電路發展理論

1. 本安電路的基本原理

本質安全電氣設備防爆基本原理是：通過限制電氣設備電路的各種參數或採取保護措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規定的故障狀態下產生的電火花和熱效應均不能點燃周圍環境的爆炸性混合物，從而實現電氣防爆。
本質安全型電氣設備根據其安全程度不同分為ia和ib兩個等級。ia等級是指電路在正常工作、一個或兩個計數故障時，都不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。ib等級是指電路在正常工作或一個計數故障時，不能點燃爆炸性混合物的電氣設備。
電路放電火花的基本形式為：火花放電、弧光放電、輝光放電和由三種放電形式組成的 混合放電。火花放電是在接通和斷開電容電路時，擊穿放電間隙中的氣體而產生的，其特點是低電壓大電流放電。弧光放電是由某種形式的不穩定放電不斷轉化而產 生的，如高壓擊穿時產生的放電形式，特點是：可以產生持續的電弧、電流密度大、放電能量集中、點燃周圍爆炸性混合物的能力強，電感性電路放電形式屬弧光放電。輝光放電是在高電壓小電流的條件下產生的放電形式，其特點是：放電能量不集中、能量散失大、點燃周圍爆炸性混合物的能力差。由於弧光放電是最危險的放電形式，因此電感性電路是研究本質安全電路的重要內容。
模型的建立，是以線性本質安全電源為基礎進行的理論研究。隨著電子技術和電力電子元器件技術的進步，開關電源技術得到了飛速的發展。出現了開關型本質安全電源技術。
本質安全電路理論經過一百多年的進步和發展，電路的技術理論已經成熟。開關電路技 術同樣經過幾十年的發展，已經廣泛應用於各個領域，開關電源技術無論是在理論還是在實際電路中都已經非常成熟。而本質安全電源電路卻仍然停留在線性電源的 階段，由於線性電源在煤礦井下應用存在著許多不足之處，尤其是輸出功率很難提高，已經不能滿足現階段煤礦企業的發展需求。開關型本質安全電源可以彌補線性 本質安全電源的缺點，選擇適當的電路拓撲結構和工作頻率，能夠有效提高本質安全電源的輸出功率。因此，對於本質安全電路來講，即是一種新的應用技術，同時 也是本質安全電路未來的發展方向。

2. 大學電路理論主要學習什麼，研究對象是什麼

邱關源的《電路》教材。

本書主要內容有：電路模型和電路定律、電版阻電路的等效變權換、電阻電路的一般分析、電路定理、含有運算放大器的電阻電路、一階電路、二階電路、相量法、正弦穩態電路的分析，含有耦合電感的電路、三相電路、非正弦周期電流電路和信號的頻譜、拉普拉斯變換、網路函數、電路方程的矩陣形式、二埠網路、非線性電路簡介、均勻傳輸線，另有磁路和鐵心線圈及PSPICE簡介兩個附錄。
研究對象是電路，就是對不同電路進行分析。

3. 物理 電路理論 割集

割集是支路的集合，是用一個封閉面把圖分成兩部分後，穿過這個封閉面的支路的集合,如果移除其中的任一條支路,圖又將恢復連通。
割集至少包含一條樹支，也可以多於一條樹支，只包含一條樹支的割集叫單樹支割集，這個概念很重要，電路分析里就用它。

4. 電路理論中的有功功率,無功功率和視在功率的定義

有功功率：一個周期內瞬時功率的積分平均值。對於正弦電壓及電流專，復功率的實部即有功功率：屬。對於非正弦周期電壓及電流，有功功率是直流分量功率及基波和諧波有功功率之總和。
無功功率：在正弦電流電路中，復功率的虛部： ，且供給電感的無功功率為正值。
在交流電路中，我們將正弦交流電電路中電壓有效值與電流有效值的乘積稱為視在功率，即S=UI視在功率不表示交流電路實際消耗的功率，只表示電路可能提供的最大功率或電路可能消耗的最大有功功率。

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簡介：本書是面向21世紀課程教材、「十一五」國家級規劃教材《電路分析（第2版）》的修訂版。該教材定位於電子信息、通信工程、信息工程等專業，教材特色鮮明，以其獨創的教學實驗演示系統、計算機輔助教學系統和計算機解題系統著稱，自出版以來一直深受讀者喜愛，

基本內容包括：電路的基本概念和分析方法；用網路等效簡化電路分析；網孔分析法和結點分析法；網路定理；理想變壓器和運算放大器；雙口網路；電容元件和電感元件；一階電路分析；二階電路分析；正弦穩態分析；正弦穩態的功率和三相電路；網路函數和頻率響應；含耦合電感的電路分析；動態電路的頻域分析。

6. 電路理論及相關科學技術的發展簡史

電路理論是當代電氣工程與電子科學技術的重要理論基礎之一。電路理論與電磁學、電子科學與技術、通信、電氣工程、自動控制、計算機科學技術等學科相互促進、相互影響。經歷了一個多世紀的漫長道路以後，電路理論已經發展成一門體系完整、邏輯嚴密、具有強大生命力的學科領域。

人類對電磁現象的認識始於對靜電、靜磁現象的觀察。

1729年，英國人 S.格雷 將 材料分為兩類—— 導體和絕緣體 。

1749年，美國科學家 富蘭克林 提出了正電荷和負電荷的概念。

1785——1789年，法國人 庫侖 定量地研究了兩個帶電體間的相互作用，得出了歷史上最早的靜電學定律——庫侖定律。

庫侖定律（Coulomb's law）是 靜止 點電荷相互作用力的規律 。1785年法國科學家C,-A.de庫倫由實驗得出， 真空 中兩個靜止的 點電荷 之間的相互作用力同它們的 電荷量 的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上，同名電荷相斥，異名電荷相吸。這是人類在電磁現象認識上的一次飛躍。

19世紀以前，電與磁的應用尚屬鳳毛麟角。1800年，義大利物理學家 伏特 發明了伏打電池，它能夠 把化學能不斷地轉變為電能 ，維持單一方向的持續電流。這一發明具有劃時代的意義，它為人們深入研究電化學、電磁學以及它們的應用打下了物質基礎。以後很快發現了電流的化學效應、熱效應以及利用電來照明等。

1820年，丹麥物理學家 奧斯特 通過實驗發現了 電流的磁效應 ，在電與磁之間架起了一座橋梁，打開了近代電磁學的突破口。

1825年，法國科學家 安培 提出了著名的 安培環路定理 （ 在穩恆磁場中，磁感應強度B沿任何閉合路徑的線積分，等於這閉合路徑所包圍的各個電流的代數和乘以磁導率。安培環路定理可以由畢奧－薩伐爾定律導出。它反映了穩恆磁場的磁感應線和載流導線相互套連的性質）。他從1820年開始在測量電流的磁效應中，發現了兩個載流導線可以互相吸引，又可以互相排斥。這一發現成為研究電學的基本定律，為電動機的發明做了理論上的基礎。

1826年，德國人 歐姆 在多年實驗基礎上，提出了著名的 歐姆定律 ：在恆定溫度下，導線迴路中的電流等於迴路中的電動勢與電阻值比。歐姆又將這一定律推廣於任意一段導線上，並得出導線中的電流等於這一段導線上的電壓與電阻之比。

1831年，英國物理學家 法拉第 發現了 電磁感應現象 。當他繼續奧斯特的實驗時，他堅信 既然電能產生磁，那麼磁也能產生電 。他終於發現在磁場中運動的導體會產生感生電動勢，並能在閉合導體迴路中產生電流。這一發現成為發電機和變壓器的基本原理，從而使機械能變為電能成為可能。

1834年俄國人 楞次 提出 感應電流方向的定律 ，即著名的楞次定律。

1838年，畫家出身的美國人 莫爾斯 發明了 電報 。1844年，他用電報機從華盛頓向40英里外的巴爾的摩發出電文。

1845年，德國科學家 基爾霍夫 在深入研究了歐姆的工作成果之後，提出了電路的兩個基本定律—— 基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律(KVL) 。它是集總參數電路（其特點是電路中任意兩個端點間的電壓和流入任一器件端鈕的電流完全確定，與器件的幾何尺寸和空間位置無關。與其對應的是分布參數電路）中電壓、電流必須服從的規律。

1853年， 湯姆遜 採用電阻、電感和電容的電路模型，分析了 萊頓瓶的放電過程 ，得出電震盪的頻率 。

1853年， 亥姆霍茲 提出電路中的 等效發電機定理 (戴維南定理和 諾頓定理 是最常用的電路簡化方法。由於戴維南定理和諾頓定理都是將有源二端網路等效為電源支路，所以統稱為等效電源定理或等效發電機定理)。由於國際通信需求的增加，1850——1855年，歐洲建成了英國、法國、義大利、土耳其之間的海底電報電纜。電報信號經過遠距離的電纜傳送，產生了信號的衰減、延遲、失真等現象。1854年 湯姆遜 發表了 電纜傳輸理論 ，分析了這些現象。1857年 基爾霍夫 考慮到架空傳輸線與電纜不同，得出了包括自感系數在內的完整的傳輸線上電壓及電流方程式，稱之為 電報員方程或基爾霍夫方程 。至此，包括傳輸線在內的電路理論就基本建立起來了。

1864年英國物理學家 麥克斯韋 總結了當時所發現的種種電磁現象的規律，將它表達為 麥克斯韋方程組 ， 預言了電磁波的存在 ，為電路理論奠定了堅實的基礎。1887年，德國物理學家 赫茲 經過艱苦的反復實驗， 證明麥克斯韋所預言的電磁波確實存在 。

1866年，德國工程師 西門子 發現了 電動機原理 並用在了發電機的改進上。由於點在各方面的應用日益廣泛，如照明、電解、電鍍、電力拖動等，迫切需要更方便地獲取電能，以提高效率、降低成本。1881年，直流高壓輸電試驗成功。但由於直流高壓不便於用戶直接使用，同年在發明變壓器的基礎上又實現了遠距離交流高壓傳輸。從此，電氣化時代開始了。

1876年，美國科學家 貝爾 發明了電話。當時電報已經很發達，貝爾在多路電報通信實驗中，萌發了在電報線上通話的設想。在 T.A.沃森 的協助下，經過不懈的努力終於試驗成功。經過不斷改進，到1878年，他實現了從波士頓到紐約之間200英里的首次長途通話。

1879年，美國人 愛迪生 發明了 碳絲燈泡 。

1912年美國人 W.D. 庫利奇 發明了 鎢絲燈泡 ，成為最普及的照明用具。電燈的廣泛使用，是電能應用的一次大普及，並改變了人們的生活。

1894年，義大利人 馬可尼 和俄國的 波波夫 分別發明了 無線電 。沒有受過正規大學教育的20歲的馬可尼利用赫茲的火花振盪器作為發射器，通過電鍵的開、閉產生斷續的電磁波信號。1895年，他發射的信號傳送距離為1km以上，1897年發射的信號可在20km之外接收到，從此開始了無線電通信的時代。

1825年英國人 貝爾德 首先發明 電視 。幾乎在同時，美國無線電公司的工程師 茲沃雷金 發明了 電視顯像管 。1933年，他利用真空二極體、真空三極體和顯像管，最早發明了電視機。1936年，黑白電視機正式問世了。

近代電路理論的主要特點之一是 吉爾曼 將 圖論 引入電路理論之中。它為應用計算機進行電路分析和集成電路布線與板圖設計等研究提供了有力的工具。特點之二是出現大量新的電路元件、有源器件，如使用低電壓的MOS電路，摒棄電感元件的電路，進一步摒棄電阻的開關電容電路等。當前，有源電路的綜合設計正在迅速發展之中。特點之三是在電路分析和設計中應用計算機後，使得對電路的優化設計和故障診斷成為可能，大大提高了電子產品的質量並降低了成本。

7. 本安電路的理論發展簡介

在沒有制定本質安全電路標準的時期，本質安全電氣設備的設 計結果是否被接受，主要取決於鑒定機構的辨別力，這是由當時煤礦立法給予鑒定機構的權力。在英國，大部分提交本質安全電氣設備的檢驗必須由「部長批准」； 隨著本質安全設備的增加及其在采礦上的應用遠遠超出了需要「部長批准」的范圍，社會各界都希望建立正式的本質安全鑒定程序。
1901年英國標准學會正式建立，1905年提出礦用設備使用安裝 規程，1911年制定了煤礦法提出煤礦用電氣設備安裝與使用通用規程，並於1926年首次發表了英國標准229號，規定了隔爆外殼的要求，使本質安全電氣 設備的檢驗必須由「部長批准」的形式於1928年宣告結束。1929年英國標准協會與皇家憲章（Royal Charter）合並為國家標准機構，1933年聯邦德國制定了本質安全防爆國家標准VDE171。1945年英國國家標准機構頒布了本質安全方面國家標准「本質安全器件與電路」 標准代號BS1259:1945。1949年發布了關於「本質安全信號變壓器(主要用於煤礦)」的標准，代號為BS1538:1949。1958年對標准 BS1259進行了修訂，修訂後的標准代號為BS1259:1958。
隨著電子器件的更新和科學技術的進步，本質安全電 氣設備的種類和形式發生了巨大的變化，英國國家標准機構於1945年再一次修訂BS1259：1958。1967年在IEC31G委員會布拉格會議期間， 經過對火花放電提交的不同試驗結論比較，決定採用聯邦德國西門子公司一組工作人員設計的火花試驗裝置所作的試驗結果，並將該試驗裝置推選為國際標准火花試 驗裝置。1978年國際電工委員會（IEC）發布了一系列相關標准，其中包括「本質安全和附屬設備的構造和試驗」標准，標准代號：IEC刊物79 -11。在此期間，歐洲標准化組織CENELEC也制定了一系列關於「可燃性環境中電氣設備的構造與試驗」歐洲標准，本質安全型標准代號為： EN50020。歐洲電工標准協調委員會於1981年制定有關本質安全系統結構與測試的歐洲標准，代號為：EN50039，與之相當的英國標准為： BS5501：1982。美國在本質安全電路設計方面，先後制定了本質安全國家電氣規程（NEC504—2條），1995年保險商實驗室（UL913）和美國儀表學會 （ISA），出版了用於檢驗和安裝本質安全設計的標准（ANSI/ISA—PR12.6—1995）；在本質安全電器產品檢驗方面，世界各國都有 專門授權的防爆檢驗部門從事本質安全電路和電氣設備及其關聯設備的檢驗，例如英國的礦業安全研究院（SMRE）、德國的PTB、前蘇聯的馬可尼安全研究 院、全速防爆電器設備研究所。美國沒有官方檢驗機構，UL（Underwriters Laboratories Inc）和FM（Factory Mutual Research Corp）均是私人企業組織。
在本質安全理論創建後的幾十年裡，許多工業發達國家相繼開始研究分析本質安全電路 及其理論。初期的研究主要集中在安全火花電路和火花試驗裝置設計方面，英國的R.V.Weeler教授在1915年發表了「關於蓄電池電鈴信號系統內信號 線上火花試驗點燃沼氣－空氣混合氣體危險的報告」。R.V.Weeler和W.M.Thoronton於1925年再次發表報告「關於裸導線設備 信號線上火花試驗點燃可燃性混合氣體危險的報告」。1928年C.B.Platt和R.A.Bailey博士發表鑒定礦用信號電鈴安全性能調研報 告。J.R.Hall在總結已經獲得的相關理論基礎上於1985年出版了專著「Intrinsic Safety」書中對本質安全電路基本原理、安全火花
電路基本概念以及火花試驗裝置進行了系統的研究。此外，英國礦業安全研究院（SMRE）也對安全火花電路理論進行了試驗研究。
在此期間，前蘇聯在本質安全理論以及火花試驗裝置研究方面也進行了大量的試驗。其 中，B.C.格拉夫欽克、B.A.邦達爾通過試驗對電氣放電和摩擦火花的防爆性進行了全面的研究； A.A.卡伊馬科夫針對煤礦井下爆炸性混合物的形成、點燃源的種類、爆炸性混合物的一般概念以及弧光放電和脈沖放電條件下法蘭式防爆殼防爆機理進行了大量 的試驗研究；B.C.格拉夫欽克等人合編的專著「安全火花電路」系統分析了煤礦、石油、化工等行業各種可燃性混合物中電路安全火花性能的物理基礎，並列舉了有 關評價安全火花電路性能的計算方法、測量方法以及提高電路允許輸出功率的研究成果，提出了安全火花電氣設備的設計和試驗的基本原則。參與本質安全 理論與試驗研究的國家專門機構還有馬可尼安全研究所和全蘇防爆電器設備研究所。
對本質安全電路理論以及試驗裝置進行研究的還有德國、美國、日本等國家。德國工程 物理研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt簡稱PTB）是從事本質安全電路理論和試驗研究的國家機構，直到2004年該機構還發表了一篇本質安全電路方面的文章。J.M.Adams、Tomislav Mlinac、L.C.Towle、J. C. Cawley、W. G. Dill先後在相關國際會議或專業雜志上發表本質安全電路方面的論文。分別運用不同的試驗方法或測試手段從各個角度對本質安全電路進行研 究。日本在本質安全電路設計及理論研究相對比較保守，在電路參數設計上使用較高的安全系數，以此來提高本質安全電路的安全性能。