第 1 部分 电路的基本概念和基本定律1.1 电路与电路模型1、实际电路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。手电筒实际电路如图 1-1 (a) 所示。实际电路是为完成某种预期目的而设计、安装、运行也可以是在非预期情况如短路、漏电等由电路部件如电阻器、蓄电池等和电路器件如晶体管、集成电路等相互连接而成的电流通路装置。电路部件无源 / 独立储能、耗能基础实体元件典型举例电阻器、蓄电池。电路器件具备信号变换、放大、开关等可控功能的半导体 / 集成类实体典型举例晶体管、集成电路。对比维度电路部件电阻、蓄电池等电路器件晶体管、IC 等工作原理依靠基础电磁、热、化学效应工作电阻电能→热能蓄电池化学能↔电能依靠半导体 PN 结、微电子工艺实现电信号控制、放大、逻辑运算具备可控单向导电、开关特性功能定位完成能量传输、分配、储能、耗能是电路的 “能量载体”完成信号放大、开关、逻辑运算、信号采集处理是电路的 “控制核心”结构复杂度结构简单单一物理效应单功能电阻仅限流分压电池仅供电结构复杂晶体管含多层半导体集成电路内置成千上万晶体管、电阻电容集成多类功能可控性不可控电阻阻值固定蓄电池仅输出恒定电压无法用弱电控制通断 / 幅值电可控微小基极 / 栅极电压就能控制主回路电流可实现开关、放大、调制电路中提供电能或电信号的电器件和设备称为电源。消耗电能的电器件和设备称为负载。电源又称为激励或激励源由激励作用在电路中产生的电压和电流称为响应。根据激励和响应之间的因果关系也可以把激励称为输入响应称为输出。电路的基本功能有能量的传输、分配与转换和信息的传递、控制与处理。2、电路模型由理想电路元件取代每一个实际电路器件而构成的电路。手电筒电路模型如图 1-1 (b) 所示。理想电路元件是具有某种确定的电磁性质的假想元件。电路理论是研究电路的基本规律及其计算方法的学科采用模型分析法直接研究对象是电路模型而不是实际电路。电路模型是实际电路的科学抽象它是由电路元件按照一定方式用理想导线连接而成的整体。从实际电路抽象出电路模型本质上是把构成实际电路的电器件和设备抽象成电路元件的组合体。注意同一实际电路部件在不同的应用条件下其电路模型可以有不同的形式。例如实际线圈在不同使用条件下可以等效成不同的电路模型如图1-2所示。1.2 电流和电压的参考方向1.2.1 电流1、电流的大小单位时间内通过导体横截面的电荷量即2、电流的实际方向正电荷移动的方向。3、参考方向分析电路前任意假定的方向一旦确定一般不再改变。4、实际方向与参考方向的关系 如果实际电流方向与参考方向一致那么电流为正值实际电流方向与参考方向相反电流为负值。或者如果解出的电流为正值说明假设的参考方向就是实际电流方向如果解出的电流为负值说明假设的参考方向与实际电流方向相反其关系如图 1-3 所示。1.2.2 电压1、电压的大小等于电场力对单位正电荷从 A 点移到 B 点所作的功即2、电压的实际方向从高电位点 “” 指向低电位点 “-”。3、参考方向分析电路前任意假定的方向一旦确定一般不再改变。4、实际方向与参考方向的关系如果实际电压方向与参考方向一致那么电压为正值实际电压方向与参考方向相反电压为负值。或者如果解出的电压为正值说明假设的参考方向就是实际电流方向如果解出的电压为负值说明假设的参考方向与实际电流方向相反其关系如图1-4所示。注意对任何电路进行分析时应先标出各处的电压、电流的参考方向。1.2.3 关联参考方向在分析电路前电压和电流参考方向可以任意假定若假定电压和电流的参考方向相同则称为关联参考方向否则称非关联参考方向如图1-5所示。注意(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电压、电流的实际方向不变。5、电位的概念电路中某一点到参考点的电压。参考点的电位等于零。电路中电位与参考点的选择有关参考点改变电位值改变。两点间的电压降与参考点的选择无关参考点改变两点间电压降不变。1.3 电功率和能量1、电功率单位时间内电场力所做的功功率判断根据实际方向判断若u和i实际方向相同则吸收功率u和i实际方向相反则发出功率。根据参考方向判断如图 1-7 所示。1.4 基尔霍夫定律1.4.1 名词介绍1、支路流过同一电流的分支称为一条支路则图 1-11 中 b3。2、结点三条和三条以上的支路联接点为结点则图 1-11 中 n2。a 和 b 两个结点。3、回路由支路组成的闭合路径称为回路。4、网孔内部如果不含任何支路的回路。注意网孔是回路但回路不一定是网孔。1.4.2 基尔霍夫电流定律KCL1、定义集中参数电路中对任意结点任何时刻流出该结点的电流的代数和等于零。即表明KCL 可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面又称高斯面、广义结点。明确1KCL 是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映2KCL 是对结点处支路电流加的约束与支路上接的是什么元件无关与电路是线性还是非线性无关3KCL 方程是按电流参考方向列写的与电流实际方向无关。1.4.3 基尔霍夫电压定律KVL1、定义对集总参数电路任一时刻沿任一回路绕行一周电压的代数和恒等于零。两点间的电压与路径无关。扩展KVL也适用于电路中任一假想的回路。1.4 习题