工程电路分析第二章

第二章基本元件和电路第二章基本元件与电路本章要点本章要点基本电量的定义及其单位理解电荷、电流、电压和功率之间的关系掌握和使用无源符号规则了解独立电源和受控电源熟知电阻的特性及欧姆定律天津大学电子信息工程学院1第二章基本元件和电路2.1基本单位和单位扩展表2.1国际单位制（SI）基本单位基本量名称符号长度米(tr)长度米(meter)m质量公斤(kilogram)kg时间秒(second)s电流安培(ampere)A电流安培(ampere)A热力学温度开尔文(kelvin)K物质的量摩尔(mole)Mol光强度坎德拉(candela)cd天津大学电子信息工程学院2光强度坎德拉(candela)cd第二章基本元件和电路表基本单位基本单位定义定义时间表2.2基本单位米光在真空中(1/299792458)s时间间隔内所经过路径的长度。1983千克国际千克原器的质量。1889秒铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。1967安培在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导1946安培在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10-7N，则每根导线中的电流为1A。1946开尔文水三相点热力学温度的1/273161967开尔文水三相点热力学温度的1/273.16。1967摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元（原子、分子、离子、电子及其他粒子，或这些粒子的特定组合）数1971与0.012kg碳-12的原子数目相等。坎德拉一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1979天津大学电子信息工程学院3的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为(1/683)W/sr第二章基本元件和电路2.1基本单位和量纲表2.3国际单位制中常用词冠和量纲因数名称符号因数名称符号109吉(giga)G10−1分(deci)d10吉(giga)G10分(deci)d106兆(mega)M10−3毫(milli)m兆(g)毫()103千(kilo)k10−6微(micro)μ102百(hecto)h10−9纳(nano)n101十(deka)da10−12皮(pico)p天津大学电子信息工程学院4第二章基本元件和电路2.2电荷,电流,电压和功率2.2.1电荷(Charge)•两种带电粒子:质子带正电荷;电子带负电荷，所带电荷的多少叫电量，用q表示.单位：库仑(C)。•电荷守恒：电子或质子既不能被产生，也不能被消灭。电荷在电路中相互转换电荷总量不变电荷的流动形成电•电荷在电路中相互转换,电荷总量不变,电荷的流动形成电流。•库仑:运载1安培电流的导线每秒钟流过的电荷量。天津大学电子信息工程学院5第二章基本元件和电路库仑与安培运载1A电流的导线每秒钟流过的电荷量为1C；1A的电流相当于1秒内有1C的电荷流过导线横截面。横截面电荷运动的方向历史原因单个电荷•1库仑=6.25×1018电子•1电子=-1.602×10-19库仑历史原因天津大学电子信息工程学院6子库第二章基本元件和电路2.2.2电流(Current)定义定义在特定位置特定方向的电流为净的正电荷流经定义：定义在特定位置、特定方向的电流为净的正电荷流经该点的瞬时速率。（1秒钟内通过导线横截面的电荷量）dtdqi单位：ampere(A)---安培dt习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的方向。安培：在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时若导线间相AndreMarieAmpere长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10-7N，则每根导线中的电流为1A。[国际计量委员会（1946）决议2。第9届国际计量大会（）批准]天津大学电子信息工程学院7Andre-MarieAmpere届国际计量大会（1948）批准]第二章基本元件和电路定义电流的两个要素——电流强度电流方向电流强度，电流方向电流强度瞬间数值电流强度——瞬间数值电流方向——相对方向（参考方向）电流方向相对方向（参考方向）利用电流的正负值结合参考方向来表明电流的真实方向。图2.5同一电流的两种表示方法天津大学电子信息工程学院8第二章基本元件和电路图2.6(a)(b)不正确的电流定义(c)电流i(t)的正确定义(c)电流i1(t)的正确定义直流电流(dc)正弦电流(ac)指数电流衰减正弦电流(pp.12图2.4)天津大学电子信息工程学院9第二章基本元件和电路电荷与电流的关系：dqidti从t0到t传输的电荷：ttqidtdq)(从t0到t传输的电荷：ttqidtdq00)(到时为止所传输的总电荷)()(0tqidttqt到t时为止所传输的总电荷：)()(00tqidttqt大写字母通常表示常量（时不变量）小写字母表示瞬时值天津大学电子信息工程学院10大写字母通常表示常量（时不变量），小写字母表示瞬时值。第二章基本元件和电路2.2.3电压(Voltage)跨接在一对端点上的电压是推动电荷流过元件所需做功的度量。Uab物理意义:在电场力作用下将单位正电荷从a点移动到b点所作的功.单位：Volt--伏特AlessandroAntonioVolta(1745-1827)天津大学电子信息工程学院11()第二章基本元件和电路电路中a，b两点间的电压表明了单位正电荷由a点转移到b点时所获取得或失去的能量。若正电荷由a转移到b，失去能量，则a为高电位，即正极；若正电荷由a转移到b，获得能量，则a为低电位，即负极。若荷转移到获得能则为低位即负极电子能能量降低低天津大学电子信息工程学院12第二章基本元件和电路电压可以存在于一对电极之间，而电极之间可以有，也可没有电流流过。任何电压的定义必须包含一对正负号，称为电压的参考极性。利用电压的正负值结合参考极性来表明电压的真实极性利用电压的正负值结合参考极性来表明电压的真实极性。•若v0,则实际方向与参考方向一致若,则实际方向与参考方向致•若v0,则实际方向与参考方向相反天津大学电子信息工程学院13第二章基本元件和电路图2.9(a,b)端点B相对于端点A为正5V;(c,d)端点A相对于端点B为正5V.图2.10(a,b)不正确的电压表示;(c)正确的电压表示.天津大学电子信息工程学院14(,)端点相对于端点为正()确的电压表示第二章基本元件和电路2.2.4功率(Power)假定在1秒钟内1焦耳能量通过某个元件被传递那假定在1秒钟内1焦耳能量通过某个元件被传递，那么能量传递的速率就是1瓦特。电压、电流关联参考方向标注考方向标注无源符号规则（thepassive图2.12元件吸收的功率为p=vi或元件提供的功率为p=-vi（thepassivesignconvention）天津大学电子信息工程学院15或元件提供的功率为p-vi第二章基本元件和电路根据关联参考方向计算功率•元件的电压和电流为关联参考方向时v和i的乘积代表元件吸收(或消耗)的功率:v和i的乘积代表元件吸收(或消耗)的功率:00pvi吸收正功率吸收负功率提供正功率0,吸收负功率提供正功率•元件的电压和电流为非关联参考方向时元件的电压和电流为非关联参考方向时v和i的乘积代表元件产生(或提供)的功率:0提供正功率00,pvi提供正功率提供负功率吸收正功率天津大学电子信息工程学院16第二章基本元件和电路相对于非电源器件，更习惯讨论它的吸收功率相对于非电源器件，更习惯讨论它的吸收功率相对于电源器件，更习惯讨论它的提供功率以吸收功率为正的描述方式——IEEE规则以提供功率为正的描述方式——自然描述天津大学电子信息工程学院17以提供功率为的描述方式自然描述第二章基本元件和电路例2.1计算图中各元件吸收的功率。3A-5A－2V4V－-2V＋(a)(b)(c)-3A(a)(b)(c)Pa=(2V)×(3A)=6WPc=(4V)×(-5A)=-20WPb=(-2V)×(-3A)=6W当计算功率数值完毕之后，我们要根据其定义的关联方向结合数值符号来确定器件是吸收功率还天津大学电子信息工程学院18Pc(4V)(5A)20W关联方向结合数值符号来确定器件是吸收功率还是提供功率。第二章基本元件和电路2.3电压源和电流源（VoltageandCurrentSources）简单电路元件是两端器件的数学模型简单电路元件是两端器件的数学模型。可由电压-电流关系(伏安特性）决定的电路元件•电阻（Resistor）——linear（元件两端电压线性正比于流经元件的电流）•电容（Capacitor）integral•电容（Capacitor）——integral（元件两端电压正比于电流对时间的积分）•电感（Inductor）——derivative（元件两端电压正比于电流对时间的微分）另外一些电路元件•独立源:独立电压源独立电流源•受控源:四类天津大学电子信息工程学院19第二章基本元件和电路2.3.1独立电压源（IndependentVoltageSources）特点端电压完全独立于流过它的电流理想电源理论上可以提供无限特点：端电压完全独立于流过它的电流。理想电源理论上可以提供无限大的能量。它是实际电压源的合理近似。ii(a)直流电压源符号符图2.15独立电压源的电路符号(b)电池符号(c)交流电压源符号图2.15独立电压源的电路符号天津大学电子信息工程学院20第二章基本元件和电路2.3.2独立电流源（IndependentCurrentSources）独立电流源特点：流过元件的电流完全独立于元件两端的电压理论上它可以提供无限大的功率压。理论上，它可以提供无限大的功率。图2.17独立电流源的电路符号图独电流源的电路符号iSt(a)直流电流源符号(b)交流电流源符号天津大学电子信息工程学院21()交符号第二章基本元件和电路+usis_s一般电压源符号一般电流源符号我国国家标准对理想电压源和理想电流源规我国国家标准对理想电压源和理想电流源规定了图形符号（GB4728.2-84,3.16)天津大学电子信息工程学院22第二章基本元件和电路2.3.3受控源（DependentSources）受控源实例:三极管实现电流控制电流源•受控源是由电子器件(如真空管,晶体管)抽象而来的模型bcibiC集电极三极管实现电流控制电流源象而来的模型.•受控源是一种双口元件,含有两条支路:控制支路受控支路bebvbevce基极制支路受控支路•受控源受控支路的电压或电流,受到控制支路的电压或电流的控制.发射极bibiC路的电压或电流的控制•受控源只反映电子器件电压、电流的转移关系,不能单独提供能量,不是独立源.Rbeibecbii天津大学电子信息工程学院23第二章基本元件和电路四种类型的受控源电压控制电压源(VCVS)电压控制电流源(VCCS)电压控制电压源(VCVS)、电压控制电流源(VCCS)电流控制电压源(CCVS)、电流控制电流源(CCCS)2121::vvigvg转移电压比转移电导2121:::igvgvririi转移电导转移电阻转移电流比21:ii转移电流比天津大学电子信息工程学院24第二章基本元件和电路图2.18(a)CCCS;(b)VCCS;(c)VCVS;(d)CCVS.()()()()•独立源与受控源是两个本质不同的物理概念.•独立源是单独存在的,在电路中起着“激励”的作用;受控源不是独立存在的,只反映了电子器件输出端与输入端电压/电流的转移关系,在电路中不能作为“激励”不是激励源电路中不能作为激励,不是激励源.•电压源的电压或电流源的电流与电路其它部分无关;受控源电压(或电流)由电路中的控制支路决定.天津大学电子信息工程学院25第二章基本元件和电路例2.2已知v2=3V,求vL.255315VLvv控制支路受控支路天津大学电子信息工程学院26第