发表于2024-12-23
本书作为电路理论与电子技术入门教材,一方面,内容由浅入深、通俗易懂,循序渐进地将各个知识点讲解清楚,以引导学生学习并掌握;另一方面,在章后附有习题,通过经典题型让学生掌握每章所讲授的基本内容,提高学生学习兴趣,进而达到使学生刻苦钻研、自觉学习的目的。本书的编写特点:传统性、实用性和先进性。一方面,将必要理论基础知识系统地组织在一起,满足基础要求;另一方面,结合实用、易学的特点,将不必要的理论推导摒弃,使内容精简,满足少学时要求。在传统理论的基础上,本书注重理论与实际的结合,加强了实际应用的内容。所建立的模型来源于实际的认识规律,阐述了理想元件与实际器件的辩证关系,同时本书还提供了一些实物图片。每章均附有习题,以帮助学生更好地掌握本章内容。
本书电路理论部分主要讲述基尔霍夫定律和理想电路的基本元件、电阻电路的等效变换、电路分析的一般方法、网络定理、动态电路的时域分析、正弦稳态分析、三相电路、非正弦周期电流电路的稳态分析、二端口网络、变压器和电磁铁等;电子技术部分主要介绍了常见的半导体器件、各种放大电路、集成运算放大器、直流稳压电路、门电路和组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路、存储器等内容。
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本书可以作为高校教学的参考教材,也是一本可以供工程技术人员选用的参考资料。
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第1章基尔霍夫定律和理想电路的基本元件
第1章
基尔霍夫定律和理想电路的基本元件
1.1电路理论中的常用基本变量及基尔霍夫定律
1.1.1常用变量、参考方向、关联参考方向及功率的判断
在电路理论中,一般常用变量为电压(降)、电流和电功率。有时也用到电位、电位能、电荷、磁通、磁通链等。电压用小写字母u或v表示,电流用小写字母i表示,电功率用字母P表示。
1. 电流
从物理学中我们已经知道,电荷质点的运动称为电流。在物理学中已经学过电流强度的概念。我们将单位时间内通过导体横截面积的电量定义为电流强度,用i表示,其方向规定为正电荷移动的方向。
i=dq(t)dt
式中,q的基本单位为库伦(C),t的基本单位为秒(s),电流强度i的基本单位为安培(A)。其中,10-3 A=1 mA(毫安),10-6 A=1 μA(微安),103 A=1 kA(千安),106 A=1 MA(兆安)。
电流强度i用于衡量电流的大小,简称电流。所以i既是物理现象又是强度(大小)的表示。电流就其成因来看大致可以分为以下三类。
(1) 传导电流。在金属导体中自由电子的有规则的运动,以及在电解质中正负离子的有规则的运动都称为传导电流。
(2) 运流电流。电子、离子甚至宏观带电体在空间做机械运动形成运流电流。
(3) 位移电流。由公式i=dq(t)dt可知,如果有交变电压加在电容器两极板上,由于电场的交变,在接有电容器的电路中导体各横截面的电量也随时间变化,电路中也会形成电流,这种电流称为位移电流。
电流的速度为电磁场建立的速度,也就是光速,即为c=3×108米/秒。
电流按其大小与方向是否随时间而变,又可以分为以下两种。
(1) 稳恒电流。电流的大小、方向都不随时间而变,是恒定不变的,这样的电流又称为直流电流,用大写字母I表示。它在测量仪表上的标志为DC(直流电流表)。
(2) 交变电流。大小、方向都随时间而变的电流,又称为交流电流,用i(t)表示。它在测量仪表上的标志为AC(交流电流表)。
注:
只改变大小,不改变方向的电流称为脉动电流,比如将正弦交变电流通过半波整流或全波整流后得到的电流,只改变大小,未改变方向,故为脉动电流;现将脉动电流归为交流电流。
电流的正方向规定为正电荷移动的方向,但是在复杂电路中如果未经计算,则很难判断电流的正方向,并且如果是交流电流,无法在图中标示出每一瞬间电流的方向。因此,有必要在电路图中预先规定各支路电流的参考方向。当真实方向与参考方向一致时,电流的代数值为正;当真实方向与参考方向相反时,电流的代数值为负。
图1��1与图1��2中i的方向都是假定方向或参考方向,但通过计算后得出图1��1中i1=3 A,说明其电流的真实方向与参考方向相同,确实是从a点流到b点的3 A电流。而计算后得出图1��2中i2=-5 A,说明其真实方向与参考方向相反,不是从c点流到d点,而是从d点流到c点,真实方向用虚线及i′1和i′2表示。
图1��1电流的真实方向与假定方向相同
图1��2电流的真实方向与假定方向相反
由上述分析,可得出以下结论。
(1) 电路分析计算之前必须规定电流的参考方向,并在图中标示出来。
(2) 电流的真实方向由计算结果(代数值)与参考方向共同确定:代数值为正,说明电流的真实方向与参考方向相同;代数值为负,说明电流的真实方向与参考方向相反。
(3) 电流是标量,不是矢量。
2. 电压
两点间的电位之差称为电压。电压用u或U表示。
在库仑场中,由于库仑场是保守力场,故电荷处于电场中不同的位置将具有不同的电位能。电荷在电场中移动,电场力所做的功是电位能改变的量度,将试验电荷q0从a点移到b点,电场力做功为ΔWab。
ΔWab=Wa-Wb=q0∫baE�遜l��=q0∫∞aE�遜l��-q0∫∞bE�遜l��
式中,E�呶�电场强度,q0∫∞aE�遜l�呤莙0在电场中a点所具有的电位能,q0∫∞bE�遜l�呤莙0在电场中b点所具有的电位能。
单位电荷所具有的电位能称为电位,故a点的电位Ua=q0∫∞aE�遜l�遯0=∫∞aE�遜l�摺M�理,b点的电位Ub=∫∞bE�遜l�摺F渲校�无穷远点∞,称为参考电位点,其电位为零。
所以电位是电场的固有属性的表征,仅与产生电场的电荷有关,与试验电荷无关。
a点与b点之间的电压为
uab=Ua-Ub=Waq0-Wbq0=∫∞aE�遜l��-∫∞bE�遜l��=∫baE�遜l��
uab仅与a、b两点的位置有关,与计算路径无关。如图1��3所示,a、b两点之间的电压仅仅取决于a、b两点,而与电荷移动路径是a→g→b还是a→f→b无关。这一结论可证明如下:
图1��3正电荷的移动路径
∫a→g→bE�遜l��=∫gaE�遜l��+∫bgE�遜l��
=∫∞aE�遜l��-∫∞gE�遜l��+∫∞gE�遜l��-∫∞bE�遜l��
=∫∞aE�遜l��-∫∞bE�遜l��
=∫∞aE�遜l��+∫b∞E�遜l��
=∫baE�遜l��=uab
∫a→f→bE�遜l��=∫faE�遜l��+∫bfE�遜l��
=∫∞aE�遜l��-∫∞fE�遜l��+∫∞fE�遜l��-∫∞bE�遜l��
=∫∞aE�遜l��-∫∞bE�遜l��
=∫∞aE�遜l��+∫b∞E�遜l��
=∫baE�遜l��=uab
Uab=dwdq
式中:w表示能量,单位为焦耳(J);q表示电荷量,单位为库仑(C);uab表示a、b两点间的电压,单位为伏特(V)。
10-3 V=1 mV(毫伏),10-6 V=1 μV(微伏),103 V=1 kV(千伏), 106 V=1 MV(兆伏)。
电压按其大小、方向是否随时间而变可分为直流电压和交流电压两大类。
(1) 直流电压:大小、方向都不随时间而变,是恒定值,用大写字母U表示。
(2) 交流电压:大小、方向都随时间而变,是时间函数,用u(t)表示。
同样,在分析计算之前必须假定电压的参考方向(参考极性)。用“+”表示高电位端,用“-”表示低电位端,“+”“-”标示在元件或支路的两端。计算结果代数值为正,表明该段电路电压的真实极性与参考极性相同;如果代数值为负,则表明该段电路电压的真实极性与参考极性相反。如图1��4和图1��5所示,图1��4中uab为参考极性,计算结果uab=3 V,表明uab的真实极性与参考极性相同,确实是a端为高电位端,b端为低电位端,用u′ab表示;而图1��5中计算结果ucd=-5 V,表明该段电路电压的真实极性与参考极性相反,真实情况是d端为高电位端,c端为低电位端,用u′cd表示。
图1��4电压的真实极性与参考极性相同
图1��5电压的真实极性与参考极性相反
图1��6电压、电流的关联(参考)方向
当假定的电流从支路的高电位端流向低电位端时,电压、电流的参考方向称为关联参考方向,简称为关联方向,如图1��6所示。
3. 关联、非关联方向
由前面叙述可知,在电路分析时,既要为元件或电路中的电流假设参考方向,也要为它们标注电压的参考极性,二者是可以独立无关的、任意假定的。但为了下一步分析问题的方便,引入关联参考方向和非关联参考方向的概念。当电流的参考方向是从电压参考方向的正极流入、负极流出时,称电压和电流的参考方向是关联的(associated);反之,称电压和电流的参考方向是非关联的(no�瞐ssociated)。如图1��7(a)和图1��7(b)所示,图中N代表元件或电路的一个部分。关联与非关联一定是对某一个元件或电路而言的。如图1��7(c)所示,电压u、电流i的参考方向对A是非关联的,对B就是关联的。
图1��7关联、非关联方向
4. 电功率
在单位时间内电场力所做的功,或者单位时间所转换的电能,称为电功率,用P表示。
由uab=dwdq可知,dw=uab·dq
于是有
P=dwdt=uabdqdt=iuab
式中,P表示电功率,单位为瓦特(W)。其中,10-3 W(瓦)=1 mW(毫瓦);10-6 W(瓦)=1 μW(微瓦),103 W(瓦)=1 kW(千瓦),106 W(瓦)=1 MW(兆瓦)。
显然,该式中uab与i的方向是关联方向。在i、uab关联方向下,若uab>0,i>0,P>0,则说明电压的真实方向与假定的参考方向相同,电流的真实方向与参考方向也相同,正电荷从高电位移到低电位,电场力做功,电能减少,该段电路吸收功率(吸收能量),如图1��8所示。q0为正试验电荷或任意正电荷。
P=iuab<0,仍然在关联方向下,若i>0,则说明电流的真实方向与参考方向一致,电流是从a点流向b点的;因为uab<0,说明uab的真实方向与参考方向相反,应该是Ub为高电位,b为“+”极,Ua为低电位,a为“-”极,如图1��9所示。现在正电荷从负极流向正极,不可能是正电荷产生的电场力做功,只可能是外电场力或非电场力做功才能把正电荷推向正极。正试验电荷q0从低电位移动到高电位,电位能增加了,可以对外做功,相当于电源,如图1��10所示。
图1��8正试验电荷q0从高电位移向低电位
图1��9正试验电荷q0从低电位移向高电位
图1��10正电荷电位能增加
在关联方向下,由P=ui可知:
若P>0,则该段电路吸收功率;
若P<0,则该段电路发出功率。
若u、i的方向为非关联方向,则计算功率时要增加一个负号,即P=-ui。
判断其是吸收功率还是发出功率的方法与判断u、i的方向是否为关联方向的方法相似:P>0,为吸收功率;P<0,为发出功率。
本书是根据教育部“电工与电子技术”课程教学的基本要求及本科人才培养的规格和特点,结合现代电工与电子技术的发展趋势而编写的。
本书的编写特点:传统性、实用性和先进性。一方面,将必要理论基础知识系统地组织在一起,满足基础要求;另一方面,结合实用、易学的特点,将不必要的理论推导摒弃,使内容精简,满足少学时要求。在传统理论的基础上,本书注重理论与实际的结合,加强了实际应用的内容。所建立的模型来源于实际的认识规律,阐述了理想元件与实际器件的辩证关系,同时本书还提供了一些实物图片。每章均附有习题,以帮 电路理论与电子技术基础/应用型本科信息大类专业“十三五”规划教材 下载 mobi epub pdf txt 电子书 格式
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