硬件基础与电路（第一章 电路模型及电路定律）

电路及的电路模型

电路定义：电路是指电流多通过的路径，也称回路或网路，是由电气设备和元器件按一定方式连接起来，以实现特定功能的电气装置。

电路的作用：

（1）电能的传输和转换。列如电力供电系统、照明设备、电动机等。主要利用电的能量，其电压、电流、功率相对较小，频率较高，也称为强电系统。

（2）信号的传递和处理。列如电话、扩音机电路用来传送和处理音频信号，万用表用来测试电压、其电压、电流和电阻，计算机的存储器用来存放数据和程序。主要用于处理电信号，其电压、电流、功能相对较小，频率较高，也称为弱电系统。

电气图及电路模型

定义：一个完整的电路是由电源（或信号源）、负载和中间环节（如开关、导线等）三个基本部分组成的。

（1）一个实际的电阻器在有电流流过的同时还会产生磁场，因而还兼有电感的性质。

（2）一个实际电源总有一点电阻，因而在使用时不可能总保持一定的电压。

（3）连接导体总有一点电阻，甚至还有电感。

用一个足以表征其主要性能的模型来表示。列如：

（1）灯泡的电感是极其微小的，把她看作一个理想的电阻元件是完全可以的。

（2）一个新的干电池，其内阻与灯泡的电阻相比可以忽略不计，把她看作一个电压恒定的理想电压源也是完全可以的。

（3）在连接导体很短的情况下，导体的电阻完全可以忽略不计，可看作理想导体。于是这个理想电阻元件就构成了灯泡的模型，理想电压源就构成了电池的模型，而理想导体则构成了连接导体的模型。

集总元件与集总假设

1.电路研究的理想化假设

假定电路中的电磁现象可以分别研究，用“集总参数元件”（简称集总元件）来构成模型，每一种集总元件均只表现一种基本现象，且可以用数字方法精确定义。

2.集总假设的适应条件

集总含义：元器件中的电场和磁场可以分隔，并分别加以表征和研究，即元器件中交织存在的电场和磁场之间不存在相互作用。但在实际上，若电场与磁场间存在相互作用时将产生电磁波， 这样电路中的一部分能量将通过辐射而损失掉。

集总假设的使用是有条件的，只有在辐射能量可以忽略不计的情况下才能采用集总假设，即当实际电路元件或部件的外形尺寸远比通过它的电磁波信号的波长小得多，可以忽略不计时，方可采用集总假设。

这种元件和部件称为集总元件，是抽象的理想元件模型，由集总元件构成的电路模型，称为集总电路。

电路变量

电路的电性能可以用一组表示为时间函数的变量拉低描述，最常用到的是电流、电压和电功率。各电量单位都采用国际单位制。

电流： 自然界中存在正、负两种电荷，在电源的作用下，电路中形成了电场，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生地定向移动，形成电流，习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的方向。

电流的大小称为电流强度（简称电流），是指单位时间内通过导体横截面的电荷量，即：

i（t）= dq/dt

式中，电荷q的单位为库仑（C）：时间t 的单位为秒（s）:电流i的单位为安培（A）。除A外，常用的单位有毫安（mA），微安（uA），它们之间的换算关系如下：

1A = 103mA

1mA = 103uA

如果电流的大小和方向不随时间变化，这种电流称为恒定电流，简称直流，一般用大写字母I表示。

如果电流的大小和方向都随时间变化，则称为交变电流，简称交流，一般用小写字母i表示。

电压

u(t)=dW/dq

式中，dq为由a点转移到b点的正电荷量，单位为库仑（C）；dW为转移过程中电场力对电荷dq所做的功，单位为焦耳（J）；电压u(t)的单位为伏特（V）。

如果正电荷由a点转移到b点，电场力做了正功，则a点为高电位，即正极，b点为低电位，即负极；正电荷由a点转移到b点，电场做了负功，则a点为低电位，即负极，b点为高电位，即正极。

如果正电荷量及电路极性都随时间变化，则称为交变电压或交流电压，一般用小写字母u表示；若电压大小和方向都不变，称为直流（恒定）电压，一般用大写字母U表示。

参考方向

参考方向可以任意选定，在电路图中，电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向（也称参考极性）则在元件或电路的两端用“+”、“-”符号来表示，“+”号表示高电位端，“-”号表示低电位端；有时也用双下标表示，如uAB表示电压参考方向由A指向B。

如果电流或电压的实际方向（虚线箭头）与参考方向（实线箭头或“+”、“-”）一致，则用正值表示；如果两者相反，则为负值。

、在分析电路时，应先设定好合适的参考方向，在分析与 计算的过程中不再任意改变，最后由计算结果的正、负值来确定电流和电压的实际方向。

如果指定电流过某元件（或电路）的电流参考方向是从标以电压的正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向；当两者不一致时，称为非关联参考方向。

在分析计算电路时，对无源元件常取关联参考方向，对有源元件则常取非关联参考方向。

电功率

电功率表示电路或元件中消耗电能快慢的物理量，定义为电流在单位时间内所做的功，即

p(t)=dW/dt

当时间t的单位为秒（s），功W的单位为焦耳（J）时，功率p的单位为瓦特（W）。设定电流和电压为关联参考方向时，由式（1-2），有dW=u(t)dq,再结合式（1-1），有

、 p（t）= dW/dt=u(t)dq/dt=u(t)i(t)

此时把能量传输（流动）的方向称为功率的方向，若p(t)>0,表示此电路（或元件）吸收能量，此时的p(t)称为吸收功率；若p(t)0，表示此电路（或元件）发出能量，此时的p(t)称为发出功率；若p(t)

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