1.1 电路组成及其理论模型

人们在工作、生产和生活中会接触到各种各样的实际电路，实际电路种类繁多，但不管简单还是复杂，总可以对其从功能、组成等方面进行归类。

从功能上分，实际电路主要有以下两个功能（见图1.1）：

1）能量的产生、传输与转换。以电力的产生、传输和分配为例：发电厂（水电、火电、核电、风电、太阳能发电等多种形式的发电方式）首先利用各种电气装置将不同形式的能量转换成电能，然后利用输电线路将发电厂发出的电能传输到城市、乡村及所有需要用到电能的地方，在那里再将电能分配到各个厂矿企业和千家万户，最终各个用户根据自己的需要将电能转换成机械能、光能、热能等其他形式的能量。

2）信号的传递、变换与处理。以无线电通信为例：利用各种电气装置将声音、图像等转换成无线电信号（这个信号从能量上讲，远比电力系统小得多），无线电信号在大气层中传播，用户利用电气装置将接收到的无线电信号重新还原成声音、图像等，在这个过程中还可以对还原的信号进行适当的处理。最有代表性就是手机通信。

从组成上讲，任何实际电路都由三部分（见图1.2）组成：

1）电源：提供电能或电信号的电气装置，作用是向电路中其他电气元件提供工作时所必需的电压、电流或功率。

2）负载：消耗电能的电气装置，作用是将电源提供的电能转换成其他形式的能量。

3）连接部分（中间环节）：通常由金属导线、开关、控制器等组成，作用是将电源和负载连接起来使电路能正常工作。

电路中的电压和电流是在电源的作用下产生的，因此电源又称为激励源或激励；由于激励的作用在电路中产生的电压、电流称为响应。根据激励与响应间的因果关系，把激励称为输入，响应称为输出。

由于实际电气装置、设备和元件种类繁多，数量巨大，其工作时的物理过程也很复杂，不便一一进行分析，但其同时在电磁现象方面却又有着许多相同的地方。为了便于分析实际电路的主要特性和功能，须对实际电气装置或元件进行科学抽象，找出其主要的电磁特性，忽略其次要的电磁特性，经过这种抽象后的电气元件称之为理想元件，如同化学理论中的理想气体、力学理论中的理想刚体，它们都具有精确的数学定义。在一定的条件下，对由这些理想元件组成的理想电路进行分析计算得到的结果与实际电路工作时的状况相同或非常接近，可以对实际电路的工作状态进行理论上的预测。在电路理论中对实际电气装置或电路元件进行理论抽象后常用的理想元件主要有以下四种：

1.电阻元件

凡是在实际电路中消耗电能的电气装置或元件都可抽象为电阻元件，用R表示；电气符号如图1.3a所示。

2.电容元件

凡是在实际电路中能储存电场能的电气装置或元件都可抽象为电容元件，用C表示；电气符号如图1.3b所示。

3.电感元件

凡是在实际电路中能储存磁场能的电气装置或元件都可抽象为电感元件，用L表示；电气符号如图1.3c所示。

4.电源元件

凡是在实际电路中能够提供电能的电气装置或元件都可抽象为电源元件，电源元件分为电压源和电流源，分别用us（Us）和is（Is）表示。电气符号分别如图1.3d、1.3e所示。

图1.4a所示为一个简单的手电筒实际电路，由干电池、开关、小灯泡和导线连接组成。经过抽象建模，其电路模型如图1.4b所示，干电池用电源US和电阻Rs的串联组合作为模型，反映了电池内化学能转换为电能以及电池本身耗能的物理过程；连接导线用理想导线（电阻为0）即线段表示；开关用理想开关（闭合电阻为0，打开电阻为∞）；灯泡用电阻元件RL表示，反映了它能将电能转换为热能和光能这一物理现象。

对于抽象的理想元件模型应当注意以下三点：

1）理想电路元件只是一种理想的元件模型，在现实中是不存在的。

2）不同的电气装置或元件，只要具有相同的主要电磁性能，在一定条件下就可以抽象成相同的理想电路元件。

3）而对同一个电气装置或元件在不同的条件下，它的理想模型也有不同的形式。

将千差万别、种类繁多的实际电气装置或元件抽象成理想元件或理想元件的组合是电路理论中的建模问题，模型建得复杂会造成分析计算的困难，模型建得简单会使分析计算的结果与实际情况不符。因此，电路理论的建模问题是比较复杂的问题，需进行专门的研究，在本书中不做研究。