基于DGN的电工基础-1
第 1 部分 电路的基本概念和基本定律
1.1 电路与电路模型
1、实际电路
由电工设备和电气器件按预期目的连接构成的电流的通路。手电筒实际电路如图 1-1 (a) 所示。
实际电路是为完成某种预期目的而设计、安装、运行（也可以是在非预期情况，如短路、漏电等），由电路部件（如电阻器、蓄电池等）和电路器件（如晶体管、集成电路等）相互连接而成的电流通路装置。
电路部件：无源 / 独立储能、耗能基础实体元件，典型举例：电阻器、蓄电池。
电路器件：具备信号变换、放大、开关等可控功能的半导体 / 集成类实体，典型举例：晶体管、集成电路。
| 对比维度 | 电路部件（电阻、蓄电池等） | 电路器件（晶体管、IC 等） |
|---|---|---|
| 工作原理 | 依靠基础电磁、热、化学效应工作电阻：电能→热能；蓄电池：化学能↔电能 | 依靠半导体 PN 结、微电子工艺，实现电信号控制、放大、逻辑运算，具备可控单向导电、开关特性 |
| 功能定位 | 完成能量传输、分配、储能、耗能，是电路的 “能量载体” | 完成信号放大、开关、逻辑运算、信号采集处理，是电路的 “控制核心” |
| 结构复杂度 | 结构简单，单一物理效应，单功能：电阻仅限流分压，电池仅供电 | 结构复杂：晶体管含多层半导体；集成电路内置成千上万晶体管、电阻电容，集成多类功能 |
| 可控性 | 不可控：电阻阻值固定；蓄电池仅输出恒定电压，无法用弱电控制通断 / 幅值 | 电可控：微小基极 / 栅极电压就能控制主回路电流，可实现开关、放大、调制 |
电路中提供电能或电信号的电器件和设备称为电源。消耗电能的电器件和设备称为负载。电源又称为激励或激励源，由激励作用在电路中产生的电压和电流称为响应。根据激励和响应之间的因果关系，也可以把激励称为输入，响应称为输出。
电路的基本功能有能量的传输、分配与转换和信息的传递、控制与处理。
2、电路模型
由理想电路元件取代每一个实际电路器件而构成的电路。手电筒电路模型如图 1-1 (b) 所示。理想电路元件是具有某种确定的电磁性质的假想元件。
电路理论是研究电路的基本规律及其计算方法的学科，采用模型分析法，直接研究对象是电路模型，而不是实际电路。
电路模型是实际电路的科学抽象，它是由电路元件按照一定方式用理想导线连接而成的整体。从实际电路抽象出电路模型，本质上是把构成实际电路的电器件和设备抽象成电路元件的组合体。
注意：同一实际电路部件在不同的应用条件下，其电路模型可以有不同的形式。例如实际线圈在不同使用条件下可以等效成不同的电路模型，如图1-2所示。
1.2 电流和电压的参考方向
1.2.1 电流
1、电流的大小：单位时间内通过导体横截面的电荷量，即：
2、电流的实际方向：正电荷移动的方向。
3、参考方向：分析电路前任意假定的方向，一旦确定一般不再改变。
4、实际方向与参考方向的关系： 如果实际电流方向与参考方向一致，那么电流为正值；实际电流方向与参考方向相反，电流为负值。
或者如果解出的电流为正值，说明假设的参考方向就是实际电流方向；如果解出的电流为负值，说明假设的参考方向与实际电流方向相反；其关系如图 1-3 所示。
1.2.2 电压
1、电压的大小：等于电场力对单位正电荷从 A 点移到 B 点所作的功，即：
2、电压的实际方向：从高电位点 “+” 指向低电位点 “-”。
3、参考方向：分析电路前任意假定的方向，一旦确定一般不再改变。
4、实际方向与参考方向的关系：
如果实际电压方向与参考方向一致，那么电压为正值；实际电压方向与参考方向相反，电压为负值。
或者如果解出的电压为正值，说明假设的参考方向就是实际电流方向；如果解出的电压为负值，说明假设的参考方向与实际电流方向相反；其关系如图1-4所示。
注意：对任何电路进行分析时，应先标出各处的电压、电流的参考方向。
1.2.3 关联参考方向
在分析电路前，电压和电流参考方向可以任意假定，若假定电压和电流的参考方向相同，则称为关联参考方向，否则称非关联参考方向，如图1-5所示。
注意：
(1) 分析电路前必须选定电压和电流的参考方向
(2) 参考方向一经选定，在计算过程中不得任意改变
(3) 参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。
5、电位的概念
电路中某一点到参考点的电压。
参考点的电位等于零。
电路中，电位与参考点的选择有关，参考点改变，电位值改变。
两点间的电压降与参考点的选择无关，参考点改变，两点间电压降不变。
1.3 电功率和能量
1、电功率：单位时间内电场力所做的功：
功率判断：
根据实际方向判断：若u和i实际方向相同则吸收功率，u和i实际方向相反则发出功率。
根据参考方向判断：如图 1-7 所示。
1.4 基尔霍夫定律
1.4.1 名词介绍
1、支路：流过同一电流的分支称为一条支路，则图 1-11 中 b=3。
2、结点：三条和三条以上的支路联接点为结点，则图 1-11 中 n=2。a 和 b 两个结点。
3、回路：由支路组成的闭合路径称为回路。
4、网孔：内部如果不含任何支路的回路。注意：网孔是回路，但回路不一定是网孔。
1.4.2 基尔霍夫电流定律（KCL）
1、定义：集中参数电路中，对任意结点，任何时刻流出该结点的电流的代数和等于零。即：
表明：KCL 可推广应用于电路中包围多个结点的任一闭合面（又称高斯面、广义结点）。
明确：
（1）KCL 是电荷守恒和电流连续性原理在电路中任意结点处的反映；
（2）KCL 是对结点处支路电流加的约束，与支路上接的是什么元件无关，与电路是线性还是非线性无关；
（3）KCL 方程是按电流参考方向列写的，与电流实际方向无关。
1.4.3 基尔霍夫电压定律（KVL）
1、定义：对集总参数电路，任一时刻，沿任一回路绕行一周，电压的代数和恒等于零。
两点间的电压与路径无关。
扩展：KVL也适用于电路中任一假想的回路。