【电子】电工学 哈尔滨工业大学 姜三勇等主讲

第一章 电路的基本概念与基本定律

1.1 电路的组成、作用及电路模型

1.1.1 电路的概念

  电路：由若干个具有一定功能的元/器件组成的电流通路。

  复杂电路：电网络

1.1.2 电路的组成及作用

  电源/信号源

  中间环节

  负载

  作用：a，电能的传输与转换，（强电，电压高，电流大）

例：发电机→升压变压器→输电线→降压变压器→负载

b，信号的传递与处理，（弱电，电压低，电流小）

例：信号源（话筒）→放大器→扬声器.

1.1.3 电路模型

  实际电路：由各种功能不同的元器件构成的电路。

  理想元件：突出某一元件主要的电磁特性，忽略次要的电磁特性的电路元件。

  模型化：由理想元件的组合来模拟实际电路。

  电路模型：由理想元件构成的能够反应实际电路特性的电路。

例：灯泡内由灯丝绕成，有电阻和电感，主要是电阻，理想电路中忽略电感

  实际电路（复杂系统）→（抽象化）→模型（进行研究）→（解决）→实际问题

  模型的“好，坏”直接影响到模型化后能否完整地代替实际电路。

1.2 电路的基本物理量与参考方向的概念

1.2.1 电流与电流的参考方向

  电流与电荷：

（单位时间内穿过某一横截面积的电荷量，当电荷量为固定值时，称为直流

。）

a，现象：电荷定向移动

b，大小：电流强度

c，分类：直流，交流，任意变化的

d，单位：A安培，mA毫安，μA微安，nA纳安，kA千安，MA兆安

e，方向：实际方向：正电荷移动的方向称为电流的方向，与电子移动的方向相反。

 参考方向（或称正方向）：人为假设的电流方向（可能与实际方向相同或相反）。

           

           当I>0，实际方向与参考方向相同；当I<0，实参相反。

1.2.2 电压与电压的参考方向

  电位：单位正电荷在电场中具有的能量，亦称电势。

物理中，零电势在无穷远点。

电路中，零电位为人为规定的电路中的某一点，称为参考电位。

其他点的电位为相对零电位的大小比较。

  电压：两点之间的电位差。是衡量电场力对正电荷做功的能力。

实际方向：延电场方向，正电荷失去能量的方向/电位降低的方向。

参考方向：人为规定，与电流的参考方向同理，箭头法和脚标法，

。

 

（电压/电位单位V伏特，电能单位J焦耳，电荷单位C库伦）

当U>0，实际方向与参考方向相同；当U<0，实参相反。

例：当

=-5V时，b点电位比a点电位高5V

  当电流电压的参考方向假设为相同时，称为关联的参考方向，相反时，称为非关联的参考方向。

  电动势：衡量非电场力（电源力）对正电荷做功的能力

实际方向：经由电源内部，由低电位指向高电位的方向，经由电源内部，正电荷获得能量

1.2.3 功率和功率平衡

  功率：单位时间内，电路元件中电能的变化，

  功率吸收与发出的判断：

a：U，I实际方向已知，方向相同→电流由高电位流向低电位→正电荷失去能量→元件吸收功率→元件为“负载”；方向相反→电流由低电位流向高电位→正电荷获得能量→元件发出功率→元件为“电源”。

b：U，I参考方向已知，

方向相同（一致），关联参考方向，当P=UI>0，元件吸收功率，元件为“负载”；当P=UI<0，元件发出功率，元件为“电源”。

方向相反（不一致），非关联关联参考方向，当P=UI>0，元件吸收功率，元件为“电源”；当P=UI<0，元件发出功率，元件为“负载”。

功率平衡关系（由能量守恒定律得到）：

，可用于检验电路分析计算结果对错。

思考：是否所有的时候，电源都一定是发出功率？

答：电源符号（电源元件）可能起到负载的作用。

  例1：试判断电路元件吸收还是发出功率。

答案：发出，吸收，吸收，发出。（判断元件两端的实际高低电位情况，电流的实际方向，即例题前的判断方法a）

例2：判断电路中电压源和电流源分别是电源还是负载

答案：a电压源电源，电流源负载。b电压源负载，电流源电源。（判断方法同例1，

）

1.3 基本电路元件

  1.3.1 无源元件

1.3.1.1 电阻元件，

线性电阻：R=u/i，R=ρl/S，称为电阻元件约束，即欧姆定律。

ρ电阻率，l长度，S横截面积

      非线性电阻：u，i不成正比，u=f(i)，不满足欧姆定律

例：白炽灯，二极管

     

，电阻是耗能元件，电能转为热能。

     1.3.1.2 电感元件

      线性电感：L=NΦ/i，N电圈匝数，Φ单圈电圈磁通量，单位H亨利，mH，μH

        

，μ磁导率，S电感线圈横截面积，l为线圈长度

        当Φ、i成正比，此时L为线性电感。

        若电感中的磁通量发生变化（因为电流变化），会产生阻止这种变化的感应电动势，即自感电动势，为衡量阻止的作用，假设感应电动势e方向与电流方向相同，对于单独一匝线圈，

。

       

  ，图中假设eL与i的方向相同，由于，

所以对于eL，高电位在下方，低电位在上方。而图中u的高电位在上方，低电位在下方。并且对于L上方的点，电位并没有发生变化（基尔霍夫电压定律KVL），

，该式为电感元件约束。在直流电路中，电流不变，

即直流电路中，电感元件相当于没有电阻的导线。

        

(高数积分，牛顿-莱布尼茨公式)，能量以磁场的形式储存，电感为储能元件。（是储能元件而不是电源元件，一开始电流增大时，储能元件吸收能量储存在元件内；电流稳定时，储能元件的吸收与发出能量都是0；最后电路电流减小时，储能元件发出能量。L=NΦ/i）

       非线性电感：若Φ、i不成正比，此时L为非线性电感。（如线圈是磁性材料）

1.3.1.3 电容元件

  线性电容：C=q/u，单位F法拉，μF微法，pF皮法，

，为电容元件约束。直流电路中，电压不变，则i=0，电容元件相当于开路。q与u成正比，电容为线性电容。

   ，能量以电场的形式储存，是储能元件

电容容量

，为介电常数，S电容面积，d为面板间距

  非线性电容：q，u不成正比

电阻R：u=iR，R=ρl/S

三个式子为元件的约束关系，在任意电路中，公式都成立。