自學考試電子技術基礎三的電子書與答案

第1章 電路的基本概念及基本定律 電路分析基礎是高職、高專電類各專業的壹門專業技術基礎課程。《電路分析基礎》闡述了電路的基本概念、基本定理及其基本分析方法，是從事任何電類專業學習和工作的人員普遍要學習和掌握的、必不可少的知識。本章介紹的內容是貫穿全書的基本理論基礎，要求在學習中給予足夠的重視。本章的學習重點：l 電路模型的概念和理想電路元件的概念；l 電壓、電流參考方向的概念及其與實際方向之間的聯系，電功率的概念；l 理想的無源元件、有源元件的概念；l 基爾霍夫電流、電壓定律的深刻理解和應用；l 電路“等效”概念的建立及其電路“等效”的基本方法；l 直流電路中電位的計算及其負載上獲得最大功率的條件。1．1 電路和電路模型 1、學習指導（1）電路的組成和功能電路通常由電源、負載、中間環節三大部分組成。電路分有兩種類型：電力系統的電路功能是實現電能的傳輸、分配和轉換；電子技術的電路功能是對電信號進行傳遞、變換、儲存和處理。（2）電路模型電路理論是建立在壹種科學的抽象——“電路模型”的概念和基礎上進行闡述的。所謂電路模型，實際上是由壹些理想電路元件構成的、與實際電路相對應的電路圖。對工程實際問題進行分析和研究時，我們往往在壹個實際電路給定的情況下，首先對該電路進行模型化處理，並使模型電路的性狀和實際電路的性狀基本相同或十分逼近，然後借助於這種理想化的電路模型，對實際電路的問題進行分析和研究。利用電路模型分析和研究實際電路是壹種科學的思維方法，也是工程技術人員應具備的業務素質之壹。（3）理想電路元件理想電路元件是電路模型中不可再分割的基本構造單元並具有精確的數學定義。理想電路元件也是壹種科學的抽象，可以用來表征實際電路中的各種電磁性質。例如“電阻元件”表征了電路中消耗電能的電磁特性；“電感元件”表征了電路中儲存磁場能量的電磁特性；“電容”元件則表征了電路中儲存電場能量的電磁特性。實際電路中的實體部件上發生的電磁現象往往是復雜的、多元的，如電阻器、電爐等設備，它們除了具有消耗電能的特性外，還有磁場和電場方面的特性，分析時若把它們的全部電磁特性都表征出來既有困難也不必要。本著突出主要矛盾、忽略將要因素的研究方法，電阻器和電爐等設備完全可以用理想的“電阻元件”來作為它們的數學模型。顯然，理想電路元件是從實際電路器件中科學抽象出來的假想元件，可以看作是實際電路器件的壹種“近似”。理想電路元件簡稱為電路元件。雖然它們只能是實際電路器件的壹種近似，但用它們及它們的組合可以相當精確地表征出實體電路器件的主要電磁特性。如工頻條件下的電感線圈，其電路模型就可以用壹個“電阻元件”和壹個“電感元件”的串聯組合來表征；壹個實際的直流電壓源的電路模型則可以用壹個“電阻元件”和壹個“理想電壓源”的串聯組合來表征等等。學習時註意理解各種理想電路元件的嚴格定義，區分實際電路元器件與理想電路元件之間的聯系和差別。教材中如無特殊說明時，註意各理想電路元件都是指線性元件。2、檢驗學習結果解析（1）電路由哪幾部分組成，各部分的作用是什麽？解析：電路壹般由電源、負載和中間環節三大部分組成。電源是電路中提供電能的裝置，其作用是將其它形式的能量轉換成電能；負載是電路中接收電能的裝置，其作用是將電能轉換成其它形式的能量；中間環節包括連接導線、開關及控制保護設備及測量機構，它們是電源和負載之間不可缺少的連接和控制部件，起著傳輸和分配能量、控制和保護電氣設備的作用。（2）試述電路的分類及功能。解析：工程應用中的實際電路，按照功能的不同可概括為兩大類：①電力系統中的電路：特點是大功率、大電流。其主要功能是對發電廠發出的電能進行傳輸、分配和轉換。②電子技術中的電路：特點是小功率、小電流。其主要功能是實現對電信號的傳遞、變換、儲存和處理。（3）何謂理想電路元件？如何理解“理想”二字在實際電路中的含義？何謂電路模型？解析：理想電路元件是從實際電路器件中科學抽象出來的假想元件，由嚴格的定義來精確地加以闡述、理想電路元件是具有單壹電磁特性的簡單電路模型單元。電路理論中研究的都是由理想元件構成的、與工程應用中的實際電路相對應的電路模型。在實際的電路中，“理想”電路元件是不存在的。白熾燈、電爐等設備，只所以在研究它們時可以把它們作為壹個“理想”的電阻元件進行分析和研究，原因就是它們在實際電路中表現的主要電磁特性是耗能，其余電磁特性與耗能的電特性相比可以忽略；工頻電路中的電感線圈只所以用壹個電阻元件和壹個電感元件的串聯組合來表征，原因就是：在工頻情況下，電感線圈的主要電磁特性就是線圈的耗能和儲存磁場能量，其余電磁特性可以忽略。從以上分析可以把“理想”二字在實際電路中的含義解釋為：“理想”就是壹種與實際電路部件特性的“基本相似”或“逼近”。采用“理想”化模型分析實際問題，就是抓住實際電路中的主要矛盾，忽略其中的次要因素，預測出實際電路的性狀，從而根據人們的需要設計出更好的各種電路。電路理論是建立在模型概念的基礎上的，用理想化的電路模型來描述電路是壹種十分重要的研究方法。由理想電路元件構成的、與實際電路相對應的電路圖稱為電路模型。4．妳能說明集總參數元件的特征嗎？妳如何在電路中區分電源和負載？解析：集總參數元件的特征就是：在元件中所發生的電磁過程都集中在元件內部進行，其次要因素可以忽略的理想化電路元件。對於集總參數元件，任何時刻從元件壹端流入的電流，恒等於從元件另壹端流出的電流，並且元件兩端的電壓值是完全確定的。在電路中區分電源和負載的方法，壹般是根據計算的結果來看：若元件發出功率（即元件兩端電壓與通過元件的電流的實際方向為非關聯方向），說明元件是電源；若元件吸收功率（即元件兩端電壓與通過元件的電流的實際方向為關聯方向），說明元件是負載。在計算前壹般要根據元件兩端電壓和通過元件中的電流的參考方向來假定，當電路模型中所標示的電壓、電流為非關聯參考方向時，應按電源處理，若電路模型中標示的電壓、電流為並聯參考方向時，就要按負載處理，而確定元件的真實性質則要根據分析計算的結果來定。1．2 電路的基本物理量 1、學習指導（1）基本電量雖然我們在中學已經從物理概念上接觸過電壓、電流、電動勢、電功率這些電量，但在本章的學習中，我們要從工程應用的角度上重新理解電壓、電流、電動勢、電功率這些電量的概念，並把它們與參考方向聯系在壹起加以理解。在電路分析中，電壓就是電路中兩點電位之差，是產生電流的根本原因；電流通過電路元件時，必然產生能量轉換；電動勢只存在於電源內部，其大小反映了有源元件能量轉換的本領。（2）電功和電功率電流所做的功就是電功，日常生活中電度功就是電功，因此電功的單位除了焦耳還有KW·h（度）；電功率則反映了設備能量轉換的本領。如電氣設備上標示的額定電功率，表征了該設備本身能量轉換的本領：100W表示該設備在1s時間內可以把100J的電能轉換成其它形式的能量，40W表示設備在1s時間內可以把40J的電能轉換成其它形式的能量。（3）參考方向參考方向是電路分析過程中人們假定的電壓、電流方向，原則上可以任意假定，習慣上若假定壹個電路元件是負載時，就把這個元件兩端的電壓與通過這個元件上的電流的參考方向設立為“關聯方向”，所謂關聯方向就是電流流入端為電壓的高極性端，電流的流出端是電壓的低極性端，關聯方向下元件吸收功率；如果假定某電路元件是電源，就把該元件上的電壓、電流參考方向設為“非關聯方向”，非關聯就是電流由電壓低極性端流入，由電壓高極性端流出的參考方向，非關聯方向下元件發出功率。（4）參考方向和實際方向正電荷移動的方向規定為電流的實際方向；電路中兩點從高到低的方向規定為電壓的實際方向。有了實際方向為什麽還要引入參考方向，它們之間有什麽樣的差別和聯系，這是學習時必須首先要搞清楚的問題。電壓、電流的實際方向即指它們的真實方向，是客觀存在；參考方向則是指電路圖上標示的電壓、電流的箭頭方向，是人為任意假定的。分析和計算電路時，常常無法正確判斷出電壓、電流的真實方向，因此按照人們的主觀想象，在電路圖中標出壹個假定的電壓、電流方向，這就是參考方向。電路圖中的參考方向壹但標定，在整個電路分析計算過程中就不容改變。參考方向提供了電壓、電流方程式中各量前面正、負號確定的依據。對方程求解的結果，若電壓、電流得正值，說明標定的電壓、電流參考方向與電壓、電流的實際方向相符；若方程求解的結果是負值，則說明假定的參考方向與實際方向相反。電路分析和計算中，參考方向的概念十分重要，如果在計算電路時不標示電壓、電流的參考方向，顯然，方程式中各量的正、負就無法確定。本章強調了電路響應的“參考方向”在電路分析中的重要性。2、檢驗學習結果解析（1）如圖1.3（a）所示，若已知元件吸收功率為－20 W，電壓U=5V，求電流I。＋－UI（a）關聯參考方向－＋UI（b）非關聯參考方向圖1.3 電壓、電流參考方向元件元件

解析：圖1.3(a)中元件兩端的電壓、電流為關聯參考方向，顯然是假想為壹個負載。關聯參考方向下 A電流得負值，說明通過元件中的電流的實際方向與參考方向相反，因此該元件實際上是壹個電源。（2）如圖1.3(b)所示，若已知元件中通過的電流I=－100A，元件兩端電壓U=10V，求電功率P，並說明該元件是吸收功率還是發出功率。解析：圖1.3(b)中元件上的電壓與電流為非關聯參考方向，在非關聯參考方向下顯然是把元件假想為壹個電源，因此元件發出的功率為 W元件發出負功率，實際上是吸收功率，因此圖1.3(b)中元件實際上是壹個負載。（3）電壓、電位、電動勢有何異同？解析：電壓、電位和電動勢三者定義式的表達形式相同，因此它們的單位相同，都是伏特V；電壓和電位是反映電場力作功能力的物理量，電動勢則是反映電源力作功能力的物理量；電壓和電位既可以存在於電源外部，還可以存在於電源兩端，而電動勢只存在於電源內部；電壓的大小僅取決於電路中兩點電位的差值，因此是絕對的量，其方向由電位高的壹點指向電位低的壹點，因此也常把電壓稱為電壓降；電位只有高、低、正、負之分，沒有方向而言，其高、低、正、負均相對於電路中的參考點，因此電位是相對的量；電動勢的方向由電源負極指向電源正極。（4）電功率大的用電器，電功也壹定大。這種說法正確嗎？為什麽？解析：用電器銘牌上標示的電功率P的大小，反映了用電器能量轉換的本領，是從制造廠出來就確定了的；電功W的大小則是反映了用電器實際耗能的多少，因為W=Pt，顯然電功的大小與用電時間的長短有關。電功率再大的用電器，如果沒有與電源接通，即t=0時，電功W=Pt=0。所以，電功率大的用電器，電功也壹定大的說法是錯誤的。（5）在電路分析中，引入參考方向的目的是什麽？應用參考方向時，會遇到“正、負，加、減，相同、相反”這幾對詞，妳能說明它們的不同之處嗎？解析：電路分析中之所以引入參考方向，目的是給分析和計算電路提供方便和依據。應用參考方向時遇到的“正、負”，是指在參考方向下，電壓和電流的數值前面的正、負號，若參考方向下壹個電流為“－2A”，說明它的實際方向與參考方向相反，參考方向下壹個電壓為“＋20V”，說明該電壓的實際方向與參考方向壹致；“加、減”是指在參考方向下列寫電路方程式時各量前面的正、負號；“相同、相反”則是指電壓、電流是否為關聯參考方向，電壓、電流參考方向“相同”是指二者為關聯參考方向，即電流流入端為電壓的高極性端；“相反”是指電壓、電流為非關聯參考方向，即電流由電壓的低極性壹端流入。1．3基爾霍夫定律 1、學習指導（1）歐姆定律和基爾霍夫定律歐姆定律和基爾霍夫電流定律、基爾霍夫電壓定律統稱為電路的三大基本定律，它們反映了電路中的兩種不同約束。歐姆定律闡述和解決的是某壹元件對於電路基本變量（即元件兩端電壓與通過元件的電流）的約束關系；而基爾霍夫兩定律闡述和解決的是電路元件互聯後，電路的整體結構對電路基本變量（回路中的電壓和結點上的電流）的約束關系，在學習中應把這兩種不同的約束關系加以區別。（2）集總參數電路學習電路基本定律時要註意它們的適用範圍：僅限於對集總參數電路的分析。所謂的集總參數電路是指：電路中的電磁能量只儲存和消耗在元件上，並且各元件間是用無阻、無感的理想導線相連接，導線與電路各部分之間的電容也都可以忽略的電路。換句話說，只要電路的尺寸遠小於電路中最高頻率所對應的波長，不管其連接方式如何，都可以稱為集總參數電路。（3）基爾霍夫定律基爾霍夫第壹定律也稱為結點電流定律，它解決了匯集到電路結點上各條支路電流的約束關系：對電路的任意結點而言，流入結點的電流的代數和恒等於零。此規律在規定流入結點的電流和流出結點的電流正、負取值不同時成立。基爾霍夫第二定律也稱為回路電壓定律，它解決了壹個回路中所有元件上電壓降的相互約束關系：對電路的任意回路而言，繞回路壹周，所有元件上電壓降的代數和恒等於電路的電壓升。此規律在標定了回路繞行方向後、並規定電壓降或回路電壓升和繞行方向壹致時取正、否則取負時成立。2、檢驗學習結果解析（1）妳能從理解的角度上來說明什麽是支路、回路、結點和網孔嗎？解析：支路就是指聯接在電路中兩點之間的壹段無分岔電路，且這段無分岔電路中可能是壹個也可能是幾個元件相串聯，但串聯各元件中通過的電流相同；回路是指電路中的任何壹個閉合路徑；三條或三條以上支路的匯集點稱為結點；網孔則是平面電路圖上內部不包含支路的閉合路徑。（2）妳能說明歐姆定律和基爾霍夫定律在電路的約束上有什麽不同嗎？解析：歐姆定律反映的是線性電阻元件特性對元件本身電壓、電流的約束；基爾霍夫定律反映的是元件之間聯接時給支路上電壓與電流造成的約束。因此，在利用歐姆定律時，我們只需考慮元件本身的特點而不必要考慮元件之間的關系；當我們利用基爾霍夫定律時，我們考慮的則是元件之間的聯系或電路的整體結構，不需要考慮元件本身的特性。（3）在應用KCL定律解題時，為什麽要首先約定流入、流出結點的電流的參考方向？計算結果電流為負值說明了什麽問題？解析：應用KCL定律解題時，首先假定和標示出匯集到結點上的各支路電流的參考方向，才能根據這些參考方向確定電流方程中各電流前面的正、負號；計算結果電流為負值，則說明電路圖上標示的電流參考方向與該電流的實際方向相反。（4）應用KCL和KVL定律解題時，為什麽要在電路圖上先標示出電流的參考方向及事先給出回路中的參考繞行方向？解析：在電路圖上事先標示出電流的參考方向及事先給出回路中的參考繞行方向是為了給列寫的方程式提供其中各項的正、負取值。（5）KCL和KVL的推廣應用妳是如何理解和掌握的？解析：KCL的推廣首先要掌握電路中哪些部分可以做為廣義結點，KVL的推廣則要掌握住電路中哪些部分可以做為假想回路。其余略。1．4 電壓源和電流源 1、學習指導（1）理想電壓源理想電壓源簡稱電壓源，由於它向外供出的電壓值恒定，因此也稱為恒壓源。註意恒壓源上通過的電流值是由它和外電路***同決定的。另外恒壓源屬於無窮大功率源，實際中不存在。（2）理想電流源理想電流源簡稱電流源，由於它向外供出的電流值恒定，也常稱為恒流源。註意恒流源兩端的電壓是由它和外電路***同決定的。理想電流源也是無窮大功率源。學習時應掌握兩種理想電源的基本性質和特點，分析時可借助伏安特性將兩種電源進行對比，從而加深理解。（3）兩種電源模型在認識了理想電源的基礎上，找出實際電源與理想電源之間的區別與聯系。實際電壓源總是存在內阻的，而我們希望電壓源的內阻越小越好，這樣向外電路提供的電壓值就會基本穩定，當實際電源的內阻等於0時就成為理想電壓源。實際電流源的內阻總是有限值，而我們希望實際當中電流源的內阻越大越好，這樣它輸出的電流就越穩定，當實際電流源的內阻無窮大時就成為理想電流源。2、檢驗學習結果解析（1）理想電壓源和理想電流源各有何特點？它們與實際電源的區別主要在哪裏？解析：實際電壓源總是存在內阻的，在電路分析中實際電壓源是用壹個理想電壓源和壹個電阻元件的串聯組合來表征的。因此電源內阻越大分壓越多，對外供出的電壓就越小。我們總是希望實際電壓源的內阻越小越好，當內阻為零時就成為理想電壓源。理想電壓源由於不存在內阻上的分壓問題，因此輸出的電壓值恒定，但通過理想電壓源的電流則由它和外電路***同決定；實際的電流源也總是存在內阻的，實際電流源壹般用壹個理想電流源和壹個電阻元件相並聯作為它的電路模型，並聯電阻可以分流，因此電源內阻越小分流就越多，對外供出的電流就越小。我們希望實際電流源的內阻越大越好，當實際電流源的內阻為無窮大時，就成為壹個理想的電流源。理想電流源由於內阻無窮大而不存在分流問題，因此輸出的電流值恒定，但理想電流源兩端電壓則要由它和外電路***同決定。（2）碳精送話器的電阻隨聲音的強弱變化，當電阻阻值由300Ω變至200Ω時，假設由3V的理想電壓源對它供電，電流變化多少？解析：送入碳精送話器中的聲音越強，其電阻越小，電流就越大，當電阻分別為300Ω、200Ω時，電流分別為 A和 A。由計算結果表明，在3V理想電壓源對它供電的情況下，電流在0.01A～0.015A之間變化。圖1.13 實際電源的兩種電路模型（a）電壓源模型Ri＋US－RUIS（b）電流源模型（3）實際電源的電路模型如圖1.13（a）所示，已知US=20V，負載電阻RL=50Ω，當電源內阻分別為0.2Ω和30Ω時，流過負載的電流各為多少？由計算結果可說明什麽問題？解析：當RU′=0.2Ω時， A； 當RU″=30Ω時， A。由計算結果可知，實際電壓源的內阻越小越好。內阻太大時，電源內阻上分壓過多，致使對外供出的電壓過低，從而造成電源利用率不充分。（4）當電流源內阻很小時，對電路有何影響？解析：電流源的內阻和負載是並聯關系，並聯可以分流。因此當電流源內阻較小時，它分配到內阻上的電流就會較大，從而造成分配給外電路負載的電流相應較小，由此不僅使電源的利用率太低，還會造成內阻過熱而不利於電源。1．5 電路的等效變換 1、學習指導（1）電阻等效本章初步接觸到了電路 “等效” 的問題，電路等效是貫穿電路分析基礎全課程的壹條主線。學習時應深刻領會電路的“等效”概念：等效是指對等效變換之外的電路部分效果相同，對等效變換的電路部分效果壹般不相同。電阻等效關鍵在於正確找結點，確定各電阻之間的串並聯關系或Y或Δ關系。（2）電源之間的等效變換兩種理想電源之間是沒有等效而言的，因為它們是無窮大功率源。而兩種實際模型之間是可以等效互換的。在等效互換的過程中壹定註意：電源模型連接的端鈕位置不能挪動，連接在兩個電路端鈕上的電壓源模型變換為電流源模型時（或電流源模型變換為電壓源模型時），電源的內阻不變，只是電流源的數值等於電壓源的數值除以其內阻（或電壓源的數值等於電流源的數值乘以其內阻）。2、檢驗學習結果解析（1）圖1.18（a）所示電路中，設US1=2V，US2=4V，RU1= RU2= R=2Ω。求圖（c）電路中的理想電流源、圖（d）中的理想電壓源發出的功率，再分別求出兩等效電路中負載R上吸收的功率。根據計算結果，妳能得出什麽樣的結論？ 解析：首先把圖（a）電路中的兩個電壓源模型變換為圖（b）中的兩個電流源模型，有 A， A RI1= RI2= RU1=2Ω因此，圖（c）中的電流源模型和圖（d）中的電壓源模型為 IS= IS1＋ IS2=1＋2=3A， RI= RI1∥RI2=2∥2=1Ω US= IS×RI=3×1=3V RU= RI=1Ω求出圖（c）中端電壓UAB和圖（d）中電流I UAB=IS×(RI∥R)=3×(1∥2)=2V A所以，圖（c）電路中理想電流源發出的功率為 PI發=IS×UAB=3×2=6W電阻R上吸收的功率為 W圖（d）中的理想電壓源發出的功率為 PU發=I×US=1×3=3W

上一篇:求壹篇模具設計與制造的專業介紹

下一篇:電腦給人生活帶來的方便