电路教案第1章n电路基础 第三版 西安电子科技大学出版社

西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作下一页前一 页第 1-1 页 退出本章1.1 电路模型一、 实际 电路组成与功能二、 电路模型1.2 电路变量一、电流二、电压三、电功率1.3 电阻元件 与 欧姆定律一、 电阻元件二、 欧姆定律三、电阻元件上消耗的功率与能量1.4 理想电源一、 理想 电压源二、 理想 电流源1.5 基尔霍夫定律一、基尔霍夫电流定律二、基尔霍夫电压定律1.6 电路等效一、电路等效的一般概念二、电阻的串联与并联等效三、 理想电源的串联与并联等效1.7 实际电源的模型及其互换等效一、 实际电源的模型二、 电压源、电流源模型互换等效1.8 电阻 形 、 Y形电路 互换等效一、 形 电路等效变换为 Y形电路二、 Y 形 电路等效变换为 形电路1.9 受控源及含受控源 电路 的等效一、受控源二、 路 含 受控涣电路的等效1.10 运算放大器概述一、 理想运放的符号及电路模型二、 理想运放的三种运算方式三、运放的两种典型运算点击目录 ，进入相关章节西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 由电器件相互连接所构成的电流通路称为电路。2、 实际电路的组成 提供电能的能源 ,简称 电源 ；电源、负载、导线 是任何实际电路都不可缺少的三个组成部分。1.1 电路模型 用电装置，统称其为 负载。它将电源提供的能量转换为其他形式的能量 ； 连接电源与负载而传输电能的金属导线，简称 导线。下一页前一 页第 1-2 页 返回 本章 目录1、 何谓电路 (circuit)?西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 实际电路种类繁多，功能各异。电路的主要作用可概括为两个方面： 进行能量的传输与转换；如电力系统的发电、传输等。 实现信号的传递与处理。如电视机、通信电路等。1.1 电路模型下一页前一 页第 1-3 页 返回 本章 目录3、 实际电路的功能西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作实际电路在运行过程中的表现相当复杂，如：制作一个电阻器是要利用它对电流呈现阻力的性质，然而当电流通过时还会产生磁场。要在数学上精确描述这些现象相当困难。为了用数学的方法从理论上判断电路的主要性能，必须对实际器件在一定条件下，忽略其次要性质，按其主要性质加以理想化，从而得到一系列理想化元件。这种理想化的元件称为实际器件的 “器件模型 ”。下一页前一 页第 1-4 页 返回 本章 目录1、 为什么要引入电路模型1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 理想电阻元件 ： 只消耗电能，如电阻器、灯泡、电炉等，可以用理想电阻来反映其消耗电能的这一主要特征； 理想电容元件 ： 只储存电能，如各种电容器，可以用理想电容来反映其储存电能的特征； 理想电感元件 ： 只储存磁能，如各种电感线圈，可以用理想电感来反映其储存磁能的特征；下一页前一 页第 1-5 页 返回 本章 目录2、 几种常见的理想化元件 （ 器件模型）1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 电路模型 是由若干理想化元件组成的；将实际电路中各个器件用其模型符号表示，这样画出的图称为称为实际电路的 电路模型图 ，常简称为 电路图 。 实际器件在不同的应用条件下，其模型可以有不同的形式；4、 说明 不同的实际器件只要有相同的主要电气特性，在一定的条件下可用相同的模型表示。如灯泡、电炉等在低频电路中都可用理想电阻表示。下一页前一 页第 1-6 页 返回 本章 目录3、 电路模型和电路图1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作如果实际电路的几何尺寸 l 远小于 其工作时电磁波的波长 ， 可以认为传送到电路各处的电磁能量是同时到达的，这时整个电路可以看成电磁空间的一个点。因此可以认为，交织在器件内部的电磁现象可以分开考虑；耗能 都集中于电阻元件，电能只集中于电容元件，磁能只集中于电感元件。下一页前一 页第 1-7 页 返回 本章 目录（ 1）、 集中参数电路 (lumped circuit)与分布参数电路 (distributed circuit)5、 电路分类1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作电路几何尺寸 l 远小于 其工作时电磁波波长 的电路称为 集中参数电路 ， 否则称为 分布参数电路 。例 （ 1） 电力输电线，其工作频率为 50Hz， 相应波长为 6000km，故 30km长的输电线 ，可以看作是集中参数电路。（ 2） 而对于电视天线及其传输线来说，其工作频率为 108Hz的数量级，如 10频道，其工作频率约为200MHz， 相应工作波长为 1.5m， 此时 0.2m长的传输线 也是分布参数电路。下一页前一 页第 1-8 页 返回 本章 目录1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作若描述电路特性的所有方程都是线性代数或微积分方程，则称这类电路是线性电路；否则为非线性电路。非线性电路在工程中应用更为普遍，线性电路常常仅是非线性电路的近似模型。但线性电路理论是分析非线性电路的基础。下一页前一 页第 1-9 页 返回 本章 目录（ 2）、 线性电路 (linear circuit)与非线性电路 (nonlinear circuit)1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作时不变电路 指电路中元件的参数值不随时间变化的电路；描述它的电路方程是常系数的代数或微积分方程。反之，由变系数方程描述的电路称为 时变电路。 时变量电路是最基本的电路模型，是研究时变电路的基础。本书主要讨论集中参数电路中的线性时不变电路。下一页前一 页第 1-10 页 返回 本章 目录（ 3）、 时不变电路 (time-invariant circuit)与时变电路 (time-varying circuit)1.1 电路模型西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 为了定量地描述电路的性能，电路中引入一些物理量作为电路变量；通常分为两类： 基本变量 和 复合变量 。 电流、电压由于易测量而常被选为基本变量。复合变量包括 功率 和 能量 等。一般它们都是时间 t的函数。下一页前一 页第 1-11 页 返回 本章 目录西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作1,2 电路变量在电场力作用下，电荷有规则的定向移动形成 电流，用 i (t)或 i表示。 单位： 安 培 （ A） 。 2、电流的大小 -电流强度，简称 电流式中 dq 为通过导体横截面的电荷量，电荷的单位：库 仑 （ C） 。 若 dq/dt即 单位时间内通过导体横截面的电 荷 量 为常数，这种电流叫做恒定电流，简称 直流电流 ，常用大写字母 I表示。E自由电子s下一页前一 页第 1-12 页 返回 本章 目录1、电流的形成西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 实际方向 规定为正电荷运动的方向。参考方向 假定正电荷运动的方向。规定： 若 参考方向与 实际方向 方向一致，电流为正值，反 之，电流为负值。为什么要引入参考方向？1,2 电路变量下一页前一 页第 1-13 页 返回 本章 目录3、电流的方向西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作如果电路复杂或电源为交流电源，则电流的实际方向难以标出。交流电路中电流方向是随时间变化的。1、原则上可任意设定；2、习惯上：A、 凡是一眼可看出电流方向的，将此方向为参考方向；B、 对于看不出方向的，可任意设定。参考方向假设说明两点：1,2 电路变量下一页前一 页第 1-14 页 返回 本章 目录判断 R3上电流 I3的方向？西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作1、 今后，电路图上只标参考方向。电流的参考方向是任意指定的，一般用箭头在电路图中标出，也可以用双下标表示；如iab表示电流的参考方向是由 a到 b。2、 电流是个既具有大小又有方向的代数量。在没有设定参考方向的情况下，讨论电流的正负毫无意义。1,2 电路变量下一页前一 页第 1-15 页 返回 本章 目录4、电流总结西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作电路中，电场力将单位正电荷从某点 a移到另一点 b所做的功，称为两点间的 电压 。功（能量）的单位： 焦 耳 (J); 电压的单位： 伏 特 (V)。2、电压的极性（方向）实际极性 ： 规定两点间电压的高电位端为 “ +” 极，低电位端为 “ -” 极。两点电位降低的方向也称为电压的方向。参考极性 ：假设的电压 “ +” 极和 “ -” 极。若 参考极性与实际极性 一致，电压为正值，反之，电压为负值。1.2 电路变量下一页前一 页第 1-16 页 返回 本章 目录1、电压的定义西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 电流和电压的参考方向可任意假定，而且二者是相互独立的。若选取电流 i的参考方向从电压 u的 “ +”极经过元件 A本身流向 “ -” 极，则称电压 u与电流 i对该元件取 关联参考方向 。否则，称 u与 i对 A是非关联的 。uA与 iA关联uB与 iB非 关联u与 i对 元件 1关联u与 i对元件 2非 关联1.2 电路变量下一页前一 页第 1-17 页 返回 本章 目录3、关联参考方向西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 1、今后，电路图中只标电压的参考极性。在没有标参考极性的情况下，电压的正、负无意义。3、电路图中 不标示电压 /电流参考方向时，说明电压 /电流参考方向与电流 /电压关联。2、电压的参考极性可任意指定，一般用 “ +” 、“ -” 号在电路图中标出，有时也用双下标表示，如 uab表示 a端为 “ +” 极， b端为 “ -” 极。4、大小和方向均不随时间变化的电流和电压称为直流电流和直流电压，可用大写字母 I和 U表示。1.2 电路变量下一页前一 页第 1-18 页 返回 本章 目录4、电压说明西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作2、功率与电压 u、 电流 i的关系单位时间电场力所做的功称为电功率，即： 简称功率，单位是 瓦 特 （ W） 。如图 (a)所示电路 N的 u和 i取 关联 方向 ,由于 i = d q/dt， u = dw/dq，故 电路消耗的功率为 p(t) = u(t) i(t)对于图 (b) ， 由于对 N而言 u和 i非关联，则 N消耗的功率为p(t) = - u(t) i(t)1.2 电路变量下一页前一 页第 1-19 页 返回 本章 目录1、功率的定义西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 利用前面两式计算电路 N消耗的功率时， 若 p0， 则表示电路 N确实消耗（吸收）功率； 若 p0， 则表示电路 N吸收的功率为负值，实质上它将产生（提供或发出）功率。当电路 N的 u和 i非 关联（如图 a） ，则 N产生功率的公式为由此容易得出，当电路 N的 u和 i关联（如图 a）， N产生功率的公式为 p(t) = - u(t) i(t)p(t) = u(t) i(t)1.2 电路变量下一页前一 页第 1-20 页 返回 本章 目录3、功率的计算西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作对于一个二端元件（或电路），如果w(t)0 ， 则称该元件（或电路）是无源的或是耗能元件（或电路） 。根据功率的定义 ，两边从 -到 t积分，并考虑 w(-) = 0，得（设 u和 i关联）1.2 电路变量下一页前一 页第 1-21 页 返回 本章 目录4、能量的计算西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作前面介绍勒电流、电压、功率和能量的基本单位分别是安 （ A)、伏 （ V)、 瓦 （ W)、 焦耳 （ J)， 有时嫌单位太大（无线电接收），有时又嫌单位太小（电力系统），使用不便。我们便在这些单位前加上国际单位制（ SI） 词头用以表示这些单位被一个以 10为底的正次幂或负次幂相乘后所得的 SI单位的倍数单位。因数 原文名称（法）中文名称 符号109 giga 吉 G106 mega 兆 M103 kilo 千 k10-3 milli 毫 m10-6 micro 微 10-9 nano 纳 n10-12 pico 皮 p1.2 电路变量下一页前一 页第 1-22 页 返回 本章 目录5、常用国际单位制（ SI） 词头西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作电路中最简单、最常用的元件是二端电阻元件，它是实际二端 电阻器件 的理想模型。若一个二端元件在任意时刻，其上电压和电流之间的关系 (Voltage Current Relation， 缩写为 VCR)， 能用 ui平面上的一条曲线表示，即有代数关系f (u， i) = 0则此二端元件称为电阻元件。元件上的电压电流关系 VCR也 常称为伏安关系(VAR)或伏安特性下一页前一 页第 1-23 页 返回 本章 目录1、电阻元件的定义西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作1.3 电阻元件与欧姆定律 如果电阻元件的 VCR在任意时刻都是通过 ui平面坐标原点的一条直线，如图 (a)所示，则称该电阻为 线性时不变电阻 ，其电阻值为常量，用 R表示。 若直线的斜率随时间变化 (如图 (b)所示 )，则称为 线性时变电阻 。 若电阻元件的 VCR不是线性的 (如图 (c)所示 ) ，则称此电阻 是非线性电阻 。本书重点讨论线性时不变电阻，简称为 电阻 。 下一页前一 页第 1-24 页 返回 本章 目录2、电阻的分类西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 对于（线性时不变）电阻而言，其 VCR由著名的 欧姆 定律 (Ohms Law)确定。电阻的单位为： 欧 姆 ()。电阻的倒数称为 电导 (conductance)，用 G表示，即 G = 1/R , 电导的单位是： 西 门子 (S)。应用 OL时注意： 欧姆定律只适用于线性电阻，非线性电阻不适用 ； 电阻上电压电流 参考方向的关联性 。下一页前一 页第 1-25 页 返回 本章 目录1、欧姆定律1.3 电阻元件与欧姆定律西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作 开路 (Open circuit)： R=， G=0， 伏安特性 短 路 (Short circuit) ： R=0 ， G=， 伏安特性下一页前一 页第 1-26 页 返回 本章 目录2、两种特殊情况1.3 电阻元件与欧姆定律西安电子科技大学电路与系统多媒体室制作下一页前一 页第 1-27 页 返回 本章 目录1.3 电阻元件与欧姆定律对于正电阻 R来说，吸收的功率总是大于或等于零。例 1 阻值为 2的电阻上的电压、电流参考方向关联，已知电阻上电压 u(t) = 4cost (V)， 求其上电流 i(t)和消耗的功率 p(t)。解： 因电阻上电压、电流参考方