第一講電路基本概念和電路定律

1、電路分析電路分析主講：杜和軍電話號(hào)：637559 電路分析電路分析教學(xué)大綱總學(xué)時(shí)：72 學(xué)時(shí)，其中，理論學(xué)時(shí)：72 學(xué)時(shí)；學(xué)分：4分實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：?jiǎn)为?dú)設(shè)課18 學(xué)時(shí)適應(yīng)專業(yè)：電子、電氣、信息類本科各專業(yè)先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)一、課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)一、課程的性質(zhì)、目的與任務(wù)電路原理電路原理課程是電氣信息學(xué)科的學(xué)科基礎(chǔ)課，是課程是電氣信息學(xué)科的學(xué)科基礎(chǔ)課，是電類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。它既是電氣電類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。它既是電氣信息類專業(yè)課程體系中高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課信息類專業(yè)課程體系中高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課的后續(xù)課

2、程，又是電氣信息類所有專業(yè)的后續(xù)技術(shù)基的后續(xù)課程，又是電氣信息類所有專業(yè)的后續(xù)技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)。在整個(gè)電氣信息類專業(yè)的礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)。在整個(gè)電氣信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著承前啟后的重要作用人才培養(yǎng)方案和課程體系中起著承前啟后的重要作用。 電路原理電路原理課程的任務(wù)是：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生課程的任務(wù)是：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電路的基本理論、分析計(jì)算電路的基本方法和進(jìn)行掌握電路的基本理論、分析計(jì)算電路的基本方法和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的初步技能，并為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路知識(shí)。實(shí)驗(yàn)的初步技能，并為后續(xù)課程準(zhǔn)備必要的電路知識(shí)。z電路原理電路原理課程理論嚴(yán)密，邏輯性強(qiáng)，有

3、廣闊的工程課程理論嚴(yán)密，邏輯性強(qiáng)，有廣闊的工程背景，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的辨證思維能力，樹立理論聯(lián)系實(shí)際背景，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的辨證思維能力，樹立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)和提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，都的科學(xué)觀點(diǎn)和提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，都有重要的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌握電路有重要的作用。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌握電路理論的基礎(chǔ)知識(shí)，電路分析的基本方法。理論的基礎(chǔ)知識(shí)，電路分析的基本方法。z教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握電路的基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)會(huì)分析計(jì)算電路的基本方法以及初步的實(shí)驗(yàn)技能?；疽螅夯疽螅簔 掌握參考方向，等效二端網(wǎng)絡(luò)等基本概念；z 掌握直流線

4、性電路的分析方法；z 掌握線性電路瞬態(tài)過程的分析方法；z 掌握交流線性穩(wěn)態(tài)電路的分析方法；z 掌握二端口網(wǎng)絡(luò)以及含多端元件電路的分析方法；z 掌握網(wǎng)絡(luò)圖論的基本知識(shí)；z 掌握非線性電阻電路的一般分析方法；z 正確地使用常用電工測(cè)量?jī)x表和儀器，具有初步的實(shí)驗(yàn)技能。z 學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)方法：z 上課認(rèn)真聽講，盡量做到不缺課，不請(qǐng)假。z 課后復(fù)習(xí)，把當(dāng)天講的知識(shí)弄懂鞏固。z 認(rèn)真、獨(dú)立完成作業(yè)，多做習(xí)題。電路基本概念和電路定律電路基本概念和電路定律1.1 、 電路和電路模型電路和電路模型 1.2、電流和電壓的參考方向電流和電壓的參考方向1.3、電功率和能量電功率和能量基本要求：基本要求：建立實(shí)際電路與

5、電路模型的概念；熟練掌握：電路變量（電壓和電流）及其參考方向；二端電路元件及其約束關(guān)系；電功率的計(jì)算方法主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1.1 電路和電路模型 1.1.1 電路的作用及組成部分z電路在日常生活、 生產(chǎn)和科學(xué)研究工作中得到了廣泛應(yīng)用。在收錄機(jī)、 電視機(jī)、 錄像機(jī)、 音響設(shè)備、 計(jì)算機(jī)、 通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中都可以看到各種各樣的電路。這些電路的特性和作用各不相同。z電路的一種作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。電路的一種作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。z 例如，電力網(wǎng)絡(luò)將電能從發(fā)電廠輸送到各個(gè)工廠、 廣大農(nóng)村和城市的千家萬戶，供各種電器與設(shè)備使用。z 另一類電路主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和處理，這類電路有時(shí)候

6、稱為電子電路或弱電電路。 z 最簡(jiǎn)單的例子就是收音機(jī)電路，其中天線用以接收無線電波，向電路提供電信號(hào)，是收音機(jī)電路的信號(hào)源，屬于另一類電源；耳機(jī)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音的器件，屬于另一類負(fù)載。z電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)，是電路的3個(gè)基本組成部分。1.1.2 電路元件和電路模型z 用于構(gòu)成實(shí)際電路的電器設(shè)備和器件，統(tǒng)稱為實(shí)際電路元件，簡(jiǎn)稱為實(shí)際元件。 z 實(shí)際元件不但種類繁多，而且對(duì)一個(gè)實(shí)際元件來說，其電磁性能也不是單一的。z 例如，實(shí)驗(yàn)室用的滑線變阻器由導(dǎo)線繞制而成，當(dāng)有電流通過時(shí)，不僅會(huì)消耗電能（具有電阻性質(zhì)），而且還會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（具有電感性質(zhì)）；不僅如此，導(dǎo)線的匝與匝之間還存在分布電容（具有電容性質(zhì)

7、）。z 為了便于對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析和數(shù)學(xué)描述，在電路理論中為了便于對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行分析和數(shù)學(xué)描述，在電路理論中采用了模型的概念，這就是在一定條件下，對(duì)實(shí)際元件加采用了模型的概念，這就是在一定條件下，對(duì)實(shí)際元件加以近似化、理想化，用只具有單一電磁性能的理想電路元以近似化、理想化，用只具有單一電磁性能的理想電路元件來代表它。件來代表它。z 以后常將理想電路元件簡(jiǎn)稱為電路元件，它們都有各自的將理想電路元件簡(jiǎn)稱為電路元件，它們都有各自的精確定義和數(shù)學(xué)模型，在電路中用規(guī)定的符號(hào)表示。精確定義和數(shù)學(xué)模型，在電路中用規(guī)定的符號(hào)表示。z 有理想電路元件的電路，稱為電路模型。 z 今后我們研究的電路都是電路模型，

8、并非實(shí)際電路。z所有的實(shí)際電路，不論簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的，都可以用幾種電路元件所構(gòu)成的電路模型來表征。 z例如，手電筒的連接電路如圖1-1-1所示。 圖圖1-1-1 手電筒連接電路手電筒連接電路 z 圖1-1-2（a）所示為手電筒的簡(jiǎn)單電路，圖中用兩根導(dǎo)線將燈泡和干電池連接起來形成閉合通路，使燈泡發(fā)光，用來照明。 z 其電路模型如圖1-1-2（）所示。 圖圖1-1-手電筒電路手電筒電路z 用理想電路元件或它們的組合模擬實(shí)際器件就用理想電路元件或它們的組合模擬實(shí)際器件就是建立其模型，簡(jiǎn)稱建模。是建立其模型，簡(jiǎn)稱建模。z 有的電路建模比較簡(jiǎn)單，如上述手電筒的例子。z 有的器件或系統(tǒng)在建模時(shí)需要考慮其工

9、作條件，工作條件不同，同一實(shí)際器件可能會(huì)采用不同的模型；有的器件或系統(tǒng)在建模時(shí)則需要深入分析其中的物理現(xiàn)象。理想電路元件理想電路元件 由實(shí)際元件抽象出來具有某種單一電磁性質(zhì)的假想元件由實(shí)際元件抽象出來具有某種單一電磁性質(zhì)的假想元件。 幾種基本的理想電路元件幾種基本的理想電路元件 電阻電阻（resistor）元件：元件：表示消耗電能的元件。表示消耗電能的元件。 電感電感（ inductor ）元件：元件：表示各種電感線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)、儲(chǔ)存表示各種電感線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)、儲(chǔ)存能量的作用。能量的作用。 電容電容（ capacitor ）元件：元件：表示各種電容器產(chǎn)生電場(chǎng)、儲(chǔ)存表示各種電容器產(chǎn)生電場(chǎng)、儲(chǔ)存能量的

10、作用。能量的作用。 電源電源（ source ）元件：元件：表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成表示各種將其它形式的能量轉(zhuǎn)變成電能的元件。電能的元件。 RCL susi1.1.3 電路的工作方式z 電路在工作時(shí)，對(duì)電源來說，通常處于3種方式之一：負(fù)載、空載和短路。z 負(fù)載工作時(shí)，負(fù)載與電源接通，負(fù)載中有電流通過，該電流稱為負(fù)載電流，負(fù)載電流的大小與負(fù)載電阻有關(guān)。一般所說的負(fù)載的大小，指的是負(fù)載電流或功率的大小，而不是指負(fù)載電阻的大小。z空載時(shí)，負(fù)載與電源未接通，電路不通，電路中的電流為零。 這時(shí)電源的端電壓叫做空載電壓或開路電壓。z短路是指由于某種原因使電源兩端直接接通，這時(shí)電源兩端的外電阻等于零，

11、電源輸出的電流僅由電源內(nèi)阻限制，此電流稱為短路電流。 一般電源內(nèi)阻很小，所以此電流將很大，以致燒毀電源、導(dǎo)線等。1.2 電流和電壓的參考方向z 描述電路工作情況的物理量主要有電流、電壓、電荷、磁通、磁通鏈、電功率和電能量，稱為電路的基本變量，通常分別用i、u、q、P和W表示。z在電路分析中，當(dāng)涉及某個(gè)元件或部分電路的電流或電壓時(shí)，有必要指定電流或電壓的參考方向有必要指定電流或電壓的參考方向，因?yàn)殡娏骰螂妷旱膶?shí)際方向一般是未知的，有的可能是隨時(shí)間變動(dòng)的，而確定變量的參考方向可以使實(shí)際問題的求解簡(jiǎn)單化。1.2.1 電流的參考方向z 電荷的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成了電流。z 習(xí)慣上把正電荷運(yùn)動(dòng)的方向規(guī)定為電流

12、的實(shí)際方向，設(shè)dt時(shí)間內(nèi)通過電路橫截面的電荷量為dq，則有ddqit單位名稱：安（培）單位名稱：安（培） 符號(hào)：符號(hào)：A (Ampere，)國(guó)際單位制(SI)中，電荷的單位是庫(kù)侖(C)，時(shí)間的單位是秒(s)，電流的單位是安培， 簡(jiǎn)稱安(A)?；倦姾苫倦姾蒭1.602189210-19庫(kù)侖。是一個(gè)電子或一個(gè)質(zhì)子庫(kù)侖。是一個(gè)電子或一個(gè)質(zhì)子所帶的電量。所帶的電量。 1 kA= 103 A 1 mA=103A 1 A=106 A符號(hào)符號(hào) T G M k c m n p 中文中文 太太 吉吉 兆兆 千千 厘厘 毫毫 微微 納納 皮皮 數(shù)量數(shù)量 1012 109 106 103 102 103 106

13、 109 1012 SI制中，一些常用的十進(jìn)制倍數(shù)的表示法制中，一些常用的十進(jìn)制倍數(shù)的表示法 z 電流的大小和方向?qū)﹄娐返墓ぷ鳡顟B(tài)都有影響，所以在描述電路中的電流時(shí)要同時(shí)給出電流的大小和方向。 z 圖1-2-1所示為電路的一部分，其中方框代表某一個(gè)二端元件。 圖圖-2- 電流的參考方向電流的參考方向 電流i流過該元件時(shí)，其實(shí)際方向只有兩種可能性，或是從A到B，或是從B到A，這時(shí)可選定其中任意一個(gè)方向作為電流的參考方向，它不一定是電流的實(shí)際方向。一旦指定了電流的參考方向，電流便成為了代數(shù)量。一般電路圖中用實(shí)線箭頭代表電流的參考方向。 在圖1-2-1（a）中，電流的參考方向與實(shí)際方向相同，此時(shí)電流

14、i為正值，即i0；在圖1-2-1（b）中，電流的參考方向與實(shí)際方向相反，此時(shí)電流為負(fù)值，即i0 。 電流的參考方向除了用實(shí)線箭頭表示之外，也可以用雙下標(biāo)表示，如iAB代表電流的參考方向是由到，如圖1-2-2所示。圖圖-2- 電流參考方向的雙下標(biāo)表示法電流參考方向的雙下標(biāo)表示法這樣，在設(shè)定了電流的參考方向后，就可以根據(jù)電流i的正負(fù)值來判斷實(shí)際方向。 1.2.2 電壓的參考方向在電磁學(xué)中已經(jīng)知道，電荷在電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用，當(dāng)把電荷由電場(chǎng)中的一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)一定會(huì)對(duì)電荷做功。處在電場(chǎng)中的電荷具有電位（勢(shì)）能，恒定電場(chǎng)中的每一點(diǎn)有一定電位，由此引入重要的物理量電壓與電位。電場(chǎng)中某兩點(diǎn)、間的

15、電壓（或稱電壓降）UAB等于將正電荷q由A點(diǎn)移至B點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功WAB與該電荷q的比值，即ABABWUq電壓是對(duì)電路中兩點(diǎn)而言的，它表示兩點(diǎn)之間的電位差。電壓的實(shí)際方向規(guī)定為高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)，即電位下降的方向。與電流相似，電路中某兩點(diǎn)間的電壓的參考方向是任意假定的電位下降的方向。電壓參考方向的三種表示方式電壓參考方向的三種表示方式 (3) 用箭頭表示：用箭頭表示： 箭頭指向?yàn)殡妷海ń担┑膮⒖挤较?。箭頭指向?yàn)殡妷海ń担┑膮⒖挤较颉?(1) 用正負(fù)極性表示：用正負(fù)極性表示： 由正極指向負(fù)極的方向?yàn)殡妷海ń担┑膮⒖挤较?。由正極指向負(fù)極的方向?yàn)殡妷海ń担┑膮⒖挤较颉?(2) 用雙下標(biāo)表示：用雙下標(biāo)表示： 如如 UAB，由由A指向指向B的方向?yàn)殡姷姆较驗(yàn)殡妷簤海ń担┑膮⒖挤较?。（降）的參考方向?UU+ABUABBAABUU 與電流一樣，當(dāng)選定了電壓的參考方向后，電壓u就成了代數(shù)量。 若電壓的參考方向與實(shí)際方向相同，電壓值為正值，即u0；反之，若電壓的參考方向與實(shí)際方向相反，電壓值為負(fù)值，即u0。U 0參考方向參考方向U+參考方向參考方向U+ 0 吸收正功率吸收正功率 （實(shí)際吸收）（實(shí)際吸收）P0 吸收正功率吸收正功率 （實(shí)際吸收）（實(shí)際吸收）P0 吸收負(fù)功率吸收負(fù)功率 （實(shí)際發(fā)出）（實(shí)際發(fā)出） +iu 2. u