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1、电子电路与系统基础电子电路与系统基础 理论课第二讲理论课第二讲 电源和电阻电源和电阻I （基本概念，理想电阻与理想电源）（基本概念，理想电阻与理想电源） 李国林李国林 清华大学电子工程系清华大学电子工程系 电源和电阻电源和电阻I 大纲大纲 基本电量基本电量 电流电流 电压电压 功率功率 系统概念系统概念 端口与网络端口与网络 理想电阻与理想电源理想电阻与理想电源 清华大学电子工程系 2014年春季 李国林 电子电路与系统基础 2 1.1 电流电流Current 电子或离子运动形成电流，如果希望形成电子或离子运动形成电流，如果希望形成 确定方向上的电流，则需要施加电动势确定方向上的电流，则需要施
2、加电动势 所谓电动势所谓电动势EMF，electromotive force，就是能，就是能 让带电粒子运动的势力让带电粒子运动的势力 或者说，电动势应能提供一个电场，使得带电或者说，电动势应能提供一个电场，使得带电 粒子沿电场方向定向移动，形成定向电流粒子沿电场方向定向移动，形成定向电流 清华大学电子工程系 2014年春季 E李国林 电子电路与系统基础 3 电流大小与方向电流大小与方向 通过某个截面的电流通过某个截面的电流I等于单位时间等于单位时间 t内流内流 过这个截面的电荷量过这个截面的电荷量 q的大小的大小 电荷量等于正电荷量大小减去负电荷量大小电荷量等于正电荷量大小减去负电荷量大小
3、tqiE横截面横截面 mAi10sCA/11 电流方向为正电荷移动方向电流方向为正电荷移动方向 可人为定义电流方向，这个方向称可人为定义电流方向，这个方向称为参考方向为参考方向 如果参考方向和实际如果参考方向和实际电流方向相同，电流方向相同，电流值则为正值电流值则为正值 如果参考方向和实际电流方向相反，如果参考方向和实际电流方向相反，电流值则为负值电流值则为负值 mAi10参考方向与实际方向同参考方向与实际方向同 参考方向与实际方向反参考方向与实际方向反 4 直流与交流直流与交流 如果电流方向始终朝一个方向，且电流值恒定，如果电流方向始终朝一个方向，且电流值恒定， 则称之为直流电流则称之为直流
4、电流DC Current DC：Direct Current 此时，驱动电荷运动的此时，驱动电荷运动的电动势方向是电动势方向是恒定不变的，恒定不变的， 称为直流电动势称为直流电动势 如果电流大小和方向随时间有变化，且电流平如果电流大小和方向随时间有变化，且电流平 均值为零，则称之为交流电流均值为零，则称之为交流电流AC Current AC ：Alternate Current 此时，驱动电荷运动的电动势是交变的，称为交变此时，驱动电荷运动的电动势是交变的，称为交变 电动势电动势 清华大学电子工程系 2014年春季 李国林 电子电路与系统基础 5 1.2 电动势电动势EMF 移动单位电荷需要的
5、能量大小移动单位电荷需要的能量大小，定义为电，定义为电 动势动势 电动势代表的是让电荷运动的电能量大小电动势代表的是让电荷运动的电能量大小 这个能量这个能量可由化学反应产生可由化学反应产生，如电池如电池 也可由发电机将机械能转换而来也可由发电机将机械能转换而来 或者或者以以其他方式将某种形式的能量转换获得其他方式将某种形式的能量转换获得 电动势单位为伏特电动势单位为伏特 1伏特的电动势意味着伏特的电动势意味着产生电动势的电源产生电动势的电源移动移动1库仑库仑 电荷所电荷所提供提供的的1焦耳能量焦耳能量 清华大学电子工程系 2014年春季 李国林 电子电路与系统基础 6 qE 电源电源 elec
6、tric source 可产生电动势的电路器件被称为电源可产生电动势的电路器件被称为电源 凡是可将某种形式的能量转换为电能的设备或器件，均凡是可将某种形式的能量转换为电能的设备或器件，均可建模为电源元件可建模为电源元件 如果我们仅仅利用的是电源提供的电能量，则称之为如果我们仅仅利用的是电源提供的电能量，则称之为power supply，中文翻译仍然是电源，中文翻译仍然是电源 如果我们还利用其中电的变化所表征的信息，这种电源被如果我们还利用其中电的变化所表征的信息，这种电源被称为称为signal generator，signal source，中文译文为信号源，中文译文为信号源 可产生直流电流的
7、电源称为直流电源，可产生交流电流可产生直流电流的电源称为直流电源，可产生交流电流的电源称为交流电源的电源称为交流电源 信号源都是交流电源信号源都是交流电源 电源的电动势就是电源的开路电压电源的电动势就是电源的开路电压 清华大学电子工程系 2014年春季 李国林 电子电路与系统基础 7 1.3 电压电压Voltage 电压电压 电荷量为电荷量为q的电荷在电场中受到电场力的作用而从的电荷在电场中受到电场力的作用而从A点移到点移到B 点时，电场对电荷作功为点时，电场对电荷作功为WAB A点到点到B点的电压为电场对单位电荷移动所作的功的大小点的电压为电场对单位电荷移动所作的功的大小 电压单位：伏特：电
8、压单位：伏特：V 用用1焦耳的能量移动焦耳的能量移动1库仑的电荷对应的两点电压为库仑的电荷对应的两点电压为1伏特伏特 qWvAB ABABV10E 电压方向为电场移动正电荷运动的方向，电压方向为电场移动正电荷运动的方向，也就是电场方向也就是电场方向 可人为设定电压方向，称为电压的参考可人为设定电压方向，称为电压的参考方向方向 如果参考方向和电压实际方向相同，电如果参考方向和电压实际方向相同，电压记正值压记正值 如果参考方向和电压实际方向相反，电如果参考方向和电压实际方向相反，电压记负值压记负值 V10参考方向与参考方向与 实际方向同实际方向同 参考方向与参考方向与 实际方向反实际方向反 CJV
9、/11 8 电位与电压电位与电压 A点到点到B点的电压为两点之间电位之差点的电压为两点之间电位之差 某个点的电位某个点的电位potential为该点到参考点为该点到参考点 reference point之间的电压之间的电压 参考点是人为设定的空间的某个点，该点的电参考点是人为设定的空间的某个点，该点的电 位被人为设定为零，参考点也被称为地位被人为设定为零，参考点也被称为地 Ground 电路中，大地、大片金属、设备外壳等经常被电路中，大地、大片金属、设备外壳等经常被 设定为参考地，并被连在一起设定为参考地，并被连在一起 BAABvvvAGAAGAvvvvBAABv9 电动势和电压电动势和电压
10、电动势电动势 化学反应、机械运动等能量化学反应、机械运动等能量 形式做功，移动正电荷从电形式做功，移动正电荷从电源负端到正端源负端到正端 ，形成电动，形成电动 势势，使得电源对外形成从使得电源对外形成从 正端到负端的外部电场正端到负端的外部电场， 该外部电场可对外界做功，该外部电场可对外界做功，提供电能提供电能 化学能、机械能等能量形式化学能、机械能等能量形式被转换为电能形式被转换为电能形式 电压电压 电动势对外形成电场，形成电动势对外形成电场，形成电压电压 ，它可对电荷做功，它可对电荷做功， 从而电荷移动起来从而电荷移动起来 电能形式被转换为电荷运动电能形式被转换为电荷运动 能量形式，在电阻
11、中，这个能量形式，在电阻中，这个能量被进一步转换为热能能量被进一步转换为热能 E v 某种能量形式某种能量形式电动势电动势 电场（电能）电场（电能）电压电压其他能量形式其他能量形式 10 电阻、电容和电感元件的抽象电阻、电容和电感元件的抽象 电荷移动过程中，电场对电荷做了电荷移动过程中，电场对电荷做了WAB的功，意味着电场因而失去了的功，意味着电场因而失去了 这么多的电能，这个电能到了哪里去了？这么多的电能，这个电能到了哪里去了？ 电子运动动能电子运动动能? 电阻抽象电阻抽象 R 在金属导体中，自由电子移动会碰撞原子晶格，从而这个能量被转化为在金属导体中，自由电子移动会碰撞原子晶格，从而这个能
12、量被转化为热能，这个效应被等效为电阻的耗能，并由此抽象出热能，这个效应被等效为电阻的耗能，并由此抽象出电阻电阻元件来元件来 电感抽象电感抽象 L 电子在导线（回路）中移动，形成的导线电流会在导线周围激发磁场电子在导线（回路）中移动，形成的导线电流会在导线周围激发磁场 （安培定律），换句话说，电能被转换为磁能，这个效应被等效为导线（安培定律），换句话说，电能被转换为磁能，这个效应被等效为导线电感的磁能存储，并由此抽象出电感的磁能存储，并由此抽象出电感电感元件来元件来 电容抽象电容抽象 C 如果导体被截断，自由电子无法继续沿导体流动而是在导体（结点）上如果导体被截断，自由电子无法继续沿导体流动而是
13、在导体（结点）上 累积，则电能将以电荷累积效应存储在导体结构上，这个效应被等效为累积，则电能将以电荷累积效应存储在导体结构上，这个效应被等效为电容的电能存储，并由此抽象出电容的电能存储，并由此抽象出电容电容元件来元件来 李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2014年春季 11 1.4 功率功率 Power 电路元件在电路中可能消耗或者吸收能量，这电路元件在电路中可能消耗或者吸收能量，这些能量可视为电场力对该元件所作的功些能量可视为电场力对该元件所作的功 电路元件消耗或吸收的功率为单位时间内电场对该电路元件消耗或吸收的功率为单位时间内电场对该元件所作的功，做功通过电荷移动实现元件所作
14、的功，做功通过电荷移动实现 电场对电荷做功形成电压，电荷穿过元件形成电流电场对电荷做功形成电压，电荷穿过元件形成电流 故而，元件吸收的功率等于该元件两端电压和流过故而，元件吸收的功率等于该元件两端电压和流过该元件电流的乘积该元件电流的乘积 功率单位：瓦特：功率单位：瓦特：W：1W=1J/s=1V A 清华大学电子工程系 2014年春季 ivtq qW tWp李国林 电子电路与系统基础 12 电源和电阻电源和电阻I 大纲大纲 基本电量基本电量 电压、电流、功率电压、电流、功率 系统概念系统概念 线性与非线性线性与非线性 时变与时不变时变与时不变 记忆与无记忆记忆与无记忆 端口与网络端口与网络 理
15、想电源和理想电阻理想电源和理想电阻 清华大学电子工程系 2014年春季 李国林 电子电路与系统基础 13 2.1 系统系统 system 电路是电路元件的连接，又称电路系统电路是电路元件的连接，又称电路系统 系统是由若干相互作用的、或者相互依存的事物组合而成的具有特系统是由若干相互作用的、或者相互依存的事物组合而成的具有特定功能的整体定功能的整体 系统有结构：由部件构成系统有结构：由部件构成 系统有连接：部件、子系统之间有连接关系系统有连接：部件、子系统之间有连接关系 系统有行为，有作用：对信号、能量处理，有输入和输出系统有行为，有作用：对信号、能量处理，有输入和输出 系统有功能：行为的结果系统有功能：行为的结果 电路元件因具有特定的功能也可视为系统电路元件因具有特定的功能也可视为系统 电路系统是处理电信号（电子信息）或电能量电路系统是处理电信号（电子信息）或电能量的系统的系统 怎么处理，由人来设定怎么处理，由人来设定 人设计电路，使之具有某种功能人设计电路，使之
