本章主要讲述了电路的基本概念、基本定律及电路分析与计算的主要方法。
首先介绍电路的作用及基本连接方式，其次复习在物理中学过的电流、电压和电动势等基本物理量，在此基础上提出参考方向的概念及电路的工作状态等内容，而后介绍分析计算电路的基本定律——基尔霍夫定律，同时还介绍实际电源的两种存在形式——电压源、电流源及其等效变换，利用电源的等效变换可将复杂电路变换为简单电路进行计算，最后介绍分析和计算电路的三种基本方法——支路电流法、叠加定理和戴维南定理。
1-1电路的组成及作用
１-１-１电路及其组成
把一些电器设备或元件，按其所要完成的功能，用一定方式连接而成的电流通路称为电路。
一个完整的电路是由电源、负载和中间环节（包括开关和导线等）三部分组成。
电源可将非电能如化学能、机械能和原子能等转换为电能，并向电路提供能量；负载是指电路中能将电能转换为非电能的用电设备，如电灯、电动机和电热器等；中间环节是指将电源连接成闭合电路的导线、开关设备和保护设备等，也经常接有测量仪表或测量设备。
如图１-１（a）所示是按实物做出的手电筒电路的示意图，这是最简单的实际电路。它由干电池（电源）、小电珠（负载）和开关（中间环节）三部分组成。
１-１-２电路的作用
电路的作用有两类：一是可以实现能量的传输与转换，其典型实例是电力系统中发电机就是将其他形式的能量转换为电能，再通过变压器和输电线路将电能输送给工厂、农村和千家万户的用电设备，这些用电设备再将电能转换为机械能、热能、光能或其他形式的能量，图１-１（a）、（b）就是一个简单的电力系统电路；二是可以实现信号的传递和转换，例如无线电通信电路和检测电路。
１-１-３电路模型
任何实际电路都是由多种电器元件所组成，例如最简单的手电筒电路或者较复杂的电视机电路等。电路中各种元件所表征的电磁现象和能量转换的特征一般都比较复杂，而按实际电器元件做出电路图有时也比较困难和复杂，因此在分析和计算实际电路时，是用理想电路元件及其组合来近似替代实际电器元件组成的实际电路，这给分析和计算带来很多方便。这种由理想元件组成的与实际电器元件相对应的，并用统一规定的符号表示而构成的电路，就是实际电路的模型，或称电路模型。它是实际电路电磁性质的科学抽象和概括。因此，可以通过分析电路模型来揭示实际电路的性能和所遵循的普遍规律。图１-１（b）是图１-１（a）的电路模型，在图中干电池用电源Us和内阻R０来表示，负载小电珠则用电阻RL表示，开关则用字母S表示，连接导线的电阻值很小，一般都忽略不计而用直线表示。
所谓理想电路元件，是指在一定条件下，突出其主要电磁特性，忽略其次要因素以后，把电器元件抽象为只含一个参数的理想电路元件。基本的理想电路元件有理想电阻R、理想电感L、理想电容C、理想电压源Us和理想电流源Is五种，它们的电路符号如图１-２（a）、（b）、（c）、（d）、（e）所示。前三种理想电路元件的“理想”两字通常可以略去不说，只称为电阻、电感、电容元件。
1．无源元件
电阻元件将电能转换为热能，是一种耗能元件；电感元件以磁场形式储存能量，是一种储能元件；电容元件则以电场形式储存能量，也是一种储能元件。在稳定的直流电路中，电感相当于短路，电容相当于开路，只有电阻元件起作用。这三种元件称为无源元件，电路符号如图１-２（a）、（b）、（c）所示。而理想电压源和理想电流源又称为有源元件，电路符号如图１-２（d）、（e）所示。
2．有源元件
理想电压源的特点是输出恒定电压，其端电压不随输出电流的变化而变化；理想电流源的特点是输出恒定电流，其电流不随输出电压的变化而变化；其波形如图１-３所示。
实际电路元件工作时表现出的电磁现象，可以用理想电路元件或其组合来反映。图１-１（b）中，若忽略内阻时，电源的输出电压就等于其理想电压源电压而与电流无关，具有理想电压源的性质；若考虑内阻时，因为电流在内阻上有电压降，理想电压源电压不变化时，输出电压是随输出电流的变化而变化的。这一变化的特性，可以用一个理想电压源Us与一个内电阻R０相串联的电路模型来表示，如图１-４（a）所示，这是实际电源的电压源模型。
一个实际电源也可以用一个理想电流源Is和内阻R０相并联的电路模型来表示，如图１-４（b）所示，这是实际电源的电流源模型。一般将实际电压源和实际电流源简称为电压源和电流源。
1-2电路的三种状态
１-２-１电路的主要物理量
1-电流
电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。
设在dt时间内通过导体某一横截面的电荷量为dq，则通过该截面的电流强度为在一般情况下，电流强度是随时间而变的。如果电流强度不随时间而变，即dq／dt＝常数，则这种电流就称为恒定电流，简称直流。它所通过的路径就是直流电路。在直流电路中，式（１-１）可写成在国际单位制（SI）中，规定电流的单位为安培（A），即１A＝１C／s。计量微小电流时，以毫安（mA）或微安（μA）为单位，其换算关系为１A＝１０３mA＝１０６μA。
电流的方向习惯上规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向（实际方向）。电流的方向是客观存在的，在简单电路中，可以很容易判断出电流的实际方向，如图１-５（a）中的I１、I２。倘若在图中A、B两点间再接入一个电阻如图１-５（b）所示，那么该电阻中的电流方向就很难直观判断了。另外，在交流电路中，电流是随时间变化的，在图上也无法表示其实际方向，为了解决这一问题，须引入电流的参考方向这一概念。
参考方向是假定的方向。电流的参考方向可以任意选定，在电路中一般用箭头表示。当然，所选的电流参考方向不一定就是电流的实际方向，当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（I０）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（I０）。这样，在选定的参考方向下，根据电流的正负值，就可以确定电流的实际方向，如图１-６所示。
在分析电路时，首先要假定电流的参考方向，并据此去分析计算，然后再从答案的正负值来确定电流的实际方向。如不做说明，电路图上标出的电流方向一般都是指参考方向。
在国际单位制中，电压的单位是伏特（V）。当电场力把１C（库仑）的电荷从一点移到另一点所做的功为１J（焦耳）时，该两点间的电压为１V。计量微小电压时，则以毫伏（mV）或微伏（μV）为单位，计量高电压时，则以千伏（kV）为单位。
电压的方向习惯上规定从高电位点指向低电位点为电压方向（实际方向），即电压降的方向。但在分析电路时，也须选取电压的参考方向。当电压的参考方向与实际方向一致时，电压为正（U０）；相反时，电压为负（U０），如图１-７所示。
参考方向在电路图中可用箭头表示，也可用极性“＋”、“－”表示。“＋”表示高电位，“－”表示低电位。符号可用UAB表示。
在分析和计算电路时，电压和电流参考方向的假定，原则上是任意的。但为了方便，元件上的电压和电流常取一致的参考方向，称为关联参考方向。
在图１-８中，图（a）所示的U与I参考方向一致，则其电压与电流的关系是U＝IR；而图（b）所示的U与I参考方向不一致，则电压与电流的关系是U＝－IR。可见，在写电压与电流的关系式时，式中的正负号由它们的参考方向是否一致来决定。
在电器设备的调试和检修中，经常要测量某个点的电位，看其是否符合设计数值。电位是度量电势能大小的物理量，在数值上等于电场力将单位正电荷从该点移到参考点所做的功，即由此可以看出：电路中任意一点的电位，就是该点与参考点之间的电压，而电路中任意两点之间的电压，则等于这两点电位之差。因此，电位的测量实质上就是电压的测量，即测量该点与参考点之间的电压。电压与电位的关系为现以图１-９为例来讨论电位的计算。在图１-９（a）中，选择０点为参考点，即令可以看出，参考点选得不同，电路中各点电位也不同，但任意两点间的电位差即电压不变。电路中各点的电位高低是相对于参考点而言的，而两点间的电压则与参考点的选择无关，如果不选择参考点去讨论电位是没有意义的。
在电子技术的学习中，经常用电位来分析和讨论问题，这给电路分析带来方便。因此，在电子电路中，往往不再把电源画出，而改用电位标出。
电位参考点的选取原则上是任意的，但实用中常选大地为参考点，在电路图中用符号“”来表示。有些设备的外壳是接地的，凡与机壳相连的各点，均是零电位点。有些设备的机壳不接地，则选择许多导线的公共点（也可以是机壳）做参考点，电路中用符号表示。
在电路中，正电荷在电场力作用下不断从正极流向负极，如果没有一种外作用力，正极因正电荷的减少会使电位逐渐降低，而负极则因正电荷的增多会使电位逐渐升高，故正、负极板间的电位差就会减小，最后为零。为了维持电流，必须使正、负极板间保持一定的电压，这就要借助电源力使移动到负极的正电荷经电源内部移到正极。为了衡量电源力对电荷做功的本领，引出电动势的概念。电动势在数值上等于电源力将单位正电荷从电源负极移到电源正极所做的功，用Us表示。
电动势的方向是在电源内部由低电位端指向高电位端，即电位升高的方向。电动势的参考方向也可用箭头、双下标和“＋”、“－”极性表示。电动势的单位与电压的单位相同，也用V表示。
在国际单位制中，功的单位是焦耳（J），功率的单位是瓦特（W）、还有千瓦（kW）、毫瓦（mW），且１kW＝１０３W＝１０６mW。
在电路分析中，一个电路，电源产生的功率与负载、导线及电源内阻上消耗的功率总是平衡的，遵循能量守恒和转换定律。同时电路中不仅要计算功率的大小，有时还要判断功率的性质，即该元件是产生功率还是消耗功率。根据电压和电流的实际方向可以确定电路元件的功率性质。
当U和I的实际方向相同，即电流从“＋”端流入，从“－”端流出，则该元件是消耗（吸收）功率，属负载性质；当U和I的实际方向相反，即电流从“＋”端流出，从“－”端流入，则该元件是输出（提供）功率，属电源性质。
由此可见，在电路元件上U和I在关联参考方向的条件下，当P为正值时，表明U、I的实际方向相同，该元件是负载性质消耗功率；当P为负值时，表明U、I的实际方向相反，该元件是电源性质提供功率。如果U、I取非关联参考方向，则情况相反。
【例1-2】某电路中的一段支路含有电源，如图１-１１（a）所示，支路电阻为R０＝０．６，测得该有源支路的端电压为２３０V，电路中的电流I＝５A，其关系U＝Us－IR０，试求：（１）此有源支路的理想电压源电压；（２）此有源支路在电路中是属于电源性质还是负载性质？（３）写出功率平衡关系式。
（２）由于有源支路的理想电压源Us大于端电压U，故电流I的实际方向如图１-１１（b）所示。即I与U的实际方向相反，此有源支路在电路中是属于电源性质，它向外电路提供电能。
（３）有源支路理想电压源发出的功率为计算表明，此有源支路中理想电压源发出功率１１６５W，其中１５W消耗于内阻上，１１５０W输出给外电路。
１-２-２电路的三种工作状态
电路有空载、短路和负载三种工作状态。现就图１-１２所示的简单电路来讨论当电路处于三种不同工作状态时的电压、电流和功率的特点。图１-１２中，U１表示电源的端电压（UAB），U２表示负载的端电压（UCD）。
空载状态又称断路或开路状态，如图１-１３所示。电路空载时，外电路电阻可视为无穷大，因此电路特征如下。
（１）电路中电流为零，即I＝０。
（２）电源端电压等于理想电压源电压，即U１＝Us－R０I＝Us，此电压称为空载电压或开路电压，用Uoc即Uoc＝Us表示。由此可以得出近似测量理想电压源的方法。
（３）电源的输出功率P１和负载所吸收的功率P２均为零，P１＝U１I＝０，P２＝U２I＝０。
2-短路状态
当电源的两输出端钮（A、B）由于某种原因相接触时，会造成电源被直接短路，如图１-１４所示。当电源短路时，外电路电阻可视为零，此时电路特征如下。
（１）电源中的电流最大，外电路输出电流为零。此时电源中的电流称为短路电流，大小。
（２）电源和负载的端电压均为零。U１＝Us－R０Isc＝０，U２＝０，此时Us＝R０Isc，表明电源的电压全部降落在电源的内阻上，因而无输出电压。
（３）电源对外输出功率P１和负载所吸收的功率P２均为零P１＝U１I＝０，P２＝U２I＝０。
这时电源电压所发出的功率全部消耗在内阻上，大小为Ps＝UsIsc＝U２s／R０＝I２scR０。
电源短路是一种严重事故，可使电源的温度迅速上升，以致烧毁电源及其他电器设备。
通常在电路中装有熔断器等短路保护装置，但是，有时可以将局部电路短路或按技术要求对电源设备进行短路实验，也属于正常现象。
3-负载状态
电路的负载状态是一般的有载工作状态，如图１-１５所示。此时电路特征如下。
（１）当Us、R０一定时，电路中的电流I＝UsR０＋R由负载电阻R的大小决定。
（２）电源的端电压总是小于理想电压源电压。U１＝Us－R０I，若忽略线路上的压降，则负载的端电压U２等于电源的端电压U１。
（３）电源的输出功率为理想电压源电压发出的功率UsI减去内阻上消耗功率R０I２。
P１＝U１I＝（Us－R０I）I＝UsI－R０I２，可见：电源发出的功率等于电路各部分所消耗的功率之和，即整个电路中的功率是平衡的。
【例1-3】如图１-１６所示的电路可供测量电源。若开关S打开时电压表的读数为６V，开关闭合时电压表的读数为５-８V，负载电阻R＝１０，试求电源的Us和内阻R０（电压表的内阻可视为无限大）。
１-２-３电器设备的额定值
电气设备的额定值是综合考虑产品的可靠性、经济性和使用寿命等诸多因素，由制造厂商提供的。额定值往往标注在设备的铭牌上或写在设备的使用说明书中。
额定值是指电气设备在电路的正常运行状态下，能承受的电压、允许通过的电流，以及它们吸收和产生功率的限额。如额定电压UN、额定电流IN、额定功率PN。如一个灯泡上标明２２０V、６０W，这说明额定电压２２０V，在此额定电压下消耗功率６０W。
电气设备的额定值和实际值是不一定相等的。如上所述，２２０V、６０W的灯泡接在２２０V的电源上时，由于电源电压的波动，其实际电压值稍高于或稍低于２２０V，这样灯泡的实际功率就不会正好等于其额定值６０W了，额定电流也相应发生了改变。当电流等于额定电流时，称为满载工作状态；电流小于额定电流时，称为轻载工作状态；电流超过额定电流时，称为过载工作状态。
【例1-4】某直流电源的额定功率为２００W，额定电压为５０V，内阻为０-５，负载电阻可以调节，如图１-１７所示，试求：（１）额定状态下的电流及负载电阻；（２）空载状态下的电压；（３）短路状态下的电流。
