《电路原理》清华公开课 week1 支路变量、元件、KCL、KVL

第2讲 电路

电路组成：
电源（能量or信号）、负载（能量or信号）、处理信号或能量的电路、开关和导线。
电路分类：
按照负载：阻性电路（全为电阻）、动态电路（包括电容，动态电路又可分为暂态分析（电路变化中）和稳态分析（稳定状态））。
按照电源：直流源DC、交流源AC（交流源又可分为正弦交流和周期交流）。
理想电路元件由实际经过抽象得到的二端理想电路元件包括电阻、电感、电容、电源。
线性与非线性电路：
激励与相应：电压为激励，电流为响应，U=RI，线性元件的激励与响应之间构成了线性关系。
一个电路中所有负载均为线性元件，则该电路为线性电路。若存在任何非线性元件则电路为非线性电路。
平面与非平面电路：
所有元件可以被画在一个平面上且没有交叠，即为平面电路。

第3讲 支路变量

电流：电荷随时间的变化率。正电荷单位时间内移动的多少。分为交流电流i(t)与直流电流I. 单位A Ampere
电压：电场力将单位正电荷移动所做的功，即单位正电荷所吸收的能量。单位V Volt
电位：从某一点到参考点的电压。参考点电位为0，任何电路只能有一个参考点。符号U
电压是针对两个点之间的概念，电位则是单个点相对参考点的电压。
两点之间的电压（电压降）=两点之间的电位差（电位降）。
参考点不同，电位也不同，但电压始终不变。
电动势：非电场力移动单位正电荷所做的功。一般在电源中出现。非电场力在电源中将正电荷从B移至A, 使得正电荷具有更多的能量，A点电位高于B点电位。eba电位升 = Uab 电压降
约定：用大写表示常量，小写表示变量

第4讲 参考方向

电流参考方向：电流方向可能是未知或变化的，引入参考方向。
若实际电流方向与参考方向相同，计算结果一定为正值，否则为负。用箭头或者下标表示电流方向。
电压参考方向：假设元件两边的电位高低。表示方法：沿箭头方向电压降；+ - ，认为 + 端的点位高；Uab表示a处电位高于b. (下图对比电压与电动势的表示方式)

电流从二端元件的电压正端流入负端流出，称为参考方向关联

第5讲 功率

电场力单位时间做的功即为功率。P=UI，UI参考方向关联时P为元件吸收的功率（否则发出功率），单位W Watt
能量单位J Joule
Pa 吸收功率 absorb Pb 发出功率 deliver
功率守恒：电路发出的总功率等于吸收总功率。

第6讲 电阻 resistor

阻值是某物体抵抗电流通过自身的能力，这种抵抗使得电场能量转换成热或其他形式的能量。具有这种能力的元件叫做电阻。单位Ohm
关联参考方向下电阻分压U=RI。
电导：G=1/R 单位S Siemens
短路与开路：
R=0，相当于理想导线，短路。电压为0，电流由外电路决定。
R=∞，开路。电流为0，电压由外电路决定。
电阻始终吸收功率，与参考方向无关。
四种常见电阻：
切片电阻 chip 小，轻、稳定
碳膜电阻 便宜、阻值范围广
金属膜电阻 精度比碳膜电阻高
功率电阻 适合高功率

第7讲 独立电源

独立电压源的电压独立于电路其他部分，流过电压源的电流由外电路决定。

问题：对于图中蓝色笔迹圈出的电压和电流，参考方向为非关联。
解释：对于图中电压源，电流从负端流入（及最下面导线上的电流方向为从右往左），因此为非关联。
零值电阻从电气特性上等效于零值电压源。

理想独立电流源 电流独立于其他部分，电压由外电路决定。
无穷大电阻从电气特性上等效于零值电流源。

上图为参考方向非关联的电流源。

独立电流源短路，i=i_s, u=0
独立电压源开路，i=0, u=u_s
问题（待解决）电流源开路&电压源短路？

生活中的电压源：电池（理想电压源串电阻）
生活中的电流源：（理想电流源并电阻）（待解决）

第8讲 端口port

端口条件：对于一个元件，从一端流入的电流等于从另一端流出的电流，即称这两个接线端构成一个端口。二端元件一定是一个端口。
电阻为无源器件passive one-port，电压源为有源器件active one-port
关联参考方向=无源符号约定
非关联参考方向=有源符号约定

第9讲 受控元件

受控元件的特性受电路中其他电压和电流的控制。
1.受控的电阻：
开关：三端元件。理想开关闭合时是理想导线，断开时是理想开路。
MOSFET：金属氧化物半导体场效应管QAQ 三端元件(栅极gate、漏极drain、元级source)
2.受控的电源（四端元件）：
受控的电压源：元件具有电压源特性，分为线性流控电压源CCVS和压控电压源VCVS。
受控的电流源：………… 流控电流源、压控电流源

第10、11讲 基尔霍夫定律 2b法则

元件的电压电流关系叫做元件约束。
基尔霍夫定律又叫拓扑约束，与元件约束结合起来可以求解复杂电路。
2b法则：对于b个支路，列写2b个独立方程，求解出b个电流和b个电压。
2b个方程包括：每个支路列写元件约束（Ohm’s Law） 共 b 个，从结点角度列写KCL，共 n-1 个，从网孔角度列写KVL，共 b-n+1 个。

注：本图中n=2, b=4.