第1章　電路的基本概念和電路定律

1.1　電路和電路模型

1.電路的概念

人們?cè)谏a(chǎn)和生活中經(jīng)常會(huì)遇到一些實(shí)際電路，它們是由各種電氣器件按照一定方式連接而成，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，所完成的任務(wù)各不相同。圖1-1所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的直流照明電路，它由三部分組成：①電源（供能元件）：為電路提供電能的設(shè)備和器件（如電池、發(fā)電機(jī)等），作用是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成為電能；②負(fù)載（耗能元件）：使用（消耗）電能的設(shè)備和器件（如燈泡等用電器），作用是將電能轉(zhuǎn)換成為其他形式的能量；③輔助元件：控制電路工作狀態(tài)的器件或設(shè)備（如開(kāi)關(guān)等），起著傳輸和分配電能的作用；④連接導(dǎo)線：將電氣設(shè)備和元器件按一定方式連接起來(lái)（如各種銅、鋁電纜線等）。

由此可以看出，電路的一個(gè)重要作用是進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換、傳輸與分配。

電路的另一個(gè)重要作用是信號(hào)的傳輸與處理。圖1-2所示是一個(gè)擴(kuò)音機(jī)的工作過(guò)程。話筒將聲音的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即相應(yīng)的電壓和電流，經(jīng)過(guò)放大處理后，通過(guò)電路傳遞給揚(yáng)聲器，再由揚(yáng)聲器還原為聲音信號(hào)。

實(shí)際電路的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度相差很大。例如，電力系統(tǒng)或通信系統(tǒng)可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)百、數(shù)千，甚至上萬(wàn)公里；集成電路可以在很小的芯片上集中成千上萬(wàn)，甚至數(shù)十萬(wàn)個(gè)晶體管，相互連接成為一個(gè)復(fù)雜的電路或系統(tǒng)。電路理論主要研究電路中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，并用電流、電壓或磁通等物理量來(lái)描述其工作過(guò)程。電路理論主要用于計(jì)算電路中各器件的端子電流和端子間的電壓，一般不涉及內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程。

2.電路模型

本書(shū)討論的不是實(shí)際的電路，而是電路模型。由理想元件相互連接構(gòu)成的電路叫做實(shí)際電路的電路模型，也叫做實(shí)際電路的電路原理圖，簡(jiǎn)稱電路圖。實(shí)際電路元件可由理想元件或其組合來(lái)模擬。這些理想元件是組成電路模型的最小單元，是具有某種確定電磁性質(zhì)的假想元件，是一種理想化的模型，并具有精確的數(shù)學(xué)定義，不考慮其實(shí)際上的結(jié)構(gòu)、材料、形狀等非電磁特性。理想元件根據(jù)其端子數(shù)目的不同，分為二端、三端、四端元件，等等。當(dāng)電路的幾何尺寸遠(yuǎn)小于電路工作時(shí)的波長(zhǎng)時(shí)，可以認(rèn)為理想電路元件的電磁過(guò)程都是集中在元件內(nèi)部進(jìn)行的，即滿足：在任何時(shí)刻，流入二端元件的電流恒等于流出元件另一端的電流，兩個(gè)端子之間的電壓是單值的。這樣的元件稱為集總（參數(shù)）元件，由集總元件構(gòu)成的電路稱為集總電路或具有集總參數(shù)的電路。本書(shū)只討論集總電路，具有分布參數(shù)的電路請(qǐng)參閱其他書(shū)籍。

對(duì)于圖1-1（a）所示照明電路，其電路模型如圖1-1（b）所示，小燈泡用標(biāo)準(zhǔn)燈泡符號(hào)表示，干電池用電壓源和電池本身的電阻串聯(lián)來(lái)表示，連接導(dǎo)線用相應(yīng)的理想導(dǎo)線（即認(rèn)為其電阻為零）或線段表示。

用理想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際電路元件時(shí)，必須要考慮其工作條件，按照不同精度要求，把給定工況下的主要物理現(xiàn)象及功能反映出來(lái)。例如，在直流工況下，一個(gè)線圈的模型可以用一個(gè)電阻元件來(lái)模擬；在工作頻率較低時(shí)，可以用電阻元件和電感元件的串聯(lián)進(jìn)行模擬；在頻率較高時(shí)，線圈繞線間的電容效應(yīng)不容忽視，在這種情況下，表征該線圈的較精確模型應(yīng)當(dāng)包含電容元件。可見(jiàn)，在不同的條件下，同一個(gè)實(shí)際器件可能要用不同的電路模型來(lái)模擬。

本書(shū)的主要內(nèi)容是電路分析，研究電路的基本定律和定理，討論各種計(jì)算方法，即根據(jù)已建立的電路模型，研究其中的電壓、電流和電功率之間的聯(lián)系規(guī)律，并為后續(xù)學(xué)習(xí)電氣工程技術(shù)、電子和信息工程技術(shù)等建立必要的理論基礎(chǔ)。