電路基礎(chǔ)與應用

前言

第1章 電路的基本概念及其基本定律

1.1 電路及其組成

電流流過的回路叫做電路，又稱導電回路。最簡單的電路，是由電源、負載、導線、開關(guān)等元器件組成。電路導通叫做通路。只有通路，電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負極間沒有負載而是直接接通叫做短路，這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個元件的兩端直接接通，此時電流從直接接通處流經(jīng)而不會經(jīng)過該元件，這種情況叫做該元件短路。開路（或斷路）是允許的，而第一種短路決不允許，因為電源的短路會導致電源、用電器、電流表被燒壞。

電路（英語：Electrical circuit）或稱電子回路，是由電器設備和元器件, 按一定方式連接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路，簡稱網(wǎng)絡或回路。如電源、電阻、電容、電感、二極管、三極管、晶體管、IC和電鍵等，構(gòu)成的網(wǎng)絡、硬件。負電荷可以在其中流動。

1.1.1 電路及其組成

電路由電源、負載、連接導線和輔助設備四大部分組成。實際應用的電路都比較復雜，因此，為了便于分析電路的實質(zhì)，通常用符號表示組成電路實際原件及其連接線，即畫成所謂電路圖。其中導線和輔助設備合稱為中間環(huán)節(jié)。

電路基礎(chǔ)與應用電源

電源是提供電能的設備。電源的功能是把非電能轉(zhuǎn)變成電能。例如，電池是把化學能轉(zhuǎn)變成電能；發(fā)電機是把機械能轉(zhuǎn)變成電能。由于非電能的種類很多，轉(zhuǎn)變成電能的方式也很多，所以，目前實用的電源類型也很多，最常用的電源是固態(tài)電池、蓄電池和發(fā)電機等。電源分為電壓源與電流源兩種，只允許同等大小的電壓源并聯(lián)，同樣也只允許同等大小的電流源串聯(lián)，電壓源不能短路，電流源不能斷路。

電路基礎(chǔ)與應用負載

在電路中使用電能的各種設備統(tǒng)稱為負載。負載的功能是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥?。例如，電爐把電能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能；電動機把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，等等。通常使用的照明器具、家用電器、機床等都可稱為負載。

電路基礎(chǔ)與應用導線

連接導線用來把電源、負載和其他輔助設備連接成一個閉合回路，起著傳輸電能的作用。

輔助設備　　輔助設備是用來實現(xiàn)對電路的控制、分配、保護及測量等作用的。輔助設備包括各種開關(guān)、熔斷器、電流表、電壓表及測量儀表等。

1.1.2 電路的功能

1.2 電路的基本物理量和參考方向

1.2.1 電路的基本物理量和參考方向

1.2.2 元件的伏安關(guān)系

1.3 電氣設備的額定值及電路的工作狀態(tài)

1.3.1 電氣設備的額定值

1.3.2 電路的3種工作狀態(tài)

1.4 電路的基本定律

1.4.1 歐姆定律

在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻阻值成反比，這就是歐姆定律，基本公式是I=U/R。歐姆定律由喬治·西蒙·歐姆提出，為了紀念他對電磁學的貢獻，物理學界將電阻的單位命名為歐姆，以符號Ω表示。

由歐姆定律I=U/R的推導式R=U/I或U=IR不能說導體的電阻與其兩端的電壓成正比，與通過其的電流成反比，因為導體的電阻是它本身的一種屬性，取決于導體的長度、橫截面積、材料和溫度、濕度（初二階段不涉及濕度），即使它兩端沒有電壓，沒有電流通過，它的阻值也是一個定值。（這個定值在一般情況下，可以看做是不變的，但是對于光敏電阻和熱敏電阻來說，電阻值是不定的。對于有些導體來講，在很低的溫度時存在超導的現(xiàn)象，這些都會影響電阻的阻值。）

導體中的電流與導體兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比。（表達式：I=U:R)

1.4.2 基爾霍夫定律

基爾霍夫定律是德國物理學家基爾霍夫提出的?；鶢柣舴蚨墒请娐防碚撝凶罨疽彩亲钪匾亩芍?。它概括了電路中電流和電壓分別遵循的基本規(guī)律。它包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL）。基爾霍夫定律Kirchhoff laws是電路中電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析和計算較為復雜電路的基礎(chǔ)，1845年由德國物理學家G.R.基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）提出。它既可以用于直流電路的分析，也可以用于交流電路的分析，還可以用于含有電子元件的非線性電路的分析。運用基爾霍夫定律進行電路分析時，僅與電路的連接方式有關(guān)，而與構(gòu)成該電路的元器件具有什么樣的性質(zhì)無關(guān)?；鶢柣舴蚨砂娏鞫桑↘CL)和電壓定律(KVL)，前者應用于電路中的節(jié)點而后者應用于電路中的回路。

1.5 電路中電位的計算

1.6 電源

1.6.1 獨立源

1.6.2 實際電源模型及等效變換

1.6.3 受控電壓源和電流源

1.7 實訓一電路中電位的測量和基爾霍夫定律的驗證

1.7.1 電路中電位的測量

1.7.2 基爾霍夫定律的驗證

習題一

第2章 電路的基本分析方法

2.1 電阻電路的等效

2.1.1 等效及等效化簡

2.1.2 星形和三角形電阻網(wǎng)絡的等效變換

2.2 支路電流法

支路電流法是在計算復雜電路的各種方法中的一種最基本的方法。它通過應用基爾霍夫電流定律和電壓定律分別對結(jié)點和回路列出所需要的方程組，而后解出各未知支路電流。

它是計算復雜電路的方法中,最直接最直觀的方法.前提是,選擇好電流的參考方向.

以支路電流為求解對象的電路計算方法。用此法計算一個具n個節(jié)點和b條支路的電路時，因待求的支路電流數(shù)為b，故需列出b個含支路電流的獨立方程。根據(jù)電路內(nèi)的支路電流在節(jié)點上必須服從基爾霍夫電流定律(KCL)的約束,支路電壓沿回路必須服從基爾霍夫電壓定律(KVL)的約束（見基爾霍夫定律）,而支路電流和支路電壓在每條支路上又必須滿足該支路的特性方程（即支路的電壓-電流關(guān)系，VCR）,可以導出這b個方程。首先，對除參考節(jié)點外的所有節(jié)點,利用KCL寫方程,可得(n-1)個只含支路電流的獨立方程；對所選定的基本回路，利用KVL寫方程，可得（b-n 1）個只含支路電壓的獨立方程。再根據(jù)各支路的連接形式和所含元件的類型寫出b個既含支路電流又含支路電壓的支路方程。最后利用支路方程消去(b-n 1)個方程中的支路電壓,便得到總數(shù)為(n-1) (b-n 1)=b個只含支路電流的方程。有了這些方程，就可用適當?shù)臄?shù)字方法求解。

2.3 結(jié)點電壓法

2.4 疊加定理

疊加定理陳述為：由全部獨立電源在線性電阻電路中產(chǎn)生的任一電壓或電流，等于每一個獨立電源單獨作用所產(chǎn)生的相應電壓或電流的代數(shù)和。

在線性電路中，任一支路的電流（或電壓）可以看成是電路中每一個獨立電源單獨作用于電路時，在該支路產(chǎn)生的電流（或電壓）的代數(shù)和（疊加）。

線性電路的這種疊加性稱為疊加定理。

也就是說，只要電路存在惟一解，線性電阻電路中的任一結(jié)點電壓、支路電壓或支路電流均可表示為以下形式：

y=H1us1 H2us2 …Hmusm K1is1 K2is2 … Knisn

式中uSk(k=1,2,…,m)表示電路中獨立電壓源的電壓；

iSk(k=1,2,…,n)表示電路中獨立電流源的電流。

Hk(k=1,2,…,m)和Kk(k=1,2,…,n)是常量，它們?nèi)Q于電路的參數(shù)和輸出變量的選擇，而與獨立電源無關(guān)

疊加定理本質(zhì)是基爾霍夫定律的應用，可以由基爾霍夫定律推導出來。

設電路中有n個未知電流，有m個節(jié)點，則可以列出m-1個電流方程，矩陣表示為：

AI=i...................(1)

其中,A為(m-1)*n矩陣，n維矢量I表示未知電流，m-1維矢量i表示理想電流源的電流，其分量為i1，i2,...,im-1.

可以列出n-m 1個回路方程，矩陣表示為:

BI=E....................(2)

其中B為(n-m 1)*n維矩陣,(n-m 1)維矢量E表示理想電壓源的電動勢,分量為Em,Em 1,...En.

記當j

方程(1),(2)可以寫成一個方程組:C I= Y............(3)

其中,n*n矩陣C由A和B生成, Y= Y1 Y2 ... Yn.

記方程

C I= Yj.....................(4)

的解為 Ii

由線性代數(shù)知識容易證明，方程(3)的解

I= I1 I2 ... In

而方程(4)的解 Ii正是電源i單獨作用時的狀態(tài),這就由基爾霍夫定律證明了疊加定理.

2.5 等效電源定理

等效電源定理包括電壓源等效（戴維南定理），和電流源等效（諾頓定理）兩個定理。其中，電壓源等效定理在電路故障診斷中應用較多，其內(nèi)容是：任何一個線性的有源二端網(wǎng)絡對外電路而言，可以用一個電壓源來等效代替。其中：等效電壓源的電動勢E（或源電壓Vo）的數(shù)值，等于該有源二端網(wǎng)絡的“開路電壓”；等效電壓源的內(nèi)阻Ro等于該有源二端網(wǎng)絡“除源”后的等效電阻值。

等效電源定理

所謂的“開路電壓”是指：將負載RL從電路上斷開后，a、b間的電壓；

所謂“除源”是指：假設將有源二端網(wǎng)絡中的電源去除（衡壓源短路、衡流源開路）。

1． 等效電源的概念

在電路分析計算中，往往只研究一個支路的電壓、電流及功率。對所研究的支路而言，電路的其余部分便成為--個有源二端網(wǎng)絡。為了計算所研究支路的電壓、電流及功率，可以把有源二端網(wǎng)絡等效為一個電源，即等效電源。

等效電源分為等效電壓源和等效電流源。用電壓源來等效代替有源二端網(wǎng)絡的分析方法稱戴維南(代文寧)定理；用電流源來等效代替有源二端網(wǎng)絡的分析方法稱諾頓定理。

2． 戴維南定理（等效電壓源定理）

戴維南定理：任何一個線性含源二端網(wǎng)絡N，就其兩個端鈕a、b來看，總可以用一個電壓源--串聯(lián)電阻支路來代替。電壓源的電壓等于該網(wǎng)絡N的開路電壓U0，其串聯(lián)電阻R0等于該網(wǎng)絡中所有獨立源為零值時（恒壓源短路，恒流源開路）所得網(wǎng)絡N0得等效電阻Rab。

由U0和R0串聯(lián)而成的等效電壓源稱為戴維南等效電路，其中的串聯(lián)電阻，在電子電路中常稱為"輸出電阻"，故用R0表示。

應用戴維南定理求解某一支路電流的步驟如下：

①　將電路分為待求支路和有源二端網(wǎng)絡。

②　計算有源二端網(wǎng)絡的開路電壓Uo。

③　將有源二端網(wǎng)絡內(nèi)獨立源零值處理(電壓源短路，電流源開路)，而保留其內(nèi)阻，求等效電源的內(nèi)阻R0 (即兩開路端的等效電阻)。

④ 求出待求支路的電流

應用戴維南定理必須注意：

①　戴維南定理只對外電路等效，對內(nèi)電路不等效。也就是說，不可應用該定理求出等效電源電動勢和內(nèi)阻之后，又返回來求原電路(即有源二端網(wǎng)絡內(nèi)部電路)的電流和功率。

②　應用戴維南定理進行分析和計算時，如果待求支路后的有源二端網(wǎng)絡仍為復雜電路，可再次運用戴維南定理，直至成為簡單電路。

③　戴維南定理只適用于線性的有源二端網(wǎng)絡。如果有源二端網(wǎng)絡中含有非線性元件時，則不能應用戴維南定理求解。

3．等效電流源定理--諾頓定理

諾頓定理：任何一個線性有源二端網(wǎng)絡，對其負載來說，都可等效為一個恒流源Is和電阻Rs并聯(lián)的電路來等效代替。Is等于有源二端網(wǎng)絡的短路電流，并聯(lián)電阻Rs為該網(wǎng)絡中所有的獨立源置零時，以二端鈕處看該網(wǎng)絡的等效電阻。

2.5.1 戴維寧定理

2.5.2 諾頓定理

2.6 最大功率傳輸定理

2.7 實訓二戴維寧定理的驗證

習題二

第3章 單相交流電路

3.1 正弦交流電的基本概念

3.1.1 正弦量的三要素

3.1.2 復數(shù)的相關(guān)知識

3.1.3 正弦量的相量表示法

3.2 單一元件的交流電路

3.2.1 電阻元件的交流電路

3.2.2 電感元件的交流電路

3.2.3 電容元件的交流電路

3.3 簡單正弦交流電路的分析

3.3.1 RLC串聯(lián)交流電路和串聯(lián)諧振

3.3.2 RLC并聯(lián)交流電路和并聯(lián)諧振

3.3.3 功率因數(shù)及其提高的方法

3.4 實訓三日光燈電路的聯(lián)接及功率因數(shù)的提高

習題三

第4章 三相交流電路

4.1 三相正弦交流電源

4.1.1 三相正弦交流電動勢的產(chǎn)生

4.1.2 三相電源的聯(lián)接

4.2 三相電路的計算

4.2.1 負載星形聯(lián)接三相電路的計算

4.2.2 負載三角形聯(lián)接三相電路的計算

4.3 三相電路的功率

4.4 實訓四三相電路及其仿真研究

4.4.1 三相電路的研究

4.4.2 三相電路的仿真研究

……

第5章 電路的暫態(tài)過程

第6章 非正弦周期電流電路

第7章 磁路與鐵心線圈電路

第8章 安全用電

電路的基本概念及其基本定律、電路的基本分析方法、單相交流電路、三相交流電路、電路的暫態(tài)過程、非正弦周期電流電路、互感耦合電路、磁路與鐵心線圈電路以及安全用電。每章都有要點和難點提示，章后有精選實訓和習題，書末附有習題答案。

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該書是為配合普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材《電路基礎(chǔ)》和《電路分析基礎(chǔ)教程》等實施教學而編寫的參考書。這本書可作為通信、電子、計算機、自控、測控與儀器、信息類專業(yè)學生學習“電路基礎(chǔ)”課程的輔助教材，也可作為研究生入學考試復習資料。

電路基礎(chǔ)與實踐

作者：劉科

書號：ISBN 978-7-111-38556-1

叢書名：全國高等職業(yè)教育規(guī)

劃教材

定價：31.00元

印刷日期：2012年8月

配套資源： 電子教案、習題答案

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★注重將電路基礎(chǔ)知識與實踐項目有機融合，通過教、學、做的有機結(jié)合循環(huán)，培養(yǎng)學生素質(zhì)和技能。

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