1.1 电路和电路模型

学习目标

了解基本电路的组成及其功能，理解电路模型对研究实际电路问题具有的意义，掌握理想电路元件与实际电路器件在电特性上的区别，理解集总参数元件的概念。

1.1.1 电路的组成及功能

电路的组成和各部分功能

电流通过的路径称为电路。

实际电路通常由各种电路实体部件（如电源、电阻器、电感线圈、电容器、变压器、仪表、二极管、三极管等）组成。每一种电路实体部件具有各自不同的电磁特性和功能，按照人们的需要，把相关电路实体部件按一定方式进行组合，就构成了各种各样的电路结构。如果某个电路元器件数量很多且电路结构较为复杂时，通常又把这些电路称为电网络。

手电筒电路、单灯照明电路是实际应用中最为简单的电路实例，电动机电路、雷达导航设备电路、计算机电路、电视机电路显然是较为复杂的电路，但不管简单还是复杂，电路的基本组成部分都离不开3个基本环节：电源、负载和中间环节。

电源：向电路提供电能的装置，如电池、发电机等。电源可以将其他形式的能量转换成电能，如电池把化学能转换为电能，发电机把热能、机械能或原子能等转换为电能。电路中电源供出的电压或电流通常称为激励，激励是激发和产生电能的因素。

负载：在电路中接收电能的装置，如电灯、电动机等。负载把从电源接收到的电能转换为人们需要的能量形式，如电灯把电能转变成光能和热能，电动机把电能转换为机械能，充电的蓄电池把电能转换为化学能等。电路中负载上的电压和电流通常称之为响应，是接收和转换电能的用电器。

中间环节：电源和负载之间连通的传输导线、控制电路的通、断的控制开关、保护和监控实际电路的设备（如熔断器、热继电器、空气开关等）等称为电路的中间环节。中间环节在电路中起着传输和分配能量、控制和保护电气设备的作用。

工程应用中的实际电路，按照功能的不同可以概括为两大类。

① 电力系统中的电路：特点是大功率、大电流，其主要功能是对发电厂发出的电能进行传输、分配和转换。

② 电子技术中的电路：特点是小功率、小电流，其主要功能是实现对电信号的传递、变换、储存和处理。

1.1.2 电路模型和理想电路元件

电路模型

“模型”是现代各个社会学科、自然学科分析研究问题时普遍使用的重要概念，如数学学科中没有宽窄厚薄的“直线”，物理学科中不占空间尺寸却有一定质量的“质点”都是“模型”。先建立能反映所研究事物基本特性的模型，然后对该模型进行定量分析，可使问题得到合理简化。研究电路问题也是如此，首先对待研究电路“建模”，然后进行定量分析。

1.电路模型

实际电路发生的物理过程十分复杂，电路中各器件和导线之间的电磁现象相互交织在一起，如果实际电气部件的全部电磁特性都加以考虑时，问题势必复杂化，将造成分析和计算的困难。为了便于对实际电路的分析和计算，在电路理论中，通常在工程允许的条件下对实际电路进行模型化处理。

电路模型是实际电路电气特性的抽象和近似，电路模型由一些理想电路元件用理想导线连接而成。用不同电气特性的电路元件按照不同的方式连接，可构成不同电气特性的电路模型。

2.理想电路元件

实际电路常见的元器件有：导线、开关、照明灯、电阻器、电感线圈、电容器、电动机、变压器、二极管、三极管、运算放大器等，这些实际电路元器件的电特性往往多元而复杂，而且当它们所处的外部条件改变时，它们的电特性也会随之发生改变。

理想电路元件

进行模型化处理的思路，就是要在工程允许的范围内，用一些理想电路元件表征实际元器件的主要电特性，忽略它们的次要电特性，从而大大简化对实际问题的分析和计算。电路理论中的这种抽象出来的理想电路元件，也是简化电路分析和计算的最行之有效的方法。

理想电路元件分为有源和无源两大类，如图1.1所示。

根据实际电路用电器的耗能、储存磁场能和储存电场能3种电磁特性，可抽象出图1.1中的电阻元件（只具有耗能的电特性）、电感元件（只具有建立和储存磁场能量的电特性）和电容元件（只具有储存电场能量的电特性）。通常把电阻、电感、电容这3个无源二端理想化元件称为电路的三大基本元件，简称为电路元件。电路元件是实际电路器件的理想化抽象，其电磁特性单一、确切。

图1.1中的理想电压源和理想电流源称为有源二端元件，其中的“源”是指它们能向电路提供电能，理想电压源和理想电流源简称为电压源和电流源。在电路精度要求不高的情况下，如果电源的主要供电方式是向电路提供一定的电压，可用电压源抽象和模拟；若主要供电方式是向电路提供一定的电流，则可用电流源抽象和模拟。

例如，一个实际的电感线圈，通电后在线圈周围会建立磁场，显然这是电感线圈的主要电磁特性；电感线圈通电后会发热，即实际电感线圈同时存在着“耗能”的电特性；实际电感线圈还存在着匝间分布电容和层间分布电容效应。显然，实际电感线圈的电特性多元而复杂。

对实际电感线圈建模时，根据“抓住主要因素，忽略次要矛盾”的模型化处理条件，可具体问题具体对待：直流电路中的电感线圈由于不存在电磁感应，电容效应也可忽略不计，可用一个只具有耗能特性的电阻元件来模拟；低频电子线路中，如对电路模型精度要求不高，可采用一个只具有建立磁场特性的理想电感元件来模拟；如对精度要求较高时，可采用电阻元件和电感元件的串联组合来模拟；高频交流工作条件下，可用电感元件和电阻元件的串联组合，再与只具有建立电场特性的电容元件相并联来模拟。由此可知，同一实体电路元器件，其电磁特性是多元化和复杂化的，并且在不同的外部条件下，它们呈现的电磁特性也会各不相同。

建立“电路模型”，首先应对实际元器件进行模型化处理，使得不同的实体电路元器件，只要具有相同的电磁性能，在一定条件下就可以用同一个理想电路元件来模拟，显然降低了实际电路的绘图难度。而且，同一个实体电路元器件，处在不同的应用条件和环境下，其电路模型可具有不同的形式。有时模型比较简单，仅由一种元件构成；有时比较复杂，可用几种理想元件的不同组合构成。这种对实际电路进行模型化处理的方法，为工程实际中的分析和计算带来了极大的方便。

例如，图1.2是一个最简单的手电筒电路及其电路模型。

由图1.2可以看出，手电筒的实体电路画法较为复杂，而电路模型显然清晰明了。

电路模型具有两大特点：一是它里面的任何一个元件都是只具有单一电特性的理想电路元件，因此反映出的电现象均可用数学方式进行精确的分析和计算；二是对各种电路模型的深入研究，实质上就是探讨各种实际电路共同遵循的基本规律。

需要指出的是，电路模型只适用于低、中频电路的分析。因为在低、中频电路中，电路元器件基本上都是次要因素可以忽略的集总参数元件，集总参数元件的电磁过程都是集中在元件内部进行。而在高频和超高频电路中，元器件上的电磁过程并不是集中在元件内部进行，因此要用“分布电路模型”来抽象和进行描述，这在以后的专业课中会讲到。本书中如不作特殊说明，电路中的元器件均按符合集总参数元件处理。

电路模型是用来探讨存在于不同特性的各种真实电路中共有规律的工具。进行电路分析时，应牢固树立“电路模型”的概念，通过对电路模型的分析、研究来预测实际电路的电气特性，以便指导和改进实际电路的电气特性和设计制造新的实际电路。

检验学习结果

1.1.1 电路由哪几部分组成，各部分的作用是什么？

1.1.2 试述电路的分类及其功能。

1.1.3 何谓理想电路元件？如何理解“理想”二字在实际电路中的含义？何谓电路模型？

1.1.4 集总参数元件的特征是什么？如何在电路中区分电源和负载？