電工及電子基礎(chǔ)

1、電子學(xué)主要研究電子的特性和行為，以及電子器件的物理學(xué)科。電子技術(shù)則是應(yīng)用電子學(xué)的 原理設(shè)計和制造電路、電子器件來解決實(shí)際問題的科學(xué)。電工學(xué)指研究電磁領(lǐng)域的客觀規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)，以及電力生產(chǎn)和電工制造兩大工業(yè) 生產(chǎn)體系。電工學(xué)的內(nèi)容主要是基本的電氣元件、電路原理和電子學(xué)的一般知識。電荷（electric charge），帶正負(fù)電的基本粒子，稱為電荷，帶正電的粒子叫正電荷（表示 符號為+”），帶負(fù)電的粒子叫負(fù)電荷（表示符號為“-”。也是某些基本粒子（如電子和質(zhì) 子）的屬性，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電荷是許多次原子粒子所擁有的一種 基本守恒性質(zhì)。稱帶有電荷的粒子為“帶電粒子”。電荷

2、決定了帶電粒子在電磁方面的物理 行為。靜止的帶電粒子會產(chǎn)生電場，移動中的帶電粒子會產(chǎn)生電磁場，帶電粒子也會被電磁 場所影響。一個帶電粒子與電磁場之間的相互作用稱為電磁力或電磁相互作用。這是四種基 本相互作用中的一種。電荷的多少叫電荷量即物質(zhì)、原子或電子等所帶的電的量。電荷的符 號是Q，單位是庫侖（記號為C）簡稱庫。正電荷：人們規(guī)定用絲綢摩擦過的玻璃棒帶的是 正電荷。負(fù)電荷:人們規(guī)定用毛皮摩擦過的橡膠棒帶的是負(fù)電荷。根據(jù)電場作用力的方向性， 電荷可分為正電荷與負(fù)電荷，電子則帶有負(fù)電。電磁，物理概念之一，是物質(zhì)所表現(xiàn)的電性和磁性的統(tǒng)稱。如電磁感應(yīng)、電磁波等等。電磁 是法拉第發(fā)現(xiàn)的。電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的原

3、因在于電荷運(yùn)動產(chǎn)生波動，形成磁場，因此所有的電磁 現(xiàn)象都離不開磁場。電磁學(xué)是研究電磁和電磁的相互作用現(xiàn)象，及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分 支學(xué)科。電荷：某些亞原子粒子的內(nèi)涵性質(zhì)。這性質(zhì)決定了它們彼此之間的電磁作用。帶電荷的物質(zhì) 會被外電磁場影響，同時，也會產(chǎn)生電磁場。電流：帶電粒子的移動，通常以安培為度量單位。電場：由電荷產(chǎn)生的一種影響。附近的其它電荷會因這影響而感受到電場力。電勢：單位電荷在靜電場的某一位置所擁有的電勢能，通常以伏特為度量單位。電磁作用：電磁場與靜止或運(yùn)動中的電荷之間的一種基本相互作用。1752年，富蘭克林在一個風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)中，將系上鑰匙的風(fēng)箏用金屬線放到云層中，被雨淋濕 的金屬線將空

4、中的閃電引到手指與鑰匙之間，證明了空中的閃電與地面上的電是同一回事。 后來他根據(jù)這個原理，發(fā)明了避雷針。1799年，意大利科學(xué)家伏特以含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中間，堆積成圓柱 狀，制造出世界上最早的電池一伏特電池。1821年英國人法拉第完成了一項(xiàng)重大的電發(fā)明。在這兩年之前，奧斯特已發(fā)現(xiàn)如果電 路中有電流通過，它附近的普通羅盤的磁針就會發(fā)生偏移。法拉第從中得到啟發(fā)，認(rèn)為假如 磁鐵固定，線圈就可能會運(yùn)動。根據(jù)這種設(shè)想，他成功地發(fā)明了一種簡單的裝置。在裝置內(nèi)， 只要有電流通過線路，線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉(zhuǎn)動。事實(shí)上法拉第發(fā)明的是第一臺電 動機(jī)，是第一臺使用電流將物體運(yùn)動的裝置。雖然裝

5、置簡陋，但它卻是今天世界上使用的所 有電動機(jī)的祖先。1831年，法拉第制出了世界上最早的第一臺發(fā)電機(jī)。他發(fā)現(xiàn)第一塊磁鐵 穿過一個閉合線路時，線路內(nèi)就會有電流產(chǎn)生，這個效應(yīng)叫電磁感應(yīng)。一般認(rèn)為法拉第的電 磁感應(yīng)定律是他的一項(xiàng)最偉大的貢獻(xiàn)。1866年德國人西門子（Siemens）制成世界上第一臺工業(yè)用發(fā)電機(jī)。公元1600年，英國醫(yī)生吉爾伯特（15441603）做了多年的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了 “電力”，“電吸 引”等許多現(xiàn)象。本杰明富蘭克林美國科學(xué)家，1752年7月用風(fēng)箏吸引雷電的危險試驗(yàn)， 使人們認(rèn)識到雷電是一種電。1839年英國法官William Grove在一項(xiàng)業(yè)余的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了神 奇的燃料電池。18

6、66年，德國工程師西門子，發(fā)明強(qiáng)力發(fā)電機(jī)，并用于機(jī)車上，電真正進(jìn) 入人類社會生產(chǎn)。線性元件和非線性元件：在金屬導(dǎo)體中，電流跟電壓成正比，伏安特性曲線是通過坐標(biāo)原點(diǎn) 的直線，具有這種伏安特性的電學(xué)元件叫做線性元件。對歐姆定律不適用的導(dǎo)體和器件，電 流和電壓不成正比的電學(xué)元件叫做非線性元件。非線性元件是一種通過它的電流與加在它兩 端電壓不成正比的電工材料，即它的阻值隨外界情況的變化而改變。求解含有非線性元件的 電路問題通常要借助U-I圖像：在定性分析中，重點(diǎn)是掌握理論上的分析方法；而在定量計 算中，一般求出的都只能是近似結(jié)果。線性元件：在電子電路中，線性元件是一種電子元件， 與電流和電壓有線性的關(guān)

7、系。電阻是最普遍的線性元件范例，其他的例子如電容，電感，變 壓器和運(yùn)算放大器。線性元件是指輸出量和輸入量具有正比關(guān)系的元件。例如在溫度不變的 情況下金屬電阻元件的兩端電壓同電流的關(guān)系就可以認(rèn)為是線性的。電子元器件具有這種關(guān) 系的很多。質(zhì)量差的元器件會出現(xiàn)“線性失真”。非線性元件其輸入輸出不呈“線性”關(guān)系。 當(dāng)信號通過一個元器件后，信號的波形沒有改變，我們就稱之為線性器件；比如電阻，電容。 當(dāng)信號通過一個元器件后，信號的波形被改變了，我們就稱之為非線性器件；比如二極管， 交流信號通過它以后，只剩下半邊了。線性電路與非線性電路也是這樣；當(dāng)信號通過一個電 路后，信號的波形沒有改變，我們就稱之為線性電

8、路；當(dāng)信號通過一個電路后，信號的波形 被改變了，我們就稱之為非線性電路。即輸入值與輸出值的函數(shù)曲線為直線，就是我們所說 的線性；否則就是非線性。（注：這里說的“輸入值與輸出值的函數(shù)”其實(shí)就是“輸入值與 輸出值的一個比例k”，一般元件的k=1，功放元件不等于1，但是是一個常數(shù)。也就是說， k為固定常數(shù)的時候，電路時線性電路，k不固定的時候?yàn)榉蔷€性元件。線性電路是指完全由線性元件、獨(dú)立源或線性受控源構(gòu)成的電路。線性就是指輸入和輸出之 間關(guān)系可以用線性函數(shù)表示。齊次，非齊次是指方程中有沒有常數(shù)項(xiàng)，即所有激勵同時乘以 常數(shù)k時，所有響應(yīng)也將乘以k。非線性電路含有非線性元件的電路。這里的非線性元件不包括

9、獨(dú)立電源。非線性元件電路是 指由非線性元件構(gòu)成的電路如線圈，電容等夠成的LR,CR,LC,LCR電路等，這些可構(gòu)成微分電路 或積分電路，這就是非線性電路。.線性電路是指完全由線性元件構(gòu)成的電路，如純粹由電阻電源等線性元件構(gòu)成的電路就是線 性元件（電路）.線性就是指輸入和輸出之間關(guān)系是否可以用線性函數(shù)表示。非線性電路是 含有除獨(dú)立電源之外的非線性元件的電路。電工中常利用某些元器件的非線性。例如，避雷 器的非線性特性表現(xiàn)為高電壓下電阻值變小，這可用于保護(hù)雷電下的電工設(shè)備。非線性電路 有6個特點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)不唯一。用刀開關(guān)斷開直流電路時，由于電弧的非線性使這時的電路出 現(xiàn)由不同起始條件決定的兩個穩(wěn)態(tài)一一一

10、個有電弧，因而電路中有電流；另一個電弧熄滅， 因而電路中無電流。自激振蕩。在有些非線性電路里，獨(dú)立電源雖然是直流電源，電路的 穩(wěn)態(tài)電壓（或電流）卻可以有周期變化的分量，電路里出現(xiàn)了自激振蕩。音頻信號發(fā)生器的 自激振蕩電路中因有放大器這一非線性元件，可產(chǎn)生其波形接近正弦的周期振蕩。諧波。 正弦激勵作用于非線性電路且電路有周期響應(yīng)時，響應(yīng)的波形一般為非正弦的，含有高次諧 波分量或次諧波分量。例如，整流電路中的電流常會有高次諧波分量。跳躍現(xiàn)象。非線性 電路中，參數(shù)（電阻、電感、振幅、頻率等）改變到分岔值時響應(yīng)會突變，出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。 鐵磁諧振電路中就會發(fā)生電流跳躍現(xiàn)象。頻率捕捉。正弦激勵作用于自激振蕩

11、電路時，若 激勵頻率與自激振蕩頻率二者相差很小，響應(yīng)會與激勵同步?；煦纭?0世紀(jì)20年代， 荷蘭人B.范德坡爾描述電子管振蕩電路的方程，成為研究混沌現(xiàn)象的先聲?；鶢柣舴蚨墒堑聡锢韺W(xué)家基爾霍夫提出的?；鶢柣舴蚨墒请娐防碚撝凶罨疽彩亲钪?要的定律之一。它概括了電路中電流和電壓分別遵循的基本規(guī)律。它包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL）。基爾霍夫定律是求解復(fù)雜電路的電學(xué)基本定律?；鶢?霍夫定律建立在電荷守恒定律、歐姆定律及電壓環(huán)路定理的基礎(chǔ)之上，在穩(wěn)恒電流條件下嚴(yán) 格成立。當(dāng)基爾霍夫第一、第二方程組聯(lián)合使用時，可正確迅速地計算出電路中各支路的電 流值。由于似穩(wěn)電流（低頻交

12、流電）具有的電磁波長遠(yuǎn)大于電路的尺度，所以它在電路中每一 瞬間的電流與電壓均能在足夠好的程度上滿足基爾霍夫定律。因此，基爾霍夫定律的應(yīng)用范 圍亦可擴(kuò)展到交流電路之中。1、支路：（1）每個元件就是一條支路。（2）串聯(lián)的元件我們視它為一條支路。（3）流入等 于流出的電流的支路。2、節(jié)點(diǎn)：（1）支路與支路的連接點(diǎn)。（2）兩條以上的支路的連接點(diǎn)。（3）廣義節(jié)點(diǎn)（任意 閉合面）。3、回路：（1）閉合的支路。（2）閉合節(jié)點(diǎn)的集合。4、網(wǎng)孔：（1）其內(nèi)部不包含任何支路的回路。（2）網(wǎng)孔一定是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔?；鶢柣舴虻谝欢捎址Q基爾霍夫電流定律，簡記為KCL，是電流的連續(xù)性在 集總參數(shù)電路上的體現(xiàn)，

13、其物理背景是電荷守恒公理。基爾霍夫電流定律是確定 電路中任意節(jié)點(diǎn)處各支路電流之間關(guān)系的定律，因此又稱為節(jié)點(diǎn)電流定律，它的 內(nèi)容為：在任一瞬時，流向某一結(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于由該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和， 或者，更詳細(xì)描述，假設(shè)進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流為正值，離開這節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)值， 則所有涉及這節(jié)點(diǎn)的電流的代數(shù)和等于零。即：氾）入二i（t）出其夫宗律基爾霍夫定律在直流的情況下，則有：基爾霍夫定律通常把上兩式稱為節(jié)點(diǎn)電流方程，或稱為KCL方程。它的另一種表示為：= oj 、基爾霍夫定律在列寫節(jié)點(diǎn)電流方程時，各電流變量前的正、負(fù)號取決于各電流的參考方向 對該節(jié)點(diǎn)的關(guān)系（是“流入”還是“流出”）；而各電流值的正、負(fù)

14、則反映了該 電流的實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系（是相同還是相反）。通常規(guī)定，對參考方向背離（流出）節(jié)點(diǎn)的電流取正號，而對參考方向指向 （流入）節(jié)點(diǎn)的電流取負(fù)號。集中于電路中任一節(jié)點(diǎn)A的所有支路電流像函數(shù)的代數(shù)和等于零；或者電路 的任一割集C中所有支路電流像函數(shù)的代數(shù)和等于零。基爾霍夫第二定律又稱基爾霍夫電壓定律，簡記為KVL，是電場為位場時電 位的單值性在集總參數(shù)電路上的體現(xiàn)，其物理背景是能量守恒?；鶢柣舴螂妷憾?律是確定電路中任意回路內(nèi)各電壓之間關(guān)系的定律，因此又稱為回路電壓定律， 它的內(nèi)容為：在任一瞬間，沿電路中的任一回路繞行一周，在該回路上電動勢之 和恒等于各電阻上的電壓降之和，即：E=E=

15、基爾霍夫定律在直流的情況下，則有：電壓升=u電壓降基爾霍夫定律通常把上兩式稱為回路電壓方程，簡稱為KVL方程。KVL定律是描述電路中組成任一回路上各支路（或各元件）電壓之間的約束 關(guān)系，沿選定的回路方向繞行所經(jīng)過的電路電位的升高之和等于電路電位的下降 之和?；芈返摹袄@行方向”是任意選定的，一般以虛線表示。在列寫回路電壓方程 時通常規(guī)定，對于電壓或電流的參考方向與回路“繞行方向”相同時，取正號， 參考方向與回路“繞行方向”相反時取負(fù)號。KVL的應(yīng)用（2張）圖KVL的應(yīng)用所示為某電路中的一個回路ABCDA，各支路的電壓在所選擇的 參考方向下為u1、u2、u3、u4，因此，在選定的回路“繞行方向”下

16、有： u1+u2=u3+u4。KVL定律不僅適用于電路中的具體回路，還可以推廣應(yīng)用于電路中的任一假 想的回路。即在任一瞬間，沿回路繞行方向，電路中假想的回路中各段電壓的代 數(shù)和為零。圖KVL的推廣所示為某電路中的一部分，路徑a、f、c、b并未構(gòu)成回路， 選定圖中所示的回路“繞行方向”，對假象的回路afcba列寫KVL方程有： u4+uab=u5，則：uab=u5-u4。由此可見：電路中a、b兩點(diǎn)的電壓uab，等于以a為原點(diǎn)、以b為終點(diǎn)， 沿任一路徑繞行方向上各段電壓的代數(shù)和。其中，a、b可以是某一元件或一條 支路的兩端，也可以是電路中的任意兩點(diǎn)。KVL的復(fù)頻域形式對于電路中任一個回路，其時域形

17、式的KVL方程為文如二0基爾霍夫定律k=1,2,3,n。式中，n為回路中所含支路的個數(shù)。對上式進(jìn)行拉普拉斯變換即得式中，為支路電壓uk（t）的像函數(shù)。上式即為KVL的復(fù)頻域形式。它說明任 一回路中所有支路電壓像函數(shù)的代數(shù)和等于零。定律推導(dǎo)基爾霍夫第一定律的實(shí)質(zhì)是穩(wěn)恒電流情況下的電荷守恒定律其中推導(dǎo)過程中推出的重要方程是電流的連續(xù)性方程即SJ*dS=-dq/dt（第一個S是閉合曲面的積分號，J是電流密度矢量，*是矢量的點(diǎn)乘，dS是 被積閉合曲面的面積元，dq/dt是閉合曲面內(nèi)電量隨時間的變化率）意思是說電流場的電流線是有頭有尾的，凡是電流線發(fā)出的地方，該處的正電荷的電量隨時 間減少，電流線匯聚的

18、地方，該處的正電荷的電量隨時間增加對穩(wěn)恒電流，電流密度不隨時間變化，必有SJ*dS=-dq/dt=0，這就是穩(wěn)恒電流的閉合性，同 時也是基爾霍夫定律的推導(dǎo)基礎(chǔ)基爾霍夫第二定律的實(shí)質(zhì)是電力線閉合，也稱做:克希荷夫電路定律.戴維南定理（Thevenins theorem）又稱等效電壓源定律:含獨(dú)立電源的線性電阻單口網(wǎng)絡(luò)N， 就端口特性而言，可以等效為一個電壓源和電阻串聯(lián)的單口網(wǎng)絡(luò)。電壓源的電壓等于單口網(wǎng) 絡(luò)在負(fù)載開路時的電壓uoc；電阻R0是單口網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部獨(dú)立電源為零值時所得單口網(wǎng)絡(luò)N0 的等效電阻。注意事項(xiàng)（1）戴維南定理只對外電路等效，對內(nèi)電路不等效。也就是說，不 可應(yīng)用該定理求出等效電源電動勢和內(nèi)阻之后，又返回來求原電路（即有源二端網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電 路）的電流和功率。（2）應(yīng)用戴維南定理進(jìn)行分析和計算時，如果待求支路后的有源二端網(wǎng) 絡(luò)仍為復(fù)雜電路，可再次運(yùn)用戴維南定理，直至成為簡單電路。（3）戴維南定理只適用于線 性的有源二端網(wǎng)絡(luò)。如果有源二端網(wǎng)絡(luò)中含有非線性元件時，則不能應(yīng)用戴維南定理求解。（4）戴維南定理和諾頓定理的適當(dāng)選取將會大大化簡電路串聯(lián)電路總電阻推導(dǎo)公式，I=I1=I2=.=In U=U1+U2+.+Un又因?yàn)镮=U/R所以R=U/I所以 R=U/I=（U1+U2+.+Un）/I=U1/I1 + U2/I2