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什么是电路？电路的作用是什么？电路相关的参数有哪些？电路的构成又有哪些？
知识目标：
了解什么是电路及电路的作用
了解电路的组成
掌握电路分析方法
职业素养目标：
具备分析问题、解决问题的能力
养成良好的工作习惯
养成团队协作精神
培养创新意识及创新能力
养成严谨认真的学习态度
电路指电流所通过的路径，也称回路或网络，是由电气设备和元器件按一定方式连接起来，以实现特定功能的电气装置。
在电力、通信、计算机、信号处理、控制等各个电气工程技术领域中，都使用大量的电路来完成各种各样的任务。电路的作用大致分为以下两方面。
（1）电能的传输和转换
电能的传输和转换，例如电力供电系统、照明设备、电动机等。此类电路主要利用电的能量，其电压、电流、功率相对较大，频率较低，称为强电系统。
（2）信号的传递和处理
信号的传递和处理，例如电话、扩音机电路用来传送和处理音频信号，万用表用来测量电压、电流和电阻，计算机的存储器用来存放数据和程序。此类电路主要用于处理电信号，其电压、电流、功率相对较小，频率较高，称为弱电系统。
实际电路虽然多种多样，功能也各不相同，但它们都受共同的基本规律支配。
实际电路要工作，首先要由电源或信号源提供电能或电信号，向电路输入电压、电流后，推动用电设备（也称负载）工作以实现特定的功能。电源或信号源又称激励，由激励在电路中各部分引起的电压和电流输出称为响应。
人们在日常生活中所用的手电筒电路就是一个最简单的电路，它由干电池、灯泡、手电筒壳（连接导体）组成，如图2-17（a）所示。
电源——干电池是将非电能（此处为化学能）转换为电能的设备；
负载——灯泡是将电能转换成非电能（此处为光能）的设备；
控制元件——开关是接通或断开电路，起控制电路作用的元件；
导线——连接导体负责把电源与负载连接起来。
一个完整的电路是由电源（或信号源）、负载和中间环节（如开关、导线等）3个基本部分组成的。各种实际电路的种类和作用不同，规模相差也很大，小到硅片上的集成电路，大到高低压输电网，但都可以分解成以上三大部分。各种电路中随着电流的流动，都在进行着不同形式能量之间的转换。
在实际应用中，为了便于分析，通常用电路图来表示电路。在电路图中，各种电气元件都不需要画出原有的形状，而是采用统一规定的图形符号来表示。图2-17（b）所示就是图2-17（a）所示手电筒的电路原理图。
图2-17 电路模型
为便于理论研究，常用与实际电气设备和元器件相对应的理想化元器件构成电路，并用统一规定的符号表示作为实际电路的“电路模型”，如图2-17（c）所示。本书在进行理论分析时所指的电路，均指这种电路模型。
但是不可能制造出完全理想的器件，比如：
①一个实际的电阻器在有电流流过的同时还会产生磁场，因而还兼有电感的性质。
②一个实际电源总有内阻，因而在使用时不可能总保持一定的端电压。
③连接导体总有一点电阻，甚至还有电感。
这样往往给分析电路带来了困难，因此，必须在一定条件下对实际器件加以理想化，忽略它的次要性质，用一个足以表征其主要性能的模型来表示。例如：
①灯泡的电感是极其微小的，把它看作一个理想的电阻元件是完全可以的。
②一个新的干电池，其内阻与灯泡的电阻相比可以忽略不计，把它看作一个电压恒定的理想电压源也是完全可以的。
③在连接导体很短的情况下，导体的电阻完全可以忽略不计，可看作理想导体。
于是这个理想电阻元件就构成了灯泡的模型，理想电压源就构成了电池的模型，理想导体则构成了连接导体的模型。
各种实际元器件都可以用理想模型来近似地表征它的性质，只有对这样用理想模型表征的元器件所构成的电路模型，人们才有可能进行定性和定量的研究分析。电路理论分析的对象是电路模型，而非实际电路。
实际的电路元器件在工作时，其电和磁现象同时存在，且发生在整个元器件中，复杂地交织在一起。为了方便分析，在一定的条件下，假定电路中的电磁现象可以分别研究，且可以用数学方法精确定义。如电阻表示只消耗电能的元件，电容表示只存储电场能量的元件，电感表示只存储磁场能量的元件，电压源和电流源均表示只提供电能的元件等。
上述元件的一个共同特点是都只有两个端钮，故称为二端元件（或称单口元件）。除二端元件外，往往还需要四端元件（或称双口元件），如受控源、理想变压器、耦合电感等。
“集总”的含义是：元器件中的电场和磁场可以分隔，并分别加以表征和研究，即元器件中交织存在的电场和磁场之间不存在相互作用。但实际上，若电场与磁场间存在相互作用时将产生电磁波，这样电路中的一部分能量将通过辐射而损失掉。
由此可见，上述集总假设的使用是有条件的，只有在辐射能量可以忽略不计的情况下才能采用集总假设，即当实际电路元件或部件的外形尺寸远比通过它的电磁波信号的波长小得多，可以忽略不计时，方可采用集总假设。
这种元件和部件称为集总元件，是抽象的理想元件模型，由集总元件构成的电路模型，称为集总电路。
例如，我国电力用电的频率为50 Hz，对应的波长为6 000 km。对一般的用电设备和其中的元器件而言，其尺寸与这一波长相比完全可以忽略不计，因此集总假设的概念是完全适用的。但对远距离输电线来说，就必须考虑到电场、磁场沿电路分布的现象，不能用集总参数而要用分布参数来表征。
电路的电性能可以用一组表示为时间函数的变量来描述，最常用到的是电流、电压和电功率。本书中各电量单位都采用国际单位制。
自然界中存在正、负两种电荷，在电源的作用下，电路中形成了电场，在电场力的作用下，处于电场内的电荷发生定向移动，形成电流，习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的方向。
电流的大小称为电流强度（简称电流），是指单位时间内通过导体横截面的电荷量，即
式中，电荷 q 的单位为库［仑］（C）；时间 t 的单位为秒（s）；电流 i 的单位为安［培］（A）。除了A外，常用的单位有毫安（mA）、微安（μA），它们之间的换算关系如下：
如果电流的大小和方向不随时间变化，这种电流称为恒定电流，简称直流，一般用大写字母 I 表示。
如果电流的大小和方向都随时间变化，则称为交变电流，简称交流，一般用小写字母 i 表示。
电压是指电场中两点间的电位差（电势差），电压的实际方向规定为从高电位指向低电位，即
式中，d q 为由a点转移到b点的正电荷量，单位为库［仑］（C）；d W 为转移过程中电场力对电荷d q 所做的功，单位为焦［耳］（J）；电压 u （ t ）的单位为伏［特］（V）。
如果正电荷由a点转移到b点，电场力做了正功，则a点为高电位，即正极，b点为低电位，即负极；如果正电荷由a点转移到b点，电场力做了负功，则a点为低电位，即负极，b点为高电位，即正极。
如果正电荷量及电路极性都随时间变化，则称为交变电压或交流电压，一般用小写字母 u 表示；若电压大小和方向都不变，称为直流（恒定）电压，一般用大写字母 U 表示。
在实际问题中，电流和电压的实际方向事先可能是未知的，或难以在电路图中标出，例如交流电流，就不可能用一个固定的箭头来表示其实际方向，所以引入参考方向的概念。参考方向可以任意选定，在电路图中，电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向（也称参考极性）则在元件或电路的两端用“＋”“－”符号来表示，“＋”号表示高电位端，“－”号表示低电位端；有时也用双下标表示，如 u AB 表示电压参考方向由A指向B。
如果电流或电压的实际方向（虚线箭头）与参考方向（实线箭头或“＋”“－”）一致，则用正值表示；如果两者相反，则为负值，如图2-18所示。这样，可利用电流或电压的正负值结合参考方向来表明实际方向。
图2-18 参考方向
在分析电路时，应先设定好合适的参考方向，在分析与计算的过程中不再任意改变，最后由计算结果的正、负值来确定电流和电压的实际方向。
如果指定流过某元件（或电路）的电流参考方向是从标以电压的正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向；当两者不一致时，称为非关联参考方向，如图2-19所示。
图2-19 关联参考方向
在分析计算电路时，对无源元件常取关联参考方向，对有源元件则常取非关联参考方向。
电功率表示电路或元件中消耗电能快慢的物理量，定义为电流在单位时间内所做的功，即
当时间 t 的单位为秒（s），功 W 的单位为焦［耳］（J）时，功率 p 的单位为瓦［特］（W）。
设定电流和电压为关联参考方向时，由式（2-2），有d W ＝ u （ t ）d q ，再结合式（2-3），有
此时把能量传输（流动）的方向称为功率的方向，若 p （ t ）＞0，表示此电路（或元件）吸收能量，此时的 p （ t ）称为吸收功率；若 p （ t ）＜0，表示此电路（或元件）发出能量，此时的 p （ t ）称为发出功率。
对于 p （ t ）＝ u （ t ） i （ t ），当设定电流和电压为非关联参考方向时，若 p （ t ）＞0，表示此电路（或元件）发出能量，此时的 p （ t ）称为发出功率；若 p （ t ）＜0，此电路（或元件）吸收能量，此时的 p （ t ）称为吸收功率。
根据能量守恒定律，对于一个完整的电路来说，在任一时刻各元件吸收的电功率的总和应等于发出电功率的总和，或电功率的总代数和为零。
【 例 2-2 】图2-20所示电路中已标出各元件上电流、电压参考方向，已知 i ＝ 2 A， u 1 ＝ 3 V， u 2 ＝－8 V， u 3 ＝5 V，试求各元件吸收或发出的功率，并验证整个电路的电功率是否平衡。
解 ：对元件1和元件2，其上的电压和电流为关联参考方向，有
图2-20 例2-2图
对元件3，其上的电压和电流为非关联参考方向，有
电路吸收的总功率为
电路发出的总功率为
p 发 ＝ p 2 ＝ 16 W
可见 p 发 ＝ p 吸 ，总功率平衡。
功率平衡的规律可用于电路设计或求解电路的结果验证。
在电压、电流选定关联参考方向时，电路从 t 0 到 t 时间内所吸收的电能 W 为
电能的单位是［焦耳］（J），在电力系统中，电能的单位通常用千瓦时（kW·h）来表示，也称度（电），它们之间的换算关系为
1度（电）＝ 1 kW·h ＝ 3.6 × 106 J
注意，实际的电气设备都有额定的电压、电流和功率限制，使用时不要超过规定的额定值，否则易使设备损坏。超过额定功率称为超载，低于额定功率称为欠载。
在电路理论中，实际的元件是用理想化的电路元件的组合来表示的。理想的电路元件有二端元件和多端元件之分，又有有源、无源的区别。本书所涉及的无源理想二端元件有电阻、电感和电容，无源理想多端元件有晶体管、运算放大器、变压器等；有源元件有理想电压源和理想电流源。
每一个理想电路元件的电压 u 或电流 i ，或者电压与电流之间的关系都有着确定的规定，例如电阻元件上的电压与电流关系为 u ＝ f （ i ）。这种规定充分地表征了此电路元件的特性，称为元件的约束。有时，在元件约束里也用到电荷 q 和磁通 Ф （或磁通链 ψ ）等，如电容元件上电荷与电压的关系为 q ＝ f （ u ），电感元件上磁通链与电流的关系为 ψ ＝ f （ i ）。
如果表征元件特性的代数关系为线性关系，对应的元件称为线性元件；否则称为非线性元件。
如果元件参数是时间 t 的函数，对应的元件称为时变元件；否则称为时不变元件，元件参数为常数。
本书所涉及的元件大部分为线性时不变元件，且大多为二端元件。
电源是一种把其他形式的能量转换成电能的装置。任何电路工作时都首先要由电源提供能量，实际的电源种类多样，有电池、发电机、信号源等。电池能把化学能转换成电能，发电机能把机械能转换成电能，信号源是指能提供信号的电子设备。近年来，新能源的应用发展很快，如太阳能和风力发电等。
独立源是从实际电源中抽象出来的一种电路模型，分为独立电压源（也称理想电压源，简称电压源）和独立电流源（也称理想电流源，简称电流源）。电压源的电压或电流源的电流一定，不受外电路的控制而独立存在。
电压源的端电压为定值 U s 或者是一定的时间函数 u s （ t ），与流过它的电流或其他支路的电流无关。当电流为零时，其两端仍有电压 U s 或 u s （ t ）。独立电压源的符号及特性曲线如图2-21所示。
图2-21 独立电压源的符号及特性曲线
端电压为定值 U s 的电压源，称为直流（恒定）电压源；端电压是一定的时间函数 u s （ t ）的电压源，称为交变电压源；端电压随时间做周期性变化且在一个周期内的平均值为零的电压源，称为交流电压源。
在 u-i 平面上，电压源在 t 1 时刻的伏安特性曲线是一条平行于 i 轴且纵坐标为 u s （ t 1 ）的直线，如图2-21（c）所示。特性曲线表明了电压源端电压与电流大小无关。
电压源两端的电压由其本身独立确定，而流过它的电流并不是由电压源本身所能确定的，而是和与之相连接的外电路有关。电流可以从不同的方向流过电压源，因而电压源既可以对外电路提供能量，也可以从外电路接收能量，视电流的方向而定。因此，电压源是一种有源元件。
理想电压源实际上不存在，但通常的电池、发电机等实际电源在一定的电流范围内可近似地看成是一个理想电压源。也可以用电压源与电阻元件来构成实际电源的模型，本书在后面再讨论这个问题。此外，电压源也可用电子电路来辅助实现，如晶体管稳压电源。
独立电流源也是一种电路模型。电流源是一种能产生电流的装置。例如光电池在一定条件下，在一定照度的光线照射时就被激发产生一定值的电流，该电流与照度成正比，该光电池可视为电流源。
流过电流源的电流为定值 I s 或者是一定时间的函数 i s （ t ），与其两端的电压无关。当电压为零时，其发出的电流仍为 I s 或 i s （ t ）。
独立电流源的元件符号如图2-22（a）所示，在表示直流（恒定）电流源时， i s （ t ）＝ I s ，箭头表示电流的参考方向，对已知的直流电流源，常使参考方向与实际方向一致。
图2-22 独立电流源的符号及特性曲线
电流是一定时间函数 i s （ t ）的电流源，称为交变电流源；电流随时间做周期性变化且在一个周期内的平均值为零的电流源，称为交流电流源。
在 u-i 平面上，电流源在 t 1 时刻的伏安特性曲线是一条平行于 u 轴且横坐标为 i s （ t 1 ）的直线，如图2-22（b）所示。特性曲线表明了电流源端电压与电流大小无关。
电流源的电流由其本身独立确定，而其两端的电压并不是由电流源本身所能确定的，而是和与之相连接的外电路有关。电流源两端电压可以有不同的极性，因而电流源既可以对外电路提供能量，也可以从外电路接收能量，视电压的极性而定。因此，电流源是一种有源元件。
理想电流源实际上不存在，但光电池等实际电源在一定的电压范围内可近似地看成是一个理想电流源。也可以用电流源与电阻元件来构成实际电源的模型，本书将在后面再讨论这个问题。此外，电流源也可用电子电路来辅助实现。
受控源又称非独立源，也是一种理想电路元件，具有与独立源完全不同的特点。以受控电压源为例，它的电压是受同一电路中其他支路的电压或电流控制的。
受控源原本是从电子器件中抽象而来的。例如，晶体管的集电极电流受基极电流控制，运算放大器的输出电压受输入电压控制，场效应管的漏极电流受栅极电压控制等。
受控源是一种四端元件，它含有两条支路，一条是控制支路，另一条是受控支路。受控支路为一个电压源或一个电流源，它的输出电压或输出电流（称为受控量）受另外一条支路的电压或电流（称为控制量）的控制，该电压源、电流源分别称为受控电压源和受控电流源，统称为受控源。
①电路基础知识包括电路、电路模型的概念。
②电路分析的电量包括电压、电流、电功率。
③电路由电阻、电容、电感等元器件组成。