【科普】电路基础知识
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qqj93 楼主

既然
@ KOF2002FANS 要写相量法,那我就不写了~
我写的很简洁,不过下面还是尽量少插楼吧~
2012年12月01日 12点12分 1
level 12
qqj93 楼主

电路在现实生活中应用极为广泛,这一个世纪以来人类对电路的探索研究一直都没有停止过,就是这个初中课本里的电路牵引出了许多规模庞大的学科,而这一切的开始就是最基础的电路理论。这里我打算尽量浅显而宽泛地介绍一下电路基础知识,但不完全是科普,这次我不会介绍任何技巧性或是繁琐的内容,也不会给太多推导。另外,我主要是写给有一点微积分基础的中学生的,对电路完全没有概念的大学党也可以看看。
以下所说的电路都是是集总参数电路,即电路尺寸远小于电路工作时产生电磁波的波长,如果电路特别大或者频率特别高的话,那就需要另外一套方法来分析电路了。
一、理想元器件
实际电路中的元件是多种多样的,往往一个元件呈现出多种物理特性,比如导线绕成的线圈不仅有电感性质还有电阻和电容性质。为了方便理论分析,我们在电路中使用理想模型,即就是理想元器件,我们会用足以表征一个实际元件主要特性的模型(理想元件及其组合)来代表该电路元件。下面我们就来介绍几个常见的理想元器件。
1.
电阻元件
这个大家初中都学过了,废话就不说了,在这里我们关心的电路元件的特性只有一个,那就是伏安关系,很多时候简记为
VCR(Voltage Current Relationship)
。电阻元件的伏安关系很简单,那就是欧姆定律:
U=IR
我们可以看到欧姆定律中没有时间项
t
,即伏安关系与时间无关,所以我们称电阻元件是一种“无记忆”元件。另外电阻也分为线性电阻和非线性电阻,我们这里讨论的都是线性电阻。这就是电阻的电路图:
2012年12月01日 12点12分 2
个人思想:电的传导速度和光的传播速度是一致的 , 就一段频率f=220HZ的电流的话,它的波长λ=c/f=3*10^8/220=1.36*10^6(米)
2013年01月24日 09点01分
回复 全民0情敌 :没错啊,这频率的电流接上天线就有同频率的电磁波。。。
2013年01月25日 08点01分
lz[不高兴]写的太不严谨了。科普还行。系统教学拿不出手到处都是错误。。。O(∩_∩)O 不过还是很努力了
2013年08月15日 18点08分
回复 全民0情敌 :电磁波和光的传导是速度是一致的这倒没错,电磁是辐射光也是辐射。可是电线中的电不是那个性质,那是两端的感性不存在速度的说法。
2013年08月15日 18点08分
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qqj93 楼主

2.
电容元件
电容
C
是一个物理量,它的定义式是
C=Q/u
,单位是法(拉)
F

1F=1V/C
,一般用的比较多的是微法和皮法,我们把电容器也简称电容。对于电容器来说
u
是电容器两端电压,
Q
是电容上所带的正负电荷,关于电容器是怎么一回事,还有电容器种类什么的就不多讲了。我们现在来看看电容器的
VCR
,在这之前,我们先定义电流
i=dq(t)/dt
,即单位时间通过某截面的电荷量,然后结合电容的定义我们很容易得到:
这里我们发现通过电容电流(或者说电容所在支路上的电流)与电容两端电压呈正比。对上式两边同时积分就可得到:
上式表明电容电压的数值并不取决于该时刻的电流值,而与电流全部过去历史有关,所以我们说电容是一种“记忆元件”。
这就是电容的电路图:
2012年12月01日 12点12分 3
电子积木里面电容器还有类似-□|-的电容的电路图- -
2013年01月01日 11点01分
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qqj93 楼主

3
电感元件
电感
L
是一个物理量,也称为自感系数,其定义式是:
L=
Ψ
/i
,Ψ是磁链即通过线圈的磁通量乘以匝数,
i
是通过电感元件的电流。电感的单位是亨(利)
H

1H=1Wb/A
。电感两端的电压满足
u=d
Ψ
/dt
。这里有的同学会说:“乱讲,有电磁感应的时候根本不能定义电压!”那我就稍微提一下,电路中的电压和电磁学中的并不完全是相同的概念,电磁学中的电势是用电场定义的,只有保守场才能找到势函数,而电路中基本没有电场的概念,电压可以看做是从能量的角度定义的,即
u=P/i
,而实际上你用电压表测的话,它会很精确的告诉你电路中定义的电压(电压表才不知道有没有涡旋电场!)。
扯远了,我们要迅速回到
VCR
的推导上来,其实结果已经很明显了,只要把上面两个式子联立就能得到:
我们发现电感的电压与电流的变化率成正比,将上式两边积分就得到:
我们发现电感的电流取决于其初值与
[t0,t]
区间所有的电压值,也是记忆元件。另外电容和电感都是能储存能量的元件,其本身不消耗能量,而是通过电磁场把它储存起来,电容电感的能量这里就不说了,有兴趣的同学可以用
p(t)=u(t)i(t)
去推推看。
这就是电感元件的电路图:
2012年12月01日 12点12分 4
VCR←_←
2013年01月23日 15点01分
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qqj93 楼主

4.
理想电源
电路理论中主要用到的理想电源有电压源、电流源和受控源,受控源这里就不讲了,它在有晶体管的电路中用处很大。
我们先来看看电压源,顾名思义,电压源就是电压确定的电源,初中碰到的电池其实就是理想电压源,没有特殊说明的话电压源的端电压是定值,即
U=Us

以此类推电流源就是电流确定的电源,其端电压可以是任何值,同样,没有特殊说明的话电流源的电流是定值,即
I=Is

实际的电源则有很多种模型,最常见的有电压源串联电阻(就是高中里碰到的电池了)、电流源并联电阻。另外,理想电压、电流源的电压电流并不都是定值,可以人为定义,不过在这里我们默认它们是定值了。
左边是电压源,右边是电流源:
2012年12月01日 12点12分 5
level 12
qqj93 楼主


二、基尔霍夫定律、戴维南与诺顿定理
1.
基尔霍夫电流定律(
KCL

讲基尔霍夫定律之前先要明确两个概念:节点、支路和回路。每个二端元件可以构成一条支路(
branch
),两条或两条以上支路的连接点叫做节点(
node
),这样其实根本没说清楚对吧?
其实可以这样理解:在同一时刻,同一支路上的电流是唯一的,同一节点上的电位也是唯一的。这虽然是描述性的语言,把它反过来作为定义也未尝不可,支路和节点的这两个性质也是电路分析的基础。电路中的任一闭合路径叫做回路(
loop
)。在下图中共有
a,b,c,d
四个节点,
R1,R3,
都可以看成是支路,
Vs1

R1
在一起也可以看成是一个支路,回路一共有
3
个:
dabcd

aR3cba

daR3cd

现在我们来说基尔霍夫电流定律,即
KCL

Kirchhoff current law
):在任一时刻,流入一个节点的电流总等于从这个节点流出电流的总和。用数学形式表达就是:
在上图中,考虑节点
c
的电流,可以得到
i3=i1+i2

另外,
KCL
不仅适用于节点,对于任意一个多端网络,其流入电流之和也等于流出电流之和。
2012年12月01日 12点12分 7
WIKI中用的是结点,同样百度百科中也同样没有“节点”这一词条(我们所说的这层意思)并且“结点”这一词条中的解释到是我们所指。一起纠结吧~
2013年01月23日 15点01分
level 12
qqj93 楼主

2.
基尔霍夫电压定律(
KVL
)与支路电流法
基尔霍夫电压定律,即
KVL

Kirchhoff voltage law
)就是:在任一时刻,在电路的任一闭合回路中,各支路电压的代数和为零。用数学形式表达就是:
同学们肯定会问,各支路电压是怎么定义的呢?一般书上都会说参考方向的一些规定,但其实没什么必要,说了也未必记得住,其实只要举几个例子就可以讲清楚。所以现在我要介绍一个求解电路的方法:支路电流法。支路电流法是最基本的求解电路中电流、电压的方法,除此之外还有网孔电流法、节点电压法,其本质都是一样的,都是应用
KVL

KCL

我们还是看上面那个电路,
R1

R2

R3

Vs1

Vs2
都是已知量,现在求
i1

i2

i3
,注意图上电流的方向未必是真实方向,只是人为规定的方向。当解出的电流为正,则电流方向与规定方向相同,若解出的电流为负,则相反。先用
KCL
列出
i3=i1+i2
,然后根据
KVL
,按
cbadc
可以列出:
i2R2-Vs2+Vs1-i1R1=0
,按
cbaR3c
可以列出:
i2R2-Vs2+i3R3=0
,仔细看一下同学们就发现了,其实
KVL
等号左边的是沿绕行方向电压下降的量求和!当然,你要是对电压上升的量求和也是没问题的。在这个电路中确定每项电压的正负是很容易的事,不过在电压电流都有规定方向的时候(比如电路中有电容电感),搞错正负号的事情还是时有发生,总之记住求绕行方向的压降之和就对了。
2012年12月01日 12点12分 8
level 12
qqj93 楼主

现在我们回到对
i1

i2

i3
的求解过程上来,上面我们利用
KCL

KVL
列出了
3
个独立的方程,即
三个未知量,三个线性方程,就可以把
i1

i2

i3
都解出来了。事实上,用支路电流法求解电路时,若电路中共有
n
个节点,则其中任意的(
n-1
)个节点的
KCL
方程是互相独立的,余下那个节点的
KCL
方程则是不独立的。在一般情况下,
KVL
能够提供的独立方程个数总等于支路数
b
与独立的节点数
(n-1)
的差值,即
KVL
提供的独立方程数
l=b-(n-1)
。未知量的个数是
b
,所以对于任何电路,支路电流法都可以求出唯一解。
2012年12月01日 12点12分 9
诶,是我的问题还是度娘的问题,为什么最后一句没了。。。是:所以对于任何电路,支路电流法都可以求出唯一解。
2012年12月01日 12点12分
回复 qqj93 :这句话有啊- -
2013年01月01日 11点01分
level 11
终于等到了!好好学习!(插一下又不会怀孕~)
2012年12月01日 12点12分 11
[Love]
2012年12月01日 13点12分
level 12
qqj93 楼主
今天先更新到这里了,后面开始讲一阶电路的完全响应。。。本来还打算讲讲相量法啊,阻抗啊什么的,不过@KOF2002FANS 要写,那我就不讲了,那一阶电路稍微写详细一点吧,心情好的话我说不定把二阶电路也一起写了。。。
2012年12月01日 12点12分 12
For those of you who are wondering...相量法在此https://tieba.baidu.com/p/2020803878
2012年12月02日 04点12分
level 12
[揉脸]好贴要顶,话说这发帖的30分钟居然没人插楼……略冷清啊……
2012年12月01日 12点12分 13
[Love]
2012年12月01日 13点12分
回复 qqj93 :[Love]多谢楼主科普,学习了~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2012年12月01日 13点12分
level 12
qqj93 楼主
@ alrigz 你居然自己把楼给删了。。。其实我打算后边再继续更新的,现在插一下应该也没什么关系吧。。。[勉强]
2012年12月01日 12点12分 14
2012年12月01日 12点12分
回复 qqj93 :魂淡,你早说了,我都说10分钟删了[睡觉]哪能言而无信的说
2012年12月01日 13点12分
回复 alrigz :[Love]
2012年12月01日 13点12分
你觉得我要不要加入关于有功功率,无功功率之类的内容。。
2012年12月02日 01点12分
level 12
电阻电容电感,你怎么把忆阻给漏了。
2012年12月01日 13点12分 16
[瀑布汗~]这么高级的东西写在半科普帖里没必要啊。。。话说我自己也没学过忆阻[拍砖],这东西是哪里出现的。。。
2012年12月01日 13点12分
回复 qqj93 : u,i,phi,q 四个量两两组合分别定义出电阻电容电感和忆阻。
2012年12月01日 13点12分
回复 plu_icesheep :[啊!]好像很厉害的样子。。。
2012年12月01日 13点12分
回复 plu_icesheep :两两组合的话不是有6种方案么?另外光U和I就可以定义出电阻电导电功率的话,所有有意义没意义物理量共18种是么?
2013年01月01日 11点01分
level 7
好贴要顶~
2012年12月01日 13点12分 17
[Love]
2012年12月01日 13点12分
level 11
[顶]
2012年12月01日 13点12分 18
[Love]
2012年12月01日 13点12分
level 12
[啊!]完全看不懂,只是来顶qq姐的
2012年12月01日 13点12分 19
[Love]
2012年12月01日 13点12分
level 10
虽然都不懂,但完全没兴趣 = =
2012年12月01日 13点12分 20
[汗]。。。
2012年12月01日 13点12分
level 13
顶qq姐
2012年12月01日 13点12分 21
[Love]
2012年12月01日 13点12分
回复@qqj93 :虽然看不懂[晕乎乎]
2012年12月01日 13点12分
回复@qqj93 :虽然看不懂[晕乎乎]
2012年12月01日 13点12分
回复 深秋的歌 :额…哪里不懂?
2012年12月01日 14点12分
level 14
qq妹子怎么也变工科的了[郁闷]
不过还是要大喊一声“你们说的我都不懂!我是来看妹纸的!”[勉强]
2012年12月01日 13点12分 22
我本来就是工科的。。。汉纸。。。(我很黑的,乃们不要萌我[抛媚眼]
2012年12月01日 13点12分
回复 qqj93 :[气愤]qq姐是萌纸妹,乃们不要骚扰她
2012年12月01日 13点12分
谢谢吧主加精~~
2012年12月01日 13点12分
回复 我在天外 :其实秀一才是梦妹纸~[睡觉](话说萌纸妹是神马东西= =)
2012年12月01日 13点12分
level 10
看来几个人要做电路基础大**啊= =[汗]
2012年12月01日 13点12分 23
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