兩端電壓是由外電路決定。3.ii= iSu=0(1)R=0RiSRu (2)i= iSu_3.功率u , iS 非關(guān)聯(lián)u_pp= u

13、is= ui siS_u , iS 關(guān)聯(lián)pp= uis= ui suiS總結(jié)：電壓源的電壓和電流源的電流，都不受所接外電路的影響；它們作為電源或輸入信號(hào)時(shí)，在電路中起激勵(lì)作用，將在電路中產(chǎn)生電流和電壓，這些電壓和電流便是響應(yīng)。這類(lèi)電源叫做獨(dú)立電源。1.6受控電源(controlledsource)1.定義：受控源是一種雙口元件，它含有兩條支路，其一為控制支路；另一為受控支路，這支路或?yàn)橐浑妷涸椿驗(yàn)橐粋€(gè)電流源。ibiCiCbcibbibRbeuceeubee晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，集電極電流Ic的大小受基極電流Ib的控制，基本上與集電極電壓無(wú)關(guān)。2.分類(lèi)：根據(jù)控制支路是電壓還是電流，受控支路是電壓

14、源還是電流源受控源可以分為四種基本類(lèi)型。電流控制的電流源 ( Current Controlled Current Source )(a)1 i2u =021+i = ii1u21u2-12(b) 電壓控制的電流源 ( VoltageControlled Current Source )i1 i2 i1=012+i2=gu1,uu2-g :s1211i1(c) 電流控制的電壓源 ( Current Controlled Voltage Source ) i212u1=0+u2=ri1u2u-r :12(d) 電壓控制的電壓源 ( VoltageControlled Voltage Source

15、 )i1 i2 i1=012+u2= u1u2u :-12+-1+ri1-1i13、功率4.受控源的有源性和無(wú)源性p= u1i1 + u2i2i1i2+u2_+u_1= u i_u12 2R=u2 (-u2/R) 0VCVSi1i22+u2_ i13iu_23 A6CCCSu1=0i2i2=i1+15.受控源與獨(dú)立源的比較(1)獨(dú)立源電壓(或電流)由電源本身決定，與電路中其它電壓、電流無(wú)關(guān)；而受控源電壓(或電流)直接由控制量決定，一般該值是未知的。(2)獨(dú)立源在電路中產(chǎn)生電壓、電流，是電路能量的來(lái)源；而受控源只是某一電路中反映輸出端與輸入端的關(guān)系，在電路中不能單獨(dú)的作為“電源”。( Kirch

16、hoffs Laws )1.7定律定律包括壓定律。電流定律和電它反映了電路中所有支路電壓和電流的約束關(guān)系，是分析集中參數(shù)電路的基本定律。定律與元件特性了電路分析的基礎(chǔ)。1.7.1電路的圖電路中的幾個(gè)基本名詞：二端元件（或稱(chēng)一端口元件）支路（branch）：電路中通過(guò)同一電流的每個(gè)分支。支路電流u1-支路電壓結(jié)點(diǎn)（node）i+1i231332i2i5i6654i4741i1ii1i21i3iiii2323i = 0i = 0+-1.圖中每一個(gè)線(xiàn)段對(duì)應(yīng)電路圖中的一個(gè)二端元件，也可以代表電路圖中的一條典型支路。在圖論中常提到移去某一支路，這一支路被移去后，其兩個(gè)端點(diǎn)應(yīng)予保留。圖允許孤立結(jié)點(diǎn)存在。圖

17、僅反映電路圖中各支路及結(jié)點(diǎn)的連接方式，并不能反映它們之間的電氣特性。2.3.4.LR2CuSR15.172231325578984566 .(Tree)TG(1)(2)(3)GGTbt= n-1bl=b-(n-1)441143556327獨(dú)立7、平面圖與非平面圖，網(wǎng)孔（mesh）b n + 18.QG(1)(2)QQG63211123334566451Q1: 2 , 3 , 6 Q2: 3 , 5 , 4Q3: 1 , 5 ,3 , 6 1.7.2電流定律 (KCL)：1、定律內(nèi)容：在任何集數(shù)電路中，在任一時(shí)刻，流出(流入)任一結(jié)點(diǎn)的各支路電流的代數(shù)和為零。 即ik(t)=0u1-i+1i32

18、133-i2+ i3+ i5=0i 1 i 3+ i6=02i5i2i6654i4i77KCL的列寫(xiě)步驟：54指定各支路的參考方向；按照參考方向離開(kāi)結(jié)點(diǎn)的取正號(hào)，進(jìn)入結(jié)點(diǎn)的取負(fù)號(hào)列寫(xiě)方程12、廣義的KCL：在任一時(shí)刻，流出（或流進(jìn)）閉合曲面的各支路電流的代數(shù)和等于零。針對(duì)結(jié)點(diǎn)的表述方式可以認(rèn)為是它的特殊情況。u1-i+1對(duì)封閉面： i 1 i2 + i5+ i6=0i321332iii對(duì)結(jié)點(diǎn)2、3列寫(xiě)KCL方程：52665結(jié)點(diǎn)2：-i +i +i =04i4253結(jié)點(diǎn)3：-i1-i3+i6=0i77541BA =?= i11B1.i112+i =?=i121312_A = Bi1 =i21AB A =?= i3 =?=i4A = Bi3 =i42.iiB13114+1312_1A不會(huì)有電流。1.7.3電壓定律 (KVL)1、定律內(nèi)容：在任何集數(shù)電路中，在任一時(shí)刻，沿任一閉合路徑(為零。 即按固定