内容简介
全书共分 18 章,主要内容有:电路模型和电路定律、电阻电路的等效变换、电阻电路的一般分析、电路定理、含有运算放大器的电阻电路、储能元件、一阶电路和二阶电路的时域分析、相量法、正弦稳态电路的分析、含有耦合电感的电路、电路的频率响应、三相电路、非正弦周期电流电路和信号的频谱、线性动态电路的复频域分析、电路方程的矩阵形式、二端口网络、非线性电路、均匀传输线,另有磁路和铁心线圈、PSpice 简介和 MATLAB 简介三个附录。
绪论
一、课程定位
"电路" 课程是高等学校电子与电气信息类专业的重要的基础课,是所有强电专业和弱电专业的必修课。学习本课程要求学生具备必要的电磁学和数学基础知识。
"电路" 课程以分析电路中的电磁现象,研究电路的基本规律及电路的分析方法为主要内容。
通过本课程的学习,使学生掌握电路的基本理论知识、电路的基本分析方法和初步的实验技能,为进一步学习电路理论打下初步的基础,为学习电子与电气信息类专业的后续课程准备必要的电路知识。因此,"电路" 课程在整个电子与电气信息类专业的人才培养方案和课程体系中起着承前启后的重要作用。
二、电路理论及相关科学技术的发展简史
人类对电磁现象的认识始于对静电、静磁现象的观察。1729 年,英国人S.格雷将材料分为两类 — 导体和绝缘体。美国科学家富兰克林(B.Franklin,1706 — 1790)于 1749 年提出了正电和负电的概念。1785 — 1789 年,法国人库仑(C.A.Coulomb)定量地研究了两个带电体间的相互作用,得出了历史上最早的静电学定律 — 库仑定律。
1800 年,意大利物理学家伏特(A.Vlota,1745 — 1827)发明了伏打电池,它能够把化学能不断地转变为电能,维持单一方向的持续电流。这一发明为人们深入研究电化学、电磁学以及它们的应用打下了物质基础。以后很快发现了电流的化学效应、热效应以及利用电来照明等。
1820 年,丹麦物理学家奥斯特(H.C.Oersted,1777 — 1851)通过实验发现了电流的磁效应,在电与磁之间架起了一座桥梁,打开了近代电磁学的突破口。
1825 年,法国科学家安培(A.M.Ampere,1775 — 1836)提出了著名的安培环路定律。他从 1820 年开始在测量电流的磁效应中,发现两个载流导线可以互相吸引,又可以相互排斥。这一发现成为研究电学的基本定律,为电动机的发明作了理论上的准备。
1826 年,德国人欧姆(G.S.Ohm,1787 — 1854)在多年实验基础上,提出了著名的欧姆定律:在恒定温度下,导线回路中的电流等于回路中的电动势与电阻之比。欧姆又将这一定律推广于任意一段导线上,并得出导线中的电流等于这段导线上的电压与电阻之比。
1831 年,英国物理学家法拉第(M.Faraday,1791 — 1867)发现了电磁感应****现象。当他继续奥斯特的实验时,他坚信,既然电能产生磁,那么磁也能产生电。他终于发现在磁场中运动的导体会产生感生****电动势,并能在闭合导体回路中产生电流。这一发现成为发电机和变压器的基本原理,从而使机械能变为电能成为可能。
1832 年,亨利提出了表征线圈中自感应作用的自感系数L。
1834 年,俄国人楞次提出感应电流方向的定律,即著名的楞次定律。
1838 年,画家出身的美国人莫尔斯(S.F.Morse,1791 — 1872)发明了电报。
1845 年,德国科学家基尔霍夫(G.R.Kirchhoff,1824 — 1887)在深入研究了欧姆的工作成果之后,提出了电路的两个基本定律 — 基尔霍夫电流定律(简称 KCL)和基尔霍夫电压定律(简称 KVL)。它是集总参数电路中电压、电流必须服从的规律。
1853年,汤姆逊(W.Thomson,1824 — 1907,即开尔文勋爵)采用电阻、电感和电容的电路模型,分析了莱顿瓶的放电过程,得出电振荡的频率。
同年,亥姆霍兹提出电路中的等效发电机定理。
1854 年,汤姆逊发表了电缆传输理论,分析了信号的衰减、延迟、失真等现象。
1857 年,基尔霍夫考虑到架空传输线与电缆不同,得出了包括自感系数在内的完整的传输线上电压及电流方程式,称之为电报员方程或基尔霍夫方程。至此,包括传输线在内的电路理论就基本建立起来了。
1864 年,英国物理学家麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831 — 1879)总结了当时所发现的种种电磁现象的规律,将它表达为麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在,为电路理论奠定了坚实的基础。
1887 年,德国物理学家赫兹(H.R.Hertz,1857 — 1894)经过艰苦的反复实验,证明麦克斯韦所预言的电磁波确实存在。
1866 年,德国工程师西门子(E.W.Siemens,1823 — 1883)发现了电动机原理并用在了发电机的改进上。
1881 年,直流高压输电试验成功。但由于直流高压不便于用户直接使用,同年在发明变压器的基础上又实现了远距离交流高压输电。从此,电气化时代开始了。
1876 年,美国科学家贝尔(A.G.Bell,1847 — — 1922)发明了电话。当时电报已很发达,贝尔在多路电报通信实验中,萌发了在电报线上通话的设想。在T.A.沃森的协助下,经过不懈的努力终于试验成功。
1879 年,美国人爱迪生(T.A.Edison,1847 — 1931)发明了炭丝灯泡。1912 年美国人W.D.库利奇发明了钨丝灯泡,成为最普及的照明用具。
1880 年,英国人J.霍普金森提出了形式上与欧姆定律相似的计算磁路用的定律。
19 世纪末,交流电技术的迅速发展,促进交流电路理论的建立。1893 年,C.P.施泰因梅茨提出分析交流电路的复数符号法(相量法),采用复数表示正弦式的交流电,简化了交流电路的计算。
瑞士数学家J.R.阿尔甘提出的矢量图,也成为分析交流电路的有力工具。
1894 年,意大利人马可尼(G.Marconi,1874 — — 1937)和俄国的波波夫分别发明了无线电。从此开始了无线电通信的时代。
电真空器件的发明使电子工程的发展推进了一大步。英国科学家汤姆逊(J.J.Thomson,1856 — 1940)在 1895~1897 年间反复测试,证明了电子确实存在。
随后,英国科学家弗莱明(J.A.Fleming)在爱迪生发明的热二极管的基础上发明了实用的真空二极管。它具有单向导电特性,能用来整流或检波。
1906 年,美国人德福雷斯特(L.DeForest)发明了真空三极管,它对微弱电信号有放大作用。
1914 年,德福雷斯特用真空三极管又构成了振荡电路,使无线电通信系统更加先进。
应用的需要导致了大规模发电及输配电的出现和发展。在 19 世纪末还发生过一场 "交、直流之争"。以爱迪生为代表的一方主张应用直流电,而另一方以G.威斯汀豪斯及其创建的西屋公司为代表,主张应用交流电。直到交流发电机、感应电动机、变压器等发明之后,充分显示了交流制的优点,交流制才得到广泛的应用。
进入 20 世纪,1911 年英国工程师O.亥维赛提出阻抗的概念,还提出了求解电路瞬态过程的运算法。1918 年,福台克提出的对称分量法,简化了不对称三相电路的分析。这一方法至今仍为分析三相交流电机、电力系统不对称运行的常用方法。1920 年,G.A.坎贝尔、K.瓦格纳研究了梯形结构的滤波电路。1924 年,R.M.福斯特提出电感电容二端网络的电抗定理。此后便建立了由给定频率特性设计电路的网络综合理论。
1925 年,英国人贝尔德(J.L.Baird)首先发明电视。几乎在同时,美国无线电公司(R.C.A)的工程师兹沃雷金(V.K.Zworykin)发明了电视显像管。1933 年,他利用真空二极管、真空三极管和显像管,最早发明了电视机。1936 年,黑白电视机正式问世了。
在电子管被发明后,电子电路的技术迅速发展。1932 年瑞典人H.奈奎斯特提出了由反馈电路的开环传递函数的频率特性判断闭环系统稳定性的判据。1945 年美国人H.W.伯德出版了《网络分析和反馈放大器》一书,总结了负反馈放大器的原理,由此形成了分析线性电路和控制系统的频域分析方法,并得到广泛的应用。
1947 年 12 月 24 日,贝尔实验室的布拉顿(W.H. Brattain)、巴丁(J.Bardeen)和肖克利(W.B.Shockley)发明了一种点接触晶体管。这项发明自从1948年公布于世起,很快就应用于通信、电视、计算机等领域,电子技术进入了半导体时代。
1958 年发明了集成电路,它将构成电子电路的电阻、电容、二极管、晶体管和导线都制造在一块几平方毫米的半导体芯片上,从而使体积大大缩小。现在集成电路已从含几十个晶体管的小规模集成电路发展到含上下百万个晶体管的超大规模集成电路,电子技术进入了集成电路时代。
从 20 世纪 30 年代开始,电路理论已形成为一门独立的学科。建立了各种元器件的电路模型。成功地运用电阻、电容、电感、电压源、电流源等几种理想元件,近似地表征成千上万种实际电气装置。到 20 世纪 50 年代末,电路理论在学术体系上基本完善,这一发展阶段称为经典电路理论阶段。
在 20 世纪60 年代以后,电路理论又经历了一次重大的变革,这一变革的主要起源是新型电路元件的出现和计算机的冲击,电路理论无论在深度和广度方面均得到巨大的发展。因此又称 20 世纪 60 年代以后的电路理论为近代电路理论。
近代电路理论的主要特点之一是吉尔曼(Guillemin)将图论引入电路理论之中。它为应用计算机进行电路分析和集成电路布线与板图设计等研究提供了有力的工具。特点之二是出现大量新的电路元件、有源器件,如使用低电压的MOS电路,摒弃电感元件的电路,进一步摒弃电阻的开关电容电路等。当前,有源电路的综合设计正在迅速发展之中。特点之三是在电路分析和设计中应用计算机后,使得对电路的优化设计和故障诊断成为可能,大大地提高了电子产品的质量并降低了成本。
三、电路理论的应用
电路理论是高等学校电子与电气信息类专业的技术基础课,为该类专业的后续许多课程提供理论支持,例如模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、电机学、电力系统分析、集成电路设计、自动控制、电力电子技术等课程都用到电路理论。
四、电路理论和 "电路" 课程
电路理论是电气工程和电子科学技术的主要理论基础,是一门研究电路分析和网络综合与设计基本规律的基础工程学科。所谓电路分析是在电路给定、参数已知的条件下,通过求解电路中的电压、电流而了解电网络具有的特性;而网络综合是在给定电路技术指标的情况下,设计出电路并确定定元件参数,使电路的性能符合设计要求。因此电路分析是电路理论中最基本的部分,是学习电路理论的人门课程,被列为电类各专业共同需要的技术基础课。
第一章 电路模型和电路定律
本草介绍电路模型、电路元件的概念,电压、电流参考方向的概念,元件、电路吸收或发出功率的表达式和计算;还介绍电阻、独立电源和受控电源等电路元件。
电路中的电压、电流之间具有两种约束,一种是由电路元件决定的元件约束;另一种是元件间连接而引入的几何约束(又称拓扑约束),后者由基尔霍夫定律来表达。基尔霍夫定律是集总参数电路的基本定律。
集总参数电路和分布参数电路。