电路基础概念

Tony

电荷 (electric charge)

charge 记为 ,表达了一个单位物质中,电子(electrons)和质子(protons)的数量差,电子是负(negative),质子是正(positive)。

库伦(coulomb/C) 也是电荷的单位,一个库伦(C) = 基本电荷(elementary charge)

电流 (electric current)

电流是单位之间内电荷的改变,单位是安培(A)

虽然电子是负,因此直觉上电流的方向应该是电子的流向。但因为历史遗留的问题,无法大规模修正这个后来发现的事实,因此现在我们谈论的电流方向都是以正电荷的流向为准,也就是与电子相反的方向。

因为电流的正负实际上并不是什么大的影响因素,因此在参考电流方向中,我们并不一定会按照实际的电流,而是由人为设定。

需要注意的是若电路中参考电压与电流的方向相反,我们表达元件特性方程式应冠以负号

直流电(DC)

当电流没有随时间而改变,而是保持固定,那么便是一个直流电,大写I 通常回来表达 DC 电流

DC
DC

交流电(AC)

当电流随时间改变,我们会用小写 i 来代表,当改变的频率符合**正弦波(sine wave)**的规律时,我们称之为交流电

AC
AC

电压 (voltage)

为了让电子在导体中向一个特定的方向移动,我们需要为其做功。电动势(electromotive force / emf) 便是用来做这个工作的。电动势也成为电压(voltage) 或者 电势差(potential difference)

a 和 b 点之间的电压差,是我们从 a 点移动一个单位电荷到 b 点,所需要的单位电荷

where, 是 焦耳能量(J),q 是库伦电荷(C)

功率和能量 (Power and Energy)

功率

功率(Power) 是时间单位内能量的吸收与释放,单位是瓦(watts / W)

结合电压和电流的公式,有

能量

能量(Energy) 是做功的容量,单位是焦耳(joules / J)

电路元件 (Circuit element)

电路元件分为两种有源(active elements)无源(passive elements)电路元件,

  • 有源:主动产生能量
  • 无源:不能主动产生能量

有源电路元件 (active elements)

独立源 (independent source)

独立源是一个有源电路元件,不受电路中其他部分的影响,能够独立工作。电压源提供特定的电压,电流源提供特定的电流

独立电压源
独立电压源

独立电流源
独立电流源

我们日常生活中的电池也是一个独立的电压源,但是由于其内部存在内电阻所以当我们要画图时要串联一个电阻,

物理电压源
物理电压源

而电流源也一样我们需要并联一个电阻,以表达电流会减小的现实情况

physicalCurrentSource
physicalCurrentSource

受控源 (dependent source)

受控源会其他电压或电流控制

受控电压源
受控电压源

受控电流源
受控电流源

常见的受控源
  • 电压控制电流源:VCCS (Voltage-controlled current source)

VCCS
VCCS

  • 电流控制电流源:CCCS (Curent-controlled current source)

CCCS
CCCS

  • 电压控制电压源:VCVS (Voltage-controlled voltage source)

VCVS
VCVS

  • 电流控制电压源:CCVS (Currennt-controlled voltage source)

CCVS
CCVS

无源电路元件 (passive element)

电阻 (Resistor):R

电阻元件
电阻元件

当流过的电阻的电流和电阻两端的电压成正比,那么这颗电阻便遵循欧姆定律(Ohm’s Law),但不是所有电阻都会遵循欧姆定律,但所有电阻都可以以下定义式来表达电压和电流间的关系

电导 (G) 是电阻的倒数,表达元件的导电能力

实际电阻特性

  • 电阻(resistance) 会因为输入信号的频率而改变
  • 电阻(resistance) 非常受温度影响

电感 (Inductor):L

电感元件
电感元件

当电感元件两端电压与时间单位内流过的电流成正比,这个比例常数称为电感(L),单位是Henry

另一个表达公式

电容 (Capacitor)

电容元件
电容元件

电容是储存能量的元件。当流过电容的电流与时间单位内的电压差成正比时,这个常数为capacitance C(电容),单位是 Farad(F)

取积分,

在电路分析中我们通常以 t=0 作为一个时间起始时刻,但须留意的是, 所代表的是到 时间的所有事件,而不是单单看 time=t 这一观点,之前发生的事情不能忽略,因此对于在 t=0 之前发生的事我们用 表示,之后的用 表示。在上述公式中,由于电容两端电压不能突变的特性,因此我们用 实际上是一样的结果

参考

  • lecture slide

  • isbn/;