1.1 電路與電路模型

1.1.1 電路

電路是電流的通路，它是由一些電氣元器件（或電氣設備）連接而成的整體，可以實現能量的傳輸和轉換，也可以實現信息傳遞和處理。電路在日常生活和實際生產中隨處可見，例如手機，計算機，電視機，信息化武器裝備的通信設備、火控系統，電網系統等，都是由各種結構和功能多樣的電路組成。電路的主要功能可以概括為兩類：一類電路是對電能的傳輸、分配和轉換。例如電網系統，它們的功能是實現電能的傳輸和轉換，而圖1-1所示簡單的照明電路則完成能量的轉換功能。另一類電路是傳遞和處理信息。例如通信電路，用于實現信號的處理和傳遞。如圖1-2所示的擴音器電路，能實現對信號的傳遞和處理。送話器將話音或音樂轉換成電信號（電壓或電流），放大電路將信號進行濾波和放大，然后傳遞到受話器，再把電信號還原為話音或音樂。這一對信號的轉換和放大的過程，稱為信號處理。事實上，為使信號轉換和放大，中間的放大電路還需加上電源，否則就不能正常工作。

實際電路由種類繁多的電路器件組成，這些器件一般可分為電源、負載和傳輸控制器等。

1）電源：是產生電能或者提供電信號的裝置，它把其他形式的能量轉換成電能，或把電能轉換成其他形式的能量或電信號，例如電池、信號源、發電機等。

2）負載：是消耗電能或取用電信號的裝置，它把電能轉換成其他形式的能量。例如電燈、電動機等。

3）中間環節：是用來連接電源和負載，并對電路的工作狀態進行控制。中間環節也可稱為傳輸控制器，包括導線、開關和保護電器（如熔斷器）等。

在電源的作用下，電路中產生了電壓和電流，因此把電源稱為激勵源，而由激勵所產生的電壓和電流，則稱為響應。根據激勵和響應之間的因果關系，有時又把激勵稱為輸入，把響應稱為輸出。

1.1.2 電路模型

在電路分析中，為了研究問題方便，常常用電路模型來代替實際電路。電路分析的對象并不是一個實際的電路器件，而是將實際電路抽象為理想化的電路模型，然后對電路模型進行分析。實際電路的種類繁多，功能各異，電路工作時各種電磁能量的消耗現象和儲存現象交織在一起，并發生在整個電路中。若對這些現象或特征都加以考慮，會給分析電路帶來許多困難。如果對這些電磁現象分別建立物理模型和數學模型，構造出幾個理想的電路元件，那么一個實際電路器件，根據其電磁特性，可以用理想電路元件的組合來表示。這種由理想元件構成的電路，稱為實際電路的電路模型。一般將理想電路元件簡稱為元件（Element），將電路模型簡稱為電路。注意，不應把實際器件與電路元件混為一談。

當實際電路元件及實際電路的幾何尺寸（d）遠遠小于其電磁量工作頻率所對應的電磁波波長（λ）時，稱這一條件為集總假設。滿足集總假設條件可以定義出幾種理想元件，作為實際元件的模型。在集總假設條件下，每一種理想元件只反映一種基本電磁現象，其電磁過程只在各元件內部進行，且可以由數學方法精確定義，這樣的元件稱為集總參數元件，簡稱集總元件。電阻元件R表征消耗電能的特性；電感元件L表征儲存磁場能的特性；電容元件C表征儲存電場能的特性，這些理想元件的模型如圖1-3所示。由集總參數元件構成的電路稱為集總參數電路。

電路模型是在集總假設條件下由理想的、抽象的電路元件組成，用以近似反映實際電路的主要特征。圖1-4是簡單的照明電路模型（稱為電路圖），其中電動勢E和內阻R₀代表干電池，電阻R代表燈泡，開關S代表手電筒的開關。

本書對電路的分析對象主要是抽象后的電路模型。如果電路的尺寸與電路工作頻率所對應的波長相比不可忽略，這時就必須要考慮元件參數的分布性，這種電路稱為分布參數電路。本書主要討論集總參數電路。

具有相同的主要電磁特性的不同實際器件，在一定條件下可以用同一個模型來表示。例如電燈、電熨斗、電磁爐等都是以消耗電能為主的元件和設備，可以用電阻元件作為這些耗能設備的模型。而同一個實際器件，由于不同的工作條件和對模型精度要求不同，應當用不同的電路模型來模擬同一實際電路。例如，實際電感線圈在不同工作條件下的模型如圖1-5所示。當線圈電阻的影響可以忽略時，可以用電感元件作為線圈的電路模型，如圖1-5a所示；當線圈工作于低頻交流條件下，其電阻的影響不可忽略時，其電路模型如圖1-5b所示，其中R表示繞線電阻；當線圈工作在較高頻率條件下，線圈匝間電容不能忽略時，其電路模型如圖1-5c所示，其中C表示匝間電容。