1.1 电路与电路模型

1.1.1 电路

电路是电流的通路，它是由一些电气元器件（或电气设备）连接而成的整体，可以实现能量的传输和转换，也可以实现信息传递和处理。电路在日常生活和实际生产中随处可见，例如手机，计算机，电视机，信息化武器装备的通信设备、火控系统，电网系统等，都是由各种结构和功能多样的电路组成。电路的主要功能可以概括为两类：一类电路是对电能的传输、分配和转换。例如电网系统，它们的功能是实现电能的传输和转换，而图1-1所示简单的照明电路则完成能量的转换功能。另一类电路是传递和处理信息。例如通信电路，用于实现信号的处理和传递。如图1-2所示的扩音器电路，能实现对信号的传递和处理。送话器将话音或音乐转换成电信号（电压或电流），放大电路将信号进行滤波和放大，然后传递到受话器，再把电信号还原为话音或音乐。这一对信号的转换和放大的过程，称为信号处理。事实上，为使信号转换和放大，中间的放大电路还需加上电源，否则就不能正常工作。

图1-1 简单的照明电路

图1-2 扩音器电路

实际电路由种类繁多的电路器件组成，这些器件一般可分为电源、负载和传输控制器等。

1）电源：是产生电能或者提供电信号的装置，它把其他形式的能量转换成电能，或把电能转换成其他形式的能量或电信号，例如电池、信号源、发电机等。

2）负载：是消耗电能或取用电信号的装置，它把电能转换成其他形式的能量。例如电灯、电动机等。

3）中间环节：是用来连接电源和负载，并对电路的工作状态进行控制。中间环节也可称为传输控制器，包括导线、开关和保护电器（如熔断器）等。

在电源的作用下，电路中产生了电压和电流，因此把电源称为激励源，而由激励所产生的电压和电流，则称为响应。根据激励和响应之间的因果关系，有时又把激励称为输入，把响应称为输出。

1.1.2 电路模型

在电路分析中，为了研究问题方便，常常用电路模型来代替实际电路。电路分析的对象并不是一个实际的电路器件，而是将实际电路抽象为理想化的电路模型，然后对电路模型进行分析。实际电路的种类繁多，功能各异，电路工作时各种电磁能量的消耗现象和储存现象交织在一起，并发生在整个电路中。若对这些现象或特征都加以考虑，会给分析电路带来许多困难。如果对这些电磁现象分别建立物理模型和数学模型，构造出几个理想的电路元件，那么一个实际电路器件，根据其电磁特性，可以用理想电路元件的组合来表示。这种由理想元件构成的电路，称为实际电路的电路模型。一般将理想电路元件简称为元件（Element），将电路模型简称为电路。注意，不应把实际器件与电路元件混为一谈。

当实际电路元件及实际电路的几何尺寸（d）远远小于其电磁量工作频率所对应的电磁波波长（λ）时，称这一条件为集总假设。满足集总假设条件可以定义出几种理想元件，作为实际元件的模型。在集总假设条件下，每一种理想元件只反映一种基本电磁现象，其电磁过程只在各元件内部进行，且可以由数学方法精确定义，这样的元件称为集总参数元件，简称集总元件。电阻元件R表征消耗电能的特性；电感元件L表征储存磁场能的特性；电容元件C表征储存电场能的特性，这些理想元件的模型如图1-3所示。由集总参数元件构成的电路称为集总参数电路。

电路模型是在集总假设条件下由理想的、抽象的电路元件组成，用以近似反映实际电路的主要特征。图1-4是简单的照明电路模型（称为电路图），其中电动势E和内阻R₀代表干电池，电阻R代表灯泡，开关S代表手电筒的开关。

图1-3 理想元件模型

图1-4 简单的照明电路模型

本书对电路的分析对象主要是抽象后的电路模型。如果电路的尺寸与电路工作频率所对应的波长相比不可忽略，这时就必须要考虑元件参数的分布性，这种电路称为分布参数电路。本书主要讨论集总参数电路。

具有相同的主要电磁特性的不同实际器件，在一定条件下可以用同一个模型来表示。例如电灯、电熨斗、电磁炉等都是以消耗电能为主的元件和设备，可以用电阻元件作为这些耗能设备的模型。而同一个实际器件，由于不同的工作条件和对模型精度要求不同，应当用不同的电路模型来模拟同一实际电路。例如，实际电感线圈在不同工作条件下的模型如图1-5所示。当线圈电阻的影响可以忽略时，可以用电感元件作为线圈的电路模型，如图1-5a所示；当线圈工作于低频交流条件下，其电阻的影响不可忽略时，其电路模型如图1-5b所示，其中R表示绕线电阻；当线圈工作在较高频率条件下，线圈匝间电容不能忽略时，其电路模型如图1-5c所示，其中C表示匝间电容。

图1-5 线圈的模型