电路第五版(邱关源)第一章讲解

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1、绪 论 l一、课程定位 l 电路课程是高等学校电子与电气信息类专业的重要的基 础课，是所有强电专业和弱电专业的必修课。 l课程学习的要求 l 通过本课程的学习，学生必须掌握电路的基本知识、电 路的基本分析方法和初步的实验技能，为进一步学习电路 理论打下初步的基础，为学习电子与电气信息类专业的后 续课程准备必要的电路知识。 二、电路理论及相关科学技术的发展简史 l 1、电路理论 l 是当代电气工程与电子科学技术的重要理论基础之一 。电路理论与电磁学、电子科学与技术、通信、电气工程 、自动控制、计算机科学技术等学科相互促进、相互影响 。经历了一个多世纪的漫长道路以后，电路理论已经发展 成为一门体系

2、完整、逻辑严密、具有强大生命力的学科领 域。 l2、相关科学技术发展简史 l 1729年英国人S格雷将材料分为两类导体与绝 缘体。 l1749年美国科学家富兰克林提出了正电和负电的 概念。 l17851789年，法国人库伦研究两个带电体间的 相互作用，提出了历史上最早的静电学定律 库伦定律。 l1800年意大利物理学家伏特发明了伏打电池 l1820年丹麦物理学家奥斯特通过实验发现了电流 的磁效应。 l1825年法国科学家安培提出了著名的安培环路定 律，为电动机的发明作了理论上的准备。 l1826年德国人欧姆提出了著名的欧姆定律。 l1831年英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象 。 l1834

3、年俄国人楞次提出著名的楞次定律。 l1845年德国科学家基尔霍夫提出了电路的两个基 本定律基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫 电压定律(KVL)，它是集总参数电路中电压、电流 必须服从的规律。 l1864年英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存 在，为电路理论奠定了坚实的基础。 l1866年德国工程师西门子发现了电动机原理并用 在发电机的改进上。 l1876年美国科学家贝尔发明了电话。 l1879年美国人爱迪生发明了碳丝灯泡。 l1912美国人WD库利奇发明了钨丝灯泡。 l1893年CP施泰因梅茨提出分析交流电路的复 数符号法（相量法），简化了交流电路的计算。 l1894年意大利人马尼和俄国的

4、波波夫分别发明了 无线电。 l1906年美国人德福雷斯特发明了真空三级管，它 对微弱的电信号有放大作用。 l1911年英国工程师O.亥维赛提出阻抗的概念，还 提出了求解电路瞬态过程的运算法。 l1918年福台克提出的对称分量法，简化了不对称 三相电路的分析。 l1920年G.A坎贝尔.K.瓦格纳研究了梯形结构的滤 波电路。 l1924年R.M.福斯特提出电感电容二端网络的电抗 定理。 l1925年英国人发明了 电视，同时美国无线电公司 的工程师兹沃雷金发明了电视显像管，1933年最 早发明了电视机，1936年黑白电视机正式问世。 l1958年发明了集成电路。 l20世纪30年代开始，电路理论已

5、形成一门独立的 学科。 l近代电路的特点 l（1）将图论引入电路理论之中。 l（2）出现大量新的电路元件、有缘器件。 l（3）在电路分析和设计中应用计算机后，使得对电路的 优化设计和故障诊断成为可能，大大地提高了电子产品地 质量并降低了成本。 三、电路理论的应用 l（1）为后续课程提供理论支持。如：模拟电子技术、数 字电子技术、信号与系统、电机学、电力系统分析、集成 电路设计、自动控制、电力电子等课程都用到电路理论。 l（2）电路理论在电力系统中应用，产生了电力系统分析 l这门学科。 四、电路理论与电路课程 l（3）在工程技术和生活实际中，电路理论有非常广阔的 应用。从简单的照明电路，到复杂的

6、电力系统；从单个的 手提电话、收音机、电视机，到卫星通信网络、计算机互 联网，都与电路有关系。 l 电路理论是一门研究电路分析和网络综合与设计基本规 律的基础工程学科。 l（1）电路分析是在电路给定、参数已知的条件下，通过 求解电路中的电压、电流而了解电网络具有的特性。 l（2）网络综合与设计是在给定电路技术指标的情况下， 设计出电路并确定元件参数，使电路的性能符合设计要求 。 第1章 电路模型和电路定律 电路和电路模型1.1 电阻元件1.5 电流和电压的参考方向1.2 电压源和电流源1.6 电功率和能量1.3 受控电源1.7 电路元件1.4 基尔霍夫定律1.8 首 页 本章重点 1. 电压、

7、电流的参考方向 3. 熟练掌握基尔霍夫定律，并能灵活 地运用于电路的分析计算。 l 重点： 2. 电阻元件和电源元件的特性 返 回 1.1 电路和电路模型 circuit and circuit model 下 页上 页 1.电路及其功能 实际电气装置种类繁多，如自动控制设备，卫星接收设备， 邮电通信设备等；实际电路的几何尺寸也相差甚大，如电力 系统或通信系统可能跨越省界、国界甚至是洲际的，但集成 电路的芯片有的则小如指甲。 为了分析研究实际电气装置的需要和方便，常采用模型化 的方法，即用抽象的理想元件及其组合近似地代替实际的 器件，从而构成了与实际电路相对应的电路模型。 返 回 下 页上 页

8、 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。 2.实际电路 功能 a 能量的传输、分配与转换； b 信息的传递、控制与处理。 建立在同一电路理论基础上。 共性 返 回 右图是我们日常生活中的手电筒电路，就是一个最简单的实际 电路。它由3部分组成：（1）是提供电能的能源,简称电源；（ 2）是用电装置，统称其为负载，它将电能转换为其他形式的能 量；3）是连接电源与负载传输电能的金属导线，简称导线。电 源、负载连接导线是任何实际电路都不可缺少的3个组成部分。 导线 电池 开关 灯泡 反映实际电路部件的主要电磁 性质的理想电路元件及其组合。 电路图 l理想电路元件 有某种确定的电磁性能的理

9、想 元件。 l电路模型 下 页上 页返 回 3. 电路模型 circuit model 则手电筒的电路模 型如右图所示。 5种基本的理想电路元件： 电阻元件：表示消耗电能的元件 电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件 电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件 电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。 5种基本理想电路元件有三个特征： （a）只有两个端子； （b）可以用电压或电流按数学方式描述； （c）不能被分解为其他元件。 下 页上 页 注意 返 回 具有相同的主要电磁性能的实际电路部件， 在 一定条件下可用同一电路模型表示； 同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路

10、模型可以有不同的形式。 下 页上 页 例电感线圈的电路模型 注意 返 回 1.2 电流和电压的参考方向 current 、voltage and referent direction 电路中的主要物理量有电压、电流、电荷、磁 链、能量、电功率等。在线性电路分析中人们主要 关心的物理量是电流、电压和功率。 1.电流的参考方向 l电流 l电流强度 带电粒子有规则的定向运动 单位时间内通过导体横截面的电荷量 下 页上 页返 回 l方向 规定正电荷的运动方向为电流的实际方向 l单位 1kA=103A 1mA=10-3A 1 A=10-6A A（安培）、 kA、mA、A 元件(导线)中电流流动的实际方向

11、只有两种可能: 实际方向 A B 实际方向 A B 对于复杂电路或电路中的电流随时间变化 时，电流的实际方向往往很难事先判断。 下 页上 页 问题 返 回 l参考方向 大小 方向(正负） 电流(代数量) 任意假定一个正电荷运动的方 向即为电流的参考方向。 i 0 i 0 参考方向 U + 参考方向 U + 0 吸收正功率 (实际吸收) P0 吸收正功率 (实际吸收) P0 吸收负功率 (实际发出) l u, i 取非关联参考方向 下 页上 页 + -i u + - i u 返 回 10V 5A N1N2 接例 1 计算二端网络N1和N2的电功率 解：解： PN1 = 105 = 50 W 网络

12、 N1 吸收的电功率： PN2 = 10(-5) = -50 W 网络 N2吸收的电功率： 网络 N1 吸收的电功率 = 网络 N2 放出的电功率 所以，功率守恒 例 求图示电路中各 方框所代表的元件吸 收或产生的功率。 下 页上 页 已知： U1=1V, U2= -3V，U3=8V, U4= -4V, U5=7V, U6= -3V，I1=2A, I2=1A,，I3= -1A 5 6 4 1 2 3 I2 I3 I1 + + + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1 返 回 解 对一完整的电路，满足：发出的功率吸收的功率 下 页上 页 5 6 4 1 2 3 I2 I3 I1 + +

13、 + + + + U6 U5 U4 U3 U2 U1 注意 返 回 下 页上 页 1.4 电路元件-circuit element 是电路中最基本的组成单元。1. 电路元件 返 回 5种基本的理想电路元件： 电阻元件：表示消耗电能的元件 电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件 电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元件 电压源和电流源：表示将其它形式的能量转变成 电能的元件。 注意 如果表征元件端子特性的数学关系式 是线性关系，该元件称为线性元件，否则称 为非线性元件。 2 集总参数电路与分布参数电路 如果实际电路的几何尺寸远小于其工作信号 的波长时，可以认为电流传送到电路的各处是 同时到

14、达的，即没有时间延迟，这时整个电路 可以看成电磁空间的一个点。这种条件下的电 路称为集总参数电路（lumped circuit），否则 就称为分布参数电路（distributed circuit）。 集总条件 集成片尺寸0.5cm 0.5cm，工作频率 f = 100MHz， 波长 ，则为集总参数电路。 雷达天线5m（直径），工作频率f = 30GHz， 波长 = 10cm，则为分布参数电路。 例如： 1.5 电阻元件-resistor l 电路符号 R 电阻元件 对电流呈现阻力的元件。其特性可 用ui平面上的一条曲线来描述： i u 1.定义 伏安 特性 下 页上 页 0 返 回 几种常见的

15、 电阻元件 普通金属 膜电阻 绕线 电阻 电阻排 热敏 电阻 实际的金属导体的电阻与导体的几何形状及 材料的导电性能有关。 式中称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的 物理量。l 是导体的长度， S 为导体的截面积。 电阻的单位是欧姆（），千欧（K）。 i u R 线性定常电阻元件 电阻元件 R 反映能量损耗的参数 模拟电阻器和其它实际部件的电阻特性 线性电阻元件线性电阻元件 非线性电阻元件 时变电阻元件 时不变电阻元件时不变电阻元件 时变电阻元件 非时变电阻元件 i u 非线性电阻元件 分类 定常 2.线性时不变电阻元件 任何时刻端电压与电流成正比的电阻元件。 l ui 关系 R 称为电阻

16、，单位： (Ohm) 满足欧姆定律 l 单位 G 称为电导，单位：S (Siemens) u、i 取关联 参考方向 下 页上 页 伏安特 性为一 条过原 点的直 线 u i 0 R u i + 返 回 如电阻上的电压与电流参考方向非关 联，公式中应冠以负号； 说明线性电阻是无记忆、双向性的元 件。 欧姆定律 只适用于线性电阻( R 为常数）； 则欧姆定律写为u R i i G u 公式和参考方向必须配套使用！ 下 页上 页 注意 R u i - + 返 回 3.功率和能量 电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。 p u i (R i) i i2 R - u2/ R p u i i2R u2 / R l 功率 R u i +- 下 页上 页 表明 R u i -+ 返 回 u i 从 t0 到 t 电阻消耗