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第一章电路的基本概念和基本定律
§1-1电路模型
1.1.1元件模型与电路模型
模型(model)就是模拟原型(所要研究的系统的结构
状态或运动状态)的形式。是系统或过程的简化、抽象和
类比表示。它不再包括原型的全部特征,但能描述原型的
本质特征。
电路分析中,常借助图形、符号和数学公式、数学语
言描述模型,藉以定性、定量分析。譬如电阻,其在电路
图中的图形如图1.1所示,符号为R,其伏安特性为
R=UsI
这就用图形、符号、数学公式描述了理想线性电阻这一模
型。之所以是理想模型,是因为理想化的电阻和实际的电
阻器有很大不同。
图1-1电阻模型
1.电阻模型是一种抽象化纯粹化的概念模型,它反映的
是消耗电能的特征。不是电阻元件的也可以表示为电
阻模型。例如在电路模型中,为反映电灯泡的耗电特
性,可将其抽象为一个电阻模型。通过这种抽象,我
们就可以用电阻来反映这类器件消耗电能的特征,而
抽掉了实际部件的材料、重量、外观、尺寸等差异,
提炼出它们共性的关键本质。
2.实际电阻器未必可以只用一个电阻模型表示。例如通
过交流电时,它不但具有电阻,电阻器内部各个部分
相互之间具有电容,还具有某些电感,体现出分布参
数特点。(其原理在后续电磁场课程中学习。)
不止电阻,在电磁场作用下,沿电路分布有非电容形态
的电容、非电感形态的电感等。电阻、电导、电容和电感沿
电路分布的电路,称为具有分布参数的电路,也简称分布参
和电压随时间和一个空间坐标(分布)变化,所以它们是两
个变量的函数。这就使分析电路相当复杂。
但是,不是在所有情况下都必须考虑发生在交流电路中
的全部物理过程,相反,在大部分情况下可以做一系列假定,
以显著地简化问题,同时并不导致与实际情况有明显的偏差。
这些假定包括:
(1)每种理想元件只反映一种基本电磁现象。
(2)电场、磁场只集中在相应元件的内部,而不发生在元
件与电路的连接之间,也不发生沿电路的分布上。
(3)电能的传输是瞬间完成的。也就是其传输不需要时间。
以上假定称为集中假定或集总假定。
符合以上假定的元件,称之为集中参数元件,也称为集
总参数元件。由其组成、并符合以上假定的电路,称之为集
中电路模型或集总电路模型,也称为集中参数电路或集总参
路。
何时可以忽略分布参数,何时不可以忽略?也就是如何
界定分布参数电路和集总参数电路?
其界定准则为:如果电压和电流的变化速度是如此之慢,
即在电磁波沿电路传播的时间内,在任何方向上电压和电流
的变化与研究的工况下它们的全部变化相比保持很小,则该
电路可视为集总参数电路。
换言之,当实际电路的尺寸远小于其工作时的最高工作
频率所对应的波长,即可按集总参数模型处理。
经此集总假设,可以抽象出具有某种确定电磁性能的理
想元件。如理想电阻元件,既不储存电能、也不储存磁能、
只消耗电能;理想电容元件,既不消耗电能、也不储存磁能、
只储存电能;理想电感元件,既不消耗电能、也不储存电能、
只储存磁能。
自此往后,集总假设是本教材的基本假设,是后面介绍
的电路定律、定理、方法论的前提。本教材只讨论集总参数
电路,不讨论分布参数电路。另外厘清一点,集成电路和集
总电路是两个完全不同的范畴和概念,初学切勿混淆。
建立起模型的概念,对理解电路和电路模型非常有帮助。
宏观上讲,电的用途有两类:一是供给能量,二是承载信息。
例如电灯,不通电就无法照明;又如电扇,不通电就无法旋转。
此时的电体现的是供给能量的功能。例如电话之所以能通信,
利用的是藉由电来传输编码信号,此时的电体现的是承载信息
的功能。譬如电视,不通电就无法显示图象。这体现出了电的
双重功能,一是为电视供给能量,二是承载传递图象信息。又
如电梯,不通电就无法工作,不按楼层按钮它就不知道该把乘
客送到几楼。这同样体现出电的双重功能,一是供电,二是
按按钮产生一个电信号,这个信号承载的是指令信息,藉由这
一电信号控制电路工作。
以上例子中涉及的设备,拆开后就可以看到由灯泡、电动机、
电阻器、电感器、电容器、二极管、三极管、电源供
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