電路

作　者：（美）尼爾森，（美）里德爾　著，周玉坤　等譯

版　次：1字　數：1288000印刷時間：2008-6-1開　本：16開紙　張：膠版紙印　次：1I S B N：9787121066221包　裝：平裝

本書被IEEE Spectrum雜誌稱為“電路領域的經典之作”，是歐美“電路”課程採用最為廣泛的教材全書共分18章，系統地講述了電路的基本概念、基本理論、基本分析和計算方法。主要內容有電路基本元件、簡單電阻電路分析、電路常見分析法、運算放大器基本應用電路、一階和二階動態電路的分析、正弦穩態分析及其功率計算、平衡三相電路、拉普拉斯變換及其應用、選頻電路、有源濾波器、傅里葉級數及傅里葉變換、雙埠網路等。書中結合生活中的實際應用展開，給出了大量的例題、習題和詳盡的圖表資料，內容新穎，講解透徹，是一本電路分析的優秀教材。

本書是電氣、電子、計算機與自動化等本科專業電路課程的教材，也可供相關學科的科技人員自學或參考。

第1章 電路變數

1.1 電氣工程概述

1.2 國際單位制

1.3 電路分析概述

1.4 電壓和電流

電壓，也稱作電勢差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場中由於電勢不同所產生的能量差的物理量。其大小等於單位 正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所作的功，電壓的方向規定為從高電位指向低電位的方向。電壓的國際單位製為伏特(V)，常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念與水位高低所造成的“水壓”相似。需要指出的是，“電壓”一詞一般只用於電路當中，“電勢差”和“電位差”則普遍應用於一切電現象當中。

1.5 理想基本電路元件

1.6 功率和能量

功率是指物體在單位時間內所做的功，即功率是描述做功快慢的物理量。功的數量一定，時間越短，功率值就越大。求功率的公式為功率=功/時間。

物理意義：表示物體做功快慢的物理量。

物理定義：單位時間內所做的功叫功率。

功率可分為電功率，力的功率等。故計算公式也有所不同。

電功率計算公式：P=W/t =UI；在純電阻電路中，根據歐姆定律U=IR代入P=UI中還可以得到：P=I*IR=(U*U)/R

在動力學中：功率計算公式：P=W/t（平均功率）；P=Fvcosa（瞬時功率）

因為W=F（f 力）×S（s位移）（功的定義式），所以求功率的公式也可推導出P=F·v（當v表示平均速度時求出的功率為相應過程的平均功率，當v表示瞬時速度時求出的功率為相應狀態的瞬時功率）。

P表示功率，單位是“瓦特”，簡稱“瓦”，符號是“W”。W表示功，單位是“焦耳”，簡稱“焦”，符號是“J”。“t”表示時間，單位是“秒”，符號是“s”。

功率越大轉速越高，汽車的最高速度也越高，常用最大功率來描述汽車的動力性能。最大功率一般用馬力（PS）或千瓦（kW）來表示，1馬力等於0.735千瓦。1W=1J/s

功率就是表示物體做功快慢的物理量，物理學里功率P=功W/時間t，單位是瓦w，我們在媒體上常常看見的功率單位有kw、ps、hp、bhp、whpmw等，還有義大利以前用的cv，在這裡邊千瓦kW是國際標準單位，1kW=1000W，用1秒做完1000焦耳的功，其功率就是1kw。日常生活中，我們常常把功率俗稱為馬力，單位是匹，就像將扭矩稱為扭力一樣。

在汽車上邊，最大的做功機器就是引擎，引擎的功率是由扭矩計算出來的，而計算的公式相當簡單：功率(w)=2π×扭矩(Nm)×轉速(rpm)/60，簡化計算后成為：功率（W）=扭矩（Nm）×轉速（rpm）/9.549。

由於英制與公制的不同，對馬力的定義基本上就不一樣。英制的馬力(hp)定義為：一匹馬於一分鐘內將200磅(lb)重的物體拉動165英尺(ft)，相乘之後等於33，000lb-ft/min；而公制的馬力（PS）定義則為一匹馬於一分鐘內將75kg的物體拉動60米，相乘之後等於4500kg.g.m/min。經過單位換算，(1lb=0.454kg；1ft=0.3048m)竟然發現1hp=4566kgm/min，與公制的1PS=4500kg.g.m/min有些許差異，而如果以瓦作單位（1W=1Nm/sec=1/9.8kg.g.m/sec）來換算的話，可得1hp=746W；1ps=735W，兩項不一樣的結果，相差1.5%左右。

德國的DIN與歐洲共同體的新標準EEC與日本的JIS是以公制的PS為馬力單位，而SAE使用的是英制的hp為單位，但由於世界一體化經濟的來臨和為了避免複雜換算，越來越多的原廠數據已改提供毫無爭議的國際標準單位千瓦kW作為引擎輸出的功率數值。

電功率的計算公式，用電壓乘以電流，這個公式是電功率的定義式，永遠正確，適用於任何情況。

對於純電阻電路，如電阻絲、燈泡等，可以用“電流的平方乘以電阻”“電壓的平方除以電阻”的公式計算，這是由歐姆定律推導出來的。

但對於非純電阻電路，如電動機等，只能用“電壓乘以電流”這一公式，因為對於電動機等，歐姆定律並不適用，也就是說，電壓和電流不成正比。這是因為電動機在運轉時會產生“反電動勢”。

例如，外電壓為8伏，電阻為2歐，反電動勢為6伏，此時的電流是（8－6）/2=1（安），而不是4安。因此功率是8×1=8（瓦）。

另外說一句焦耳定律，就是電阻發熱的那個公式，發熱功率為“電流平方乘以電阻”，這也是永遠正確的。

還拿上面的例子來說，電動機發熱的功率是1×1×2=2（瓦），也就是說，電動機的總功率為8瓦，發熱功率為2瓦，剩下的6瓦用於做機械功了。此電動機的效率就是有用的6瓦除以總功率8瓦得百分之75的效率。

勻功率運動指功率P不變的運動

基本關係（無阻力）：

P=Fv

則：

s^3=（16pt^3）/（27m）

v^2=（2Pt）/m

a^2=P/（2mt）

由於自然情況下大多數機械或生物的功率是大致不變的，勻功率運動有它的實際意義。

度量物質運動的一種物理量。相應於不同形式的運動，能量分為機械能、分子內能、電能、化學能、原子能等。亦簡稱能。

能量這個詞是T.楊 1801 年在倫敦國王學院講自然哲學時引入的，他針對當時把質量與速度二次方之積稱為活力或上升力的觀點，提出用能量這個詞表示上述乘積是妥當的，並和物體所作的功相聯繫。但並未引起重視，人們仍認為不同的運動中蘊藏著不同的力。直到能量守恆定律被確認后，才認識能量概念的重要意義。

能量是物質運動的量化轉換，簡稱“能”。世界萬物是不斷運動著的，在物質的一切屬性中，運動是最基本的屬性，其他屬性都是運動屬性的具體表現。例如：空間屬性是物質運動的廣延性體現；時間屬性是物質運動的持續性體現；引力屬性是物質在運動過程由於質量分佈不均所引起的相互作用的體現；電磁屬性是帶電粒子在運動和變化過程中的外部表現；等等。物質的運動形式是多種多樣的，對於每一個具體的物質運動形式存在相應的能量形式，例如：與宏觀物體的機械運動對應的能量形式是動能；與分子運動對應的能量形式是熱能；與原子運動對應的能量形式是化學能；與帶電粒子的定向運動對應的能量形式是電能；與光子運動對應的能量形式是光能除了這些，還有風能潮汐能等當運動形式相同時，兩個物體的運動特性可以採用某些物理量或化學量來描述和比較。例如，兩個作機械運動的物體可以用速度、加速度、動量等物理量來描述和比較；兩股作定向運動的電流可以用電流強度、電壓、功率等物理量來描述和比較。但是，當運動形式不相同時，兩個物質的運動特性唯一可以相互描述和比較的物理量就是能量，即能量特性是一切運動著的物質的共同特性，能量尺度是衡量一切運動形式的通用尺度。因此，可以對能量做出全新的哲學定義。

在物理學中，能量（古希臘語中 νργεια energeia 意指“活動、操作”[1]）是一個間接觀察到的物理量。它往往被視為某一個物理系統對其他的物理系統做功的能力。由於功被定義為力作用一段距離，因此能量總是等同於沿著一定的長度阻擋大自然基本力量的能力。

一個物體所含的總能量奠基於其質量，能量如同質量一般不會無中生有或無原因的消失。能量就像質量一樣，是一個標量。在國際單位制（SI）中，能量的單位是焦耳，但是在有些領域中會習慣使用其他單位如千瓦·時和千卡，這些也是功的單位。

A系統可以藉由簡單的物質轉移將能量傳輸到B系統（因為物質的質量同等於能量）。然而，如果能量不是藉由物質轉移而傳輸能量，而是由其他方法轉移能量，這會使B系統產生變化，因為A系統對B系統作了功。這功表現的效果如同於一個力以一定的距離作用在接收能量的系統里。舉例來說，A系統可以藉由轉移（輻射）電磁能量到B系統，而這會在吸收輻射能量的粒子上產生力。同樣的，一個系統可能藉由碰撞轉移能量，而這種情況下被碰撞的物體會在一段距離內受力並獲得運動的能量，稱為動能。熱能的轉移則可以藉由以上兩個方法：熱可以藉由輻射能轉移，或者直接藉由系統間粒子的碰撞而轉移動能。

能量可以不用表現為物質、動能或是電磁能的方式而儲存在一個系統中。當粒子在與其有相互作用的一個場中移動一段距離（需藉由一個外力來移動），此粒子移動到這個場的新的位置所需的能量便如此的被儲存了。當然粒子必須藉由外力才能保持在新位置上，否則其所處在的場會藉由推或者是拉的方式讓粒子回到原來的狀態。這種藉由粒子在力場中改變位置而儲存的能量就稱為位能。一個簡單的例子就是在重力場中往上提升一個物體到某一高度所需要做的功就是位能。

任何形式的能量可以轉換成另一種形式。舉例來說，當物體在力場中自由移動到不同的位置時，位能可以轉化成動能。當能量是屬於非熱能的形式時，它轉化成其他種類的能量的效率可以很高甚至是完美的轉換，包括電力或者新的物質粒子的產生。然而如果是熱能的話，則在轉換成另一種型態時，就如同熱力學第二定律所描述的，總會有轉換效率的限制。

在所有能量轉換的過程中，總能量保持不變，原因在於總系統的能量是在各系統間做能量的轉移，當從某個系統間損失能量，必定會有另一個系統得到這損失的能量，導致失去和獲得達成平衡，所以總能量不改變。

小結

習題

第2章 電路元件

實例應用：用電安全（一）

2.1 電壓源和電流源

2.2 電阻（歐姆定律）

2.3 電路模型結構

電路模型是實際電路抽象而成，它近似地反映實際電路的電氣特性。電路模型由一些理想電路元件用理想導線連接而成。用不同特性的電路元件按照不同的方式連接就構成不同特性的電路。

電路模型近似地描述實際電路的電氣特性。根據實際電路的不同工作條件以及對模型精確度的不同要求，應當用不同的電路模型模擬同一實際電路。

這種抽象的電路模型中的元件均為理想元件。

2.4 基爾霍夫定律

基爾霍夫定律Kirchhoff laws是電路中電壓和電流所遵循的基本規律，是分析和計算較為複雜電路的基礎，1845年由德國物理學家G.R.基爾霍夫（Gustav Robert Kirchhoff，1824～1887）提出。它既可以用於直流電路的分析，也可以用於交流電路的分析，還可以用於含有電子元件的非線性電路的分析。運用基爾霍夫定律進行電路分析時，僅與電路的連接方式有關，而與構成該電路的元器件具有什麼樣的性質無關。基爾霍夫定律包括電流定律（KCL)和電壓定律(KVL)，前者應用於電路中的節點而後者應用於電路中的迴路。