《电路分析基础》教材编写1-3章.doc

第1章 电路元件、变量和定律 教学提示：（理想）电路元件是构成电流回路（即电路）的基本要素，其特性和参数是分析电路响应的基础；电路变量是指电路中特定元件或支路的电压、电流，是反映电路系统工作状态的物理量，一般也是电路的求解目标；电路定律是指任何电路中的电压和电流变量都必须满足的约束条件，有和两个定律。它们是求解电路所必须遵循的最基本的电路定律，也是其它电路求解方法的基础。 教学要求：本章的内容主要有电路元件的特性介绍和电压电流的（关联）参考方向以及功率的定义及计算等，最后还重点介绍了求解电路的两个基本定律——和及其简单应用。在教学时，应遵循“元件－电路－求解”这一思路进行介绍。对于电路元件，应着重讲清它们的伏安特性和内在含义；对于电路变量，应讲清电压和电流的（关联）参考方向的含义及其与元件伏安特性的联系；对于及，应讲清其物理意义及其在建立电路方程时应注意的问题。 1.1 电路及其模型 简单地说，电路是指由电路元件（如电源、电阻、电容、电感、晶体管等）按照一定的方式连接而成的电流回路，以实现某一具体的能量转换、传输和信号处理任务。例如，照明电路将电源的电能转换为温度足够高的热能，从而实现照明功能；电力传动系统将电力传输导线提供的电能经电动机转换为机械能，并由电动机带动工作机构运动，从而实现传动功能，等等。实际电路的种类繁多，要逐一对其进行分析和研究是不现实的，也没必要。一般是将常用电路元件所实现的功能进行抽象归类，从而得到所谓的“理想元件”，再用这些理想元件来表示具体的电路元件，从而构成由理想元件组成的电路。由于理想元件的数量很少，伏安特性唯一，所以给电路的分析和设计带来极大方便。 一般来说，电路模型是指由理想电路元件构成的电路。图1.1即为一个电容充电电路。 图1.1 电容充电电路 常见的理想电路元件有电阻、电感、电容、独立电源、受控电源、理想变压器、开关等。其中，（独立、受控）电源是提供电能或电信号的设备，是电路中产生电压、电流和功率的源泉；电阻（或电感、电容等）是消耗（储存）电能的设备，称为负载；理想变压器是电能转换设备，它是一个二端口元件，一端接电源，另一端接负载。其它的元件（如导线、开关等）称为连接设备，它们主要起输送和控制电能的作用。电路的作用是借助于电路中所产生的电压、电流来进行电能和信号的传输或信号的处理、测量、控制和计算等。 电路分析的主要任务是在电路结构和参数已知的条件下，求解电路中产生的电压、电流和功率。有时为简明起见，常将电源称为激励，由于激励的作用在电路中产生的电压和电流称为响应。从系统的角度来看，也将激励称为输入，响应称为输出。 1.2 电压、电流及其参考方向 对于电路的分析而言，需要用一组变量来描述其工作状态，最基本的电路变量是电压和电流，有时也用到电荷和磁链。 1.2.1 电压及其参考方向 电压是描述电场力对电荷做功能力的物理量。一般来说，用表示随时间变化的电压，用表示不随时间变化的电压（称为直流电压）。在电场中，电场力将正电荷从点移动到点所做的功与正电荷之比，称为、两点之间的电压，即 （1-1）式中的可正可负。当时，，即点的电位高于点的电位，电场力对正电荷做正功。当时，，即点的电位低于点的电位，电场力对正电荷做负功，此时需要其它的力量来移动该正电荷，比如电池内部产生的化学能。总之，电场中任意两点的电位差就是这两点之间的电压，其值可正可负，也可为零，零电压表示这两点是等电位点。 电压的基本单位是伏（特），用字母表示。此外，为表示不同大小级别的电压，还有千伏（）、毫伏（）和微伏（）等电压单位，它们的换算关系为 ，， 电压是电场中两个点的电位差，是有方向的。电压的实际方向规定为由高电位指向低电位的方向，即电压降的方向。在进行电路分析时，由于很难事先知道某个电压的实际方向，为求解方便起见，必须事先假设其方向，这个假设的电压方向称为参考方向。如果电压的求解结果为正值，表明该电压的实际方向与参考方向相同，如果电压的计算结果为负值，表明该电压的实际方向与参考方向相反，这样就可以根据电压的参考方向和其值的正负情况来确定电压的实际方向。 电压的参考方向可用双极性法或双下标法（如，即端为正极性，端为负极性）表示，如图1.2（a）所示。在进行电路计算时，对所涉及到的电压，必须先在电路图上标明其参考方向（一般用双极性法标注），然后才能进行计算，否则计算容易出错，别人也看不明白。所以，在开始学习这门课时，一定要养成“先标注，后计算”的良好习惯。另外，在标注电压的参考方向后，还应在正负极性之间用一个字母表示其大小，或直接标注已知的电压值，以便进行电路计算。 图1.2 电压及电流的参考方向 1.2.2 电流及其参考方向 电荷在电场中的定向运动就形成了电流，表征电流大小的物理量为电流强度（简称电流），是一个宏观量，它