第一章?電路的基本概念與基本定律

1.1 電路的組成、作用及電路模型

1.1.1 電路的概念

??電路：由若干個具有一定功能的元/器件組成的電流通路。

??復(fù)雜電路：電網(wǎng)絡(luò)

1.1.2 電路的組成及作用

??電源/信號源

??中間環(huán)節(jié)

??負(fù)載

??作用：a，電能的傳輸與轉(zhuǎn)換，（強電，電壓高，電流大）

例：發(fā)電機→升壓變壓器→輸電線→降壓變壓器→負(fù)載

b，信號的傳遞與處理，（弱電，電壓低，電流?。?/p>

例：信號源（話筒）→放大器→揚聲器.

1.1.3 電路模型

??實際電路：由各種功能不同的元器件構(gòu)成的電路。

??理想元件：突出某一元件主要的電磁特性，忽略次要的電磁特性的電路元件。

??模型化：由理想元件的組合來模擬實際電路。

??電路模型：由理想元件構(gòu)成的能夠反應(yīng)實際電路特性的電路。

例：燈泡內(nèi)由燈絲繞成，有電阻和電感，主要是電阻，理想電路中忽略電感

??實際電路（復(fù)雜系統(tǒng)）→（抽象化）→模型（進(jìn)行研究）→（解決）→實際問題

??模型的“好，壞”直接影響到模型化后能否完整地代替實際電路。

1.2 電路的基本物理量與參考方向的概念

1.2.1 電流與電流的參考方向

??電流與電荷：

（單位時間內(nèi)穿過某一橫截面積的電荷量，當(dāng)電荷量為固定值時，稱為直流

。）

a，現(xiàn)象：電荷定向移動

b，大?。弘娏鲝姸?/p>

c，分類：直流，交流，任意變化的

d，單位：A安培，mA毫安，μA微安，nA納安，kA千安，MA兆安

e，方向：實際方向：正電荷移動的方向稱為電流的方向，與電子移動的方向相反。

?參考方向（或稱正方向）：人為假設(shè)的電流方向（可能與實際方向相同或相反）。

???????????

???????????當(dāng)I>0，實際方向與參考方向相同；當(dāng)I<0，實參相反。

1.2.2 電壓與電壓的參考方向

??電位：單位正電荷在電場中具有的能量，亦稱電勢。

物理中，零電勢在無窮遠(yuǎn)點。

電路中，零電位為人為規(guī)定的電路中的某一點，稱為參考電位。

其他點的電位為相對零電位的大小比較。

??電壓：兩點之間的電位差。是衡量電場力對正電荷做功的能力。

實際方向：延電場方向，正電荷失去能量的方向/電位降低的方向。

參考方向：人為規(guī)定，與電流的參考方向同理，箭頭法和腳標(biāo)法，

。

?

（電壓/電位單位V伏特，電能單位J焦耳，電荷單位C庫倫）

當(dāng)U>0，實際方向與參考方向相同；當(dāng)U<0，實參相反。

例：當(dāng)

=-5V時，b點電位比a點電位高5V

??當(dāng)電流電壓的參考方向假設(shè)為相同時，稱為關(guān)聯(lián)的參考方向，相反時，稱為非關(guān)聯(lián)的參考方向。

??電動勢：衡量非電場力（電源力）對正電荷做功的能力

實際方向：經(jīng)由電源內(nèi)部，由低電位指向高電位的方向，經(jīng)由電源內(nèi)部，正電荷獲得能量

1.2.3 功率和功率平衡

??功率：單位時間內(nèi)，電路元件中電能的變化，

??功率吸收與發(fā)出的判斷：

a：U，I實際方向已知，方向相同→電流由高電位流向低電位→正電荷失去能量→元件吸收功率→元件為“負(fù)載”；方向相反→電流由低電位流向高電位→正電荷獲得能量→元件發(fā)出功率→元件為“電源”。

b：U，I參考方向已知，

方向相同（一致），關(guān)聯(lián)參考方向，當(dāng)P=UI>0，元件吸收功率，元件為“負(fù)載”；當(dāng)P=UI<0，元件發(fā)出功率，元件為“電源”。

方向相反（不一致），非關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)參考方向，當(dāng)P=UI>0，元件吸收功率，元件為“電源”；當(dāng)P=UI<0，元件發(fā)出功率，元件為“負(fù)載”。

功率平衡關(guān)系（由能量守恒定律得到）：

，可用于檢驗電路分析計算結(jié)果對錯。

思考：是否所有的時候，電源都一定是發(fā)出功率？

答：電源符號（電源元件）可能起到負(fù)載的作用。

??例1：試判斷電路元件吸收還是發(fā)出功率。

答案：發(fā)出，吸收，吸收，發(fā)出。（判斷元件兩端的實際高低電位情況，電流的實際方向，即例題前的判斷方法a）

例2：判斷電路中電壓源和電流源分別是電源還是負(fù)載

答案：a電壓源電源，電流源負(fù)載。b電壓源負(fù)載，電流源電源。（判斷方法同例1，

）

1.3 基本電路元件

??1.3.1 無源元件

1.3.1.1 電阻元件，

線性電阻：R=u/i，R=ρl/S，稱為電阻元件約束，即歐姆定律。

ρ電阻率，l長度，S橫截面積

??????非線性電阻：u，i不成正比，u=f(i)，不滿足歐姆定律

例：白熾燈，二極管

?????

，電阻是耗能元件，電能轉(zhuǎn)為熱能。

?????1.3.1.2 電感元件

??????線性電感：L=NΦ/i，N電圈匝數(shù)，Φ單圈電圈磁通量，單位H亨利，mH，μH

????????

，μ磁導(dǎo)率，S電感線圈橫截面積，l為線圈長度

????????當(dāng)Φ、i成正比，此時L為線性電感。

????????若電感中的磁通量發(fā)生變化（因為電流變化），會產(chǎn)生阻止這種變化的感應(yīng)電動勢，即自感電動勢，為衡量阻止的作用，假設(shè)感應(yīng)電動勢e方向與電流方向相同，對于單獨一匝線圈，

。

???????

??，圖中假設(shè)eL與i的方向相同，由于，

所以對于eL，高電位在下方，低電位在上方。而圖中u的高電位在上方，低電位在下方。并且對于L上方的點，電位并沒有發(fā)生變化（基爾霍夫電壓定律KVL），

，該式為電感元件約束。在直流電路中，電流不變，

即直流電路中，電感元件相當(dāng)于沒有電阻的導(dǎo)線。

????????

(高數(shù)積分，牛頓-萊布尼茨公式)，能量以磁場的形式儲存，電感為儲能元件。（是儲能元件而不是電源元件，一開始電流增大時，儲能元件吸收能量儲存在元件內(nèi)；電流穩(wěn)定時，儲能元件的吸收與發(fā)出能量都是0；最后電路電流減小時，儲能元件發(fā)出能量。L=NΦ/i）

???????非線性電感：若Φ、i不成正比，此時L為非線性電感。（如線圈是磁性材料）

1.3.1.3 電容元件

??線性電容：C=q/u，單位F法拉，μF微法，pF皮法，

，為電容元件約束。直流電路中，電壓不變，則i=0，電容元件相當(dāng)于開路。q與u成正比，電容為線性電容。

???，能量以電場的形式儲存，是儲能元件

電容容量

，為介電常數(shù)，S電容面積，d為面板間距

??非線性電容：q，u不成正比

電阻R：u=iR，R=ρl/S

三個式子為元件的約束關(guān)系，在任意電路中，公式都成立。