电子与电子技术基础初步

电路的组成

1. 电源

   例如: 蓄电池和干电池: 化学能转换成电能

2. 负载

   实际的负载包括电动机、电动工具和家用电路

3. 导线

4. 开关

电路的作用

1. 电能的传输、转换

2. 信号的传递、处理

电路的基本物理量

大写直流--不变
小写交流--变化

1. 电流 \(I\) \(i\)

   方向: 正电荷定向移动的方向，高电位流向低电位

2. 电压 \(U\) \(u\)

   电位降低的方向（高电位 --> 低电位）

3. 电动势 \(E\) \(e\)

   电源力驱动正电荷的方向（低电位 --> 高电位）

4. 功率 \(P\)

   用电或供电

电压与电动势

电路中的参考点

1. 概念: 在分析和计算电路时，常把电路中的抹一点选作参考点，并规定其电位为零，也称为地

2. 符号: 常用"\(\perp\)"表示

3. 作用: 电路中各点的电位只有在参考点选定后才有确定的数值 -- 单值性

4. 选取方法和原则: 可以任意选择，但一般常选大地或机壳作为参考点; 且在分析电路的过程中一经选定不可随机更改

电路常见解决方法

在解题前先任意选定一个方向，称为参考方向 (或正方向)。依此参考方向，根据各个公式定理进行电路的分析计算

• 根据计算结果确定U, I的实际方向

  • 计算结果为正，实际方向与假设方向一致

  • 计算结果为负，实际方向与假设方向相反

电路中的参考方向

1. 电流参考方向

2. 电压参考方向

电流和电流方向

1. 大小: 单位时间内流过导体横截面积的电荷量（单位：安培 A）

   • 普遍定义: \(i = \lim\limits_{\Delta t\to0}{\frac{\Delta q}{\Delta t}}\)

   • 交流: \(i = \frac{dq}{dt}\)

   • 恒定电流: \(I = \frac{\Delta q}{\Delta t}\)

2. 方向: 正电荷的宏观运动方向

3. 电流可以作为时间函数(常量可以堪称时间函数特例)， 电流是代数量，其值可以为正，也可以为负

   因为是代数量，所以正负号仅仅只代表方向，如果为正，则与参考方向相同，如果为负，则与参考方向相反

note: 电流中的参考方向可以随意规定，但是一经规定后，在计算过程中不得任意改变

4. 参考方向的表示方法

电压的参考方向

• 作为时间函数（常量可以堪称时间函数的特例）的电压是代数量，其数值可以正，也可以负。正负仅仅代表方向而已

note: 电压的参考方向可以随意规定，但是一经规定后，在计算过程中不得任意改变

电压参考方向的表示

表示方法	写法
\(+ -\)
双下标
箭头

关联参考方向

1. 定义: 元件电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性一端，即电流和电压的参考方向一致，称为关联参考方向

2. 关联性的描述方式

情景	描述
	参考方向关联 / 参考方向一致
	参考方向不关联 / 参考方向不一致

note:

1. 电路计算中，参考方向的选择是任意的，但是一经选定后，解题过程中一般不再变动。
2. 电压、电流的真是指向是客观存在的，若设定的参考方向相反，则计算结果的代数符号也会相反。
3. 电路分析过程中，必须画图并标定参考方向和回路的绕行方向，否则计算结果无意义。

关联方向在问题解决方面的应用

1. 电压电流 "实际方向" 是客观存在的物理现象，"参考方向"是认为假设的方向。

2. \({R} = \frac{{U}}{{I}}\) 只适用于 \({R}\) 中 \({U}\) 、\({I}\) 参考方向一致的情况——欧姆定律表达式含有正负号。

3. 在解题前，一定先假定电压电流的“参考方向”，然后再列方程求解。即 U、I为代数量，也有正负之分

4. 为方便列电路方程，习惯假设I与U的参考方向一致（关联参考方向）

功率的计算及其意义

1. 计算

2. 意义

   • 若计算结果 \(P > 0\) , 则说明U、I的实际方向一致，此部分电路吸收电功率（消耗能量）即 负载

   • 若计算结果 \(P > 0\) , 则说明U、I的实际方向相反，此部分电路输出电功率（提供能量）即 电源

3. 性质

   • 在同一电路中，电源产生的总功率和负载消耗的总功率是平衡的

电气设备的额定值

• 额定电流 \(({I}_{{N}})\):

  电气设备在长期连续运行或规定工作制度下允许通过的最大电流。

• 额定电压 \(({U}_{{N}})\):

  电气设备根据所用绝缘材料的耐压程度和容许温升等情况，所规定正常工作时的电压。

• 电气设备的额定值:

  额定电压、额定电流、额定功率 \({P}_{{N}}\) 以及其他规定值 (电动机的额定转矩等)。

• 常见符号:

  符号	意义
  \({U}_{{N}}\)	额定电压
  \({I}_{{N}}\)	额定电流
  \({P}_{{N}}\)	额定功率
  \({n}_{{N}}\)	额定转速
  ---	---

  note: N -- normal

• 性质意义:

  • 负载设备通常工作与额定状态

  • 电源设备的额定功率标志电源的供电能力，是长期运行允许的上限值

  • 电源输出的功率由外电路决定，不一定等于电源额定功率

电路的三种工作状态

电路图	状态	物理量的关系	电路状态
开路		\(I = 0\) \(U_0 = E\)	开路状态: 开关S打开
有载		\(I = \frac{E}{R + R_0}\)	有载状态: 开关S合上，电流I通过电阻R
短路		\(U = 0\) \(I_S = \frac{E}{R_0}\)	短路状态: 电路的负载电阻为零

理想电路元件分类

电阻元件

1. 电阻(R): 具有消耗电能特性的元件

2. 相关公式

note: G是电导率

伏安特性

电阻原件上电压与电流间的关系

线性电阻

当 \(R = \frac{U}{I}\) 恒定不变时，称为线性电阻

非线性电阻

当电压与电流之间不是线性函数关系时，称为非线性电阻

电阻的计算

实际金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关

常见的电阻单位: 欧姆 (\(\Omega\)), 千欧 (\(k \Omega\))

电阻类型

1. 普通金属膜电阻
   
2. 绕线电阻
   
3. 电阻排
   
4. 热敏电阻
   

电感元件

1. 电感: 能够存储磁场能量的元件

2. 符号

   

3. 自感系数

   \[ L = \frac{N \times \Phi}{i} = \frac{\psi}{i} \]

   \(\psi\): 单位电流产生的磁通链

4. 常见单位

   \(H, mH\)

5. 电感元件的基本伏安关系式

   \[ u = L \frac{di}{dt} \]

   到变化的电流流经电感元件，电感元件会产生与电流变化相反的电动势

   产生的电压是自感系数乘以电流的变化率

6. 在直流电路中，电流的变化率为零，所以电感元件相当于一根无阻的导线

7. 电感存储的磁场能量

   \[ W_L = \frac{1}{2}Li^2 \]

   可以类比动能的表达式

   \[ W = \frac{1}{2}mv^2 \]

   \(L\) 是相当于 \(m\) 的常量，由电感本身决定，\(i\) 相当于 \(v\) 都是描述运动的物理量，\(i\) 是电子的运动，而 \(v\) 是宏观物体的运动。

8. 线圈自感系数的计算

线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近截至的导磁性能等有关

9. 电感元件的常见类别

10. 陶瓷电感
    

11. 带有磁心的电感
    

12. 铁氧体电感
    

电容元件

1. 电容: 具有储存磁场能量特性的元件

2. 电容的定义式

3. 电容元件的伏安关系式

4. 由于直流电路中电流的变化率为0，所以电容在直流电路中相当于开路

5. 电容储存的电场能量

6. 电容的计算

电容器的电容与尺寸介质的介电常数有关

7. 常见的电容器

   1. 电解电容器
      
   2. 普通电容器
      
   3. 电力电容器
      

理想无源元件的伏安关系 -- 总结

note: u与i参考方向一致