资源描述
电路系统与设计2.1电路和系统1.基础概念电荷和导电性在Bohr的原子理论中（以Niels Bohr命名，1885-1962），电子围绕着质子和种子运动。在相反极性电子和质子的电荷之间的吸引力使得原子连在一起。具有同种电荷的粒子将会相互排斥。电荷的测量值是库伦。一个单独的电子或质子的电荷远小于一库伦，一个电子是1.61（-19）库伦，一个质子是1.610（-19）库伦。自然表明，只有一个质子的电荷和电子是反极性的。这里没有固有的负极电子，只是很容易被称为正极的和质子负极的。原子不同形态的电子有不同程度的自由度。一些材料的形态，例如金属，最外层的电子受到很弱的约束使得它们能够在室温热能量的影响下载原子空间中自由运动。因为这些事实上不受约束的电子式可以在自身的原子中自由运动的，也可以漂浮在临近的原子周围的空间中，它们常被称为自由电子。在其他一些形态的材料中如玻璃，它的原子的电子几乎不能自由移动。当外部的力量如物理摩擦时，能够强迫一些电子离开它们自身的原子，移动到其他物质的原子中，它们在材料的原子中不能很容易的移动。这些在材料中电子的移动性的关系被认为是电子的导电性。导电性决定于材料中原子的形态（每个原子核的栀子数，决定他的化学特性。）和原子是怎样与另一个原子连接在一起的。有高度灵活电子的材料（许多自由电子）被称为导体，而有很少灵活电子的材料（几乎或是 没有自由电子）的材料被称为绝缘体。必须知道，一些物质的化学特性将在不同环境下改变。例如，玻璃在室温下是一个非常好的绝缘体，但当把它加热到相当高的温度时它就变成一个导体。气体如空气，常态下是绝缘体，但如果加热到很高的温度也会变成导体。大部分金属被加热时导电性能会下降，而被冷制的时候导电性能会更好。许多导体材料在极低温的情况下会成为完美的导体（这被称为超导）。通常导体里的自由电子是随机运动的，没有确定的方向或速度，但是电子受力后可能沿相同的方向通过导体。这种同一形式的电子运动我们成为电流，或是电流。就像是水流过空管，电子也能在导体的原子中流动。导体可能在是以固体的形式呈现在我们眼中，但是任何组成材料的原子其绝大部分空间是空的！只有存在一个导体材料提供电子流通才能形成电流。如果这个部分被阻塞，那么“流动”就不会发生。电子电路，电压和电流在创建一个导电通路并允许电子自由移动下就形成电子电路。这个持续移动的自由电子通过导体的电路被称为电流，它常指的是在“流动”的方面，就像是液体流过一个空心管。使电子在电路中流动的力量被称为电压，是衡量单位电子电荷的技术。最常见的势能形式是重力势能。由于地球与地球上的物体之间有势能，提升一个物体就给他势能。质量越大高度越高，所拥有的势能就越大：当我们说一个电路中的电压时，我们就定义电压是电路中一个电子从一个特定的点移动到另一个特定的点而形成的。如果没有涉及到这两点，那么“电压”就没有意义。电压通常用的符号是V，量值为伏特（符号：V），是以Alessandro Volta（1745-1827）。因为电子具有负电荷，我们需要将电子从高电压向低电压移动以提高它们的势能。任何电压源，包括电池，都具有两个电势点。我们能够通在电池的两端之间提供一个电流流经的路径。使用导线组成的一个回路，将会生成电子沿着这个回路顺时针方向流动，如图2-1.只要电池持续供电，并且导线没有断开，电子将始终在回路中流动。如果我们将持续的连续在电路中流动的形式比作水流。那么只要电压源以相同的方向持续“流进”，电子流就会在电路中以相同的方向持续流动。这种单向流动的电子被称为直流，或是DC。电路还包括有电流方向有回流和向前的：交流电，或叫AC。但直到现在，我们只涉及到直流电路。因为电流是由单个电子以相同的程度方式沿着导体移动，就像珠子通过导管或是水通过水管，在一个 单回路中所有的电流值是一样的。如果我们观测在一个单回路的导线的横切面计算电子的流量，我们只注意在电路的任何一个部分相同面积的单位时间内流过的准确的电流量，而不考虑一个导体的长度或导体的直径。电流的标志符号是I。电流测量的基本单位是安培，1安培电流的定义为在1/2的时间内1库伦电荷流过导体任何一点的电流值。其他单位还有毫安（mA）和微安（）。电阻，电容和感应系数当自由电子移动过一个导体时将会遇到摩擦阻力或对于运动的反向阻碍。这个对于电子运动的阻碍运动叫做电阻。多数电路中的电流依赖于移动电子产生的电压值，同时也取决于在电路中阻碍电子流动的电阻。就像电压，与电阻两点间的数值有关，由于这个原因，电压值和电阻常被陈述为在电路中“之间”或“越过”两点。能够做到这种能力的元件叫做电阻。电流流过导体产生电阻取决于材料及尺寸。一些电阻在温度不变的情况下，电流密度和电场直接成正比当温度为常数时服从欧姆定律。遵循欧姆定律材料的电阻值是一个常数，或是独立的电压或电流，电压和电流尖端恶关系是呈线性的。现代电子电路依赖于许多偏离欧姆定律的元器件。在元件中如二极管，电流不随电压线性提增，且不同于电流方向。电阻器常被制成有确切的电阻值，因此电路特性能够变得精确特定。电阻的编制符号是R，电阻的单位是欧姆，通常用表示，。1欧姆定义为在导体上流过1安培的电流，在导体上形成1个电压。大量电阻用千欧或兆欧表示。只要在两个独立的导体间存在电压，则他们之间将会产生一个电场。有储存功能的原件被称为电容或是电容。电容的组成是有两个导体薄片（通常是金属）以非常近的距离构成。一个电容器所能储存的能量是一个电压的函数（潜在于不同的两个极之间）导致电压趋于一个常数形式。换句话说，电容器趋于抵抗改变电压下降。当电压通过电容器增加或是减少时，电容器“抵抗”这个改变通过回馈电流给电压值改变的电压源，给予相反的改变。当电容与电池相连，电子将从电池的负极流出，并聚集在电容与该端相连的极板傻瓜，称电容被充电。电容式正比系数于绝缘体材料和金属板区域，反比于金属板的面积。更大的金属板区域，在他们之间更小的空间，就会有更大的电容。电阻器储存能量阻止电压下降的能力被称为电容，毫无疑问，电容也是以反向阻止的手段来阻止电压（尤其是对于电压比率的改变捡回产生多少电流）。电容的标志是个大写的“C”，测量单位是法拉，缩写为“F”。当1法拉用于无线电路中过大时，微法和皮法被使用。只要电子束流过导体，就将在这个导体周围产生磁场。电能能被储存在电场中。这个效应被称为电磁场效应。磁场能量被储存在电磁场中。具有储存磁能量的元件被称为电感。电感器是一个简单的线圈包含有一个磁芯或没有。能量储存在电感中具有让大量电流流过它的功能。电感器能够储存能量其功能使电流趋于维持一个常量。换句话说，电感将会趋于阻止电流的改变。当流经电感的电流增加或减少时，电感器通过在它的极之间产生相对的极性改变“阻止”变化。为了在电感中储存更多能量，通过的电流必须增大。这意味着电感中的磁场将会增加它的磁通密度，同时场强的改变将会产生相对的电压既电磁自感原则。当电流通过电感增大时在这种情况下电感被认为是充电，因为储存在磁场中的电感能量增加了。电感能够对特定的大量电流储存能量的量值被称为感应系数。毫无疑问，感应系数也是测量加强反向的改变电流（尤其是多少自感电压对于一个特定的电流改变比率）。自感系数的标志是一个大写的“L”，测量单位为亨利，表示为”H”。2电路系统欧姆定律如前所述，电压是衡量单位潜在能量的可以激发电子从一个地方到另一个地方，电流是电荷运动的速度通过一个导体，电阻是阻碍自由电子通过导体运动。这些为电气数量的单元和信号将成为非常重要的知识当我们开始探索电路之间的关系，首先,也许最重要的,电流和电阻之间的关系被称为欧姆定律。由Georg西蒙于1827年发现的。欧姆主要发现是电路的数额是成正比的电压电流通过金属导体两端的印象对于任何给定的温度。欧姆定律被给定 V=IR其中V是不同的两个点之间的潜力，其中包括一个电阻R。I 是电流通过电阻流过。当电导，g=1/R被使用,欧姆定律也是这种形式：I=gV如果我们知道的任何两个值的三个量（电压，电流和电阻）在电路中，我们可以用欧姆定律来确定的三分之一。基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律许多复杂的电路不能通过电阻被减小到简化成平联的和串联的电路。代替的，这些需要通过两个概念来解决：基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。在图。2-2，我们可以看见Ia是唯一的流入节点的电流，然而，有三个路径供电流流过节点，这些电流用IB，IC，和ID表示。一旦充电已进入节点，它没有地方可去，除了离开（这被称为电荷守恒）。总电流流进节点必须以同样的流出节点。因此 IB+IC+ID=IA将所有都移到左边的等式，我们可以得到IB+IC+ID-IA=0然后，所有电流的总和为0.这个可以被定义为 EIi=0我们选择的节点规定为：电流流入节点到阴极，流出节点到阳极。基尔霍夫电压定律（或基尔霍夫回路规则）是一个保守的静电场的结果。它指出，围绕一个封闭的回路总电压必须为零。如果不是这样的话，那么当我们绕行一个闭合电路时，电压将是不确定的。 因此 。Evi=0网络概论定理在电网分析，基本规则是欧姆定律和基尔霍夫定律。虽然这些卑微的法律可以适用于几乎任何电路结构分析刚刚（即使我们不得不诉诸复杂的代数处理多个未知数），也有一些“捷径”分析方法，使数学变得更容易。叠加定理叠加定理在使用的策略，是一次消除所有权力的来源之一，但在网络中，使用串联/并联分析，以确定在每个电源电压下降separately.Then修改网络（和/或电流），一旦电压下降和/或电流的每个电源已经分开工作，这些值都是“叠加”对对方（代数相加）的顶部找到所有来源的积极的实际电压下降电流源决定。 戴维南定理戴维宁定理的国家，它有可能简化任何线性电路，无论多么复杂，只用一个单一电压源和串联电阻的等效电路连接到一个负载。线性条件同样的可以在叠加定理中找到，所有参与变换的方程必须是线性的（没有指数和开方根）。如果我们没有处理被动元件（例如电阻，电感，电容），这是真实的。然而，有些非线性元件（尤其是气体放电和半导体元件）：它们阻碍电流随着电压或电流的改变。这样，我们可以称电路包含这些类型的元器件，非线性电路。戴维宁定理，尤其在分析动力系统和其中一个在电路（称为“负载”电阻器），特定的电阻如有更改其他线路，并重新对电路的计算有用的是，每次负载电阻试验值有需要时，确定两端的电压，并通过它的电流。遵循戴维南定理的步骤1） 找出戴维南电压源通过移动负载电阻从原始的电路和计算电压通过打开连接端在负载电阻被用时。2） 找出戴维南电阻通过移动所有能源在原始的电路上（电压源短路和电流源开路）在打开连接端计算总电阻。3） 画出戴维南等效电路图，依据戴维南电压源和电阻串联。负载电阻再次连接在等效电路的两端。4） 根据串联电路的定律分析负载电阻的电压和电流。诺顿定理诺顿定理指出，它有可能简化任何线性电路，无论多么复杂，只用一个单一的电流源和并联电阻连接到负载的等效电路。正如与戴维宁定理，“线性”的资格是相同的，在叠加定理发现：所有的基础必须是线性方程组（没有指数或根）。遵循诺顿定理的步骤1) 找出戴诺顿电压源通过移动负载电阻从原始的电路和计算电流通过短接导线打开连接端在负载电阻被用时。2) 找出诺顿电阻通过移动所有能源在原始的电路上（电压源短路和电流源开路）在打开连接端计算总电阻。3) 画出戴诺顿等效电路图，依据诺顿电流源和电阻并联。负载电阻再次连接在等效电路的两端。4) 根据并联电路的定律分析负载电阻的电压和电流。朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音朗读显示对应的拉丁字符的拼音
展开阅读全文