第1章　电路的基本概念和电路定律

1.1　电路和电路模型

1.电路的概念

人们在生产和生活中经常会遇到一些实际电路，它们是由各种电气器件按照一定方式连接而成，其结构形式多种多样，所完成的任务各不相同。图1-1所示为一个简单的直流照明电路，它由三部分组成：①电源（供能元件）：为电路提供电能的设备和器件（如电池、发电机等），作用是将其他形式的能量转换成为电能；②负载（耗能元件）：使用（消耗）电能的设备和器件（如灯泡等用电器），作用是将电能转换成为其他形式的能量；③辅助元件：控制电路工作状态的器件或设备（如开关等），起着传输和分配电能的作用；④连接导线：将电气设备和元器件按一定方式连接起来（如各种铜、铝电缆线等）。

图1-1　简单的直流照明电路

由此可以看出，电路的一个重要作用是进行电能的转换、传输与分配。

电路的另一个重要作用是信号的传输与处理。图1-2所示是一个扩音机的工作过程。话筒将声音的振动信号转换为电信号，即相应的电压和电流，经过放大处理后，通过电路传递给扬声器，再由扬声器还原为声音信号。

图1-2　扩音机工作过程

实际电路的结构和复杂程度相差很大。例如，电力系统或通信系统可能长达数百、数千，甚至上万公里；集成电路可以在很小的芯片上集中成千上万，甚至数十万个晶体管，相互连接成为一个复杂的电路或系统。电路理论主要研究电路中发生的电磁现象，并用电流、电压或磁通等物理量来描述其工作过程。电路理论主要用于计算电路中各器件的端子电流和端子间的电压，一般不涉及内部发生的物理过程。

2.电路模型

本书讨论的不是实际的电路，而是电路模型。由理想元件相互连接构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实际电路的电路原理图，简称电路图。实际电路元件可由理想元件或其组合来模拟。这些理想元件是组成电路模型的最小单元，是具有某种确定电磁性质的假想元件，是一种理想化的模型，并具有精确的数学定义，不考虑其实际上的结构、材料、形状等非电磁特性。理想元件根据其端子数目的不同，分为二端、三端、四端元件，等等。当电路的几何尺寸远小于电路工作时的波长时，可以认为理想电路元件的电磁过程都是集中在元件内部进行的，即满足：在任何时刻，流入二端元件的电流恒等于流出元件另一端的电流，两个端子之间的电压是单值的。这样的元件称为集总（参数）元件，由集总元件构成的电路称为集总电路或具有集总参数的电路。本书只讨论集总电路，具有分布参数的电路请参阅其他书籍。

对于图1-1（a）所示照明电路，其电路模型如图1-1（b）所示，小灯泡用标准灯泡符号表示，干电池用电压源和电池本身的电阻串联来表示，连接导线用相应的理想导线（即认为其电阻为零）或线段表示。

用理想电路元件或其组合来模拟实际电路元件时，必须要考虑其工作条件，按照不同精度要求，把给定工况下的主要物理现象及功能反映出来。例如，在直流工况下，一个线圈的模型可以用一个电阻元件来模拟；在工作频率较低时，可以用电阻元件和电感元件的串联进行模拟；在频率较高时，线圈绕线间的电容效应不容忽视，在这种情况下，表征该线圈的较精确模型应当包含电容元件。可见，在不同的条件下，同一个实际器件可能要用不同的电路模型来模拟。

本书的主要内容是电路分析，研究电路的基本定律和定理，讨论各种计算方法，即根据已建立的电路模型，研究其中的电压、电流和电功率之间的联系规律，并为后续学习电气工程技术、电子和信息工程技术等建立必要的理论基础。