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1、电路理论的历史与发展概况电路理论作为一门独立的学科出现于人类历史中大约已有200多年了，在这纷纭变化的200多年里，电路理论从那种用莱顿瓶和变阻器描述问题的原始概念和分析方法逐渐演变成为一门抽象化的基础理论科学，其间的发展和变化贯穿于整个电气科学的发展之中。如今它不仅成为了整个电气科学技术中不可缺少的理论基础，同时也在开拓和发展新的电气理论和技术方面起着重要的作用。 电路理论是一个极其美妙的领域，在这一领域内，数学、物理学、信息工程、电气工程与自动控制工程等学科找到了一个和谐的结合点，其深厚的理论基础和广泛的实际应用使其具有旺盛持久的生命力。因而，对于许多有关的学科来说，电路理论是一门非常重要
2、的基础理论课。 一般来说，电路理论的教学是从微观出发，对各种电气技术及其理论进行深入细致地分析和探讨，其教学目的是让学习者从微观上对电路理论融汇贯通，以求能够解决实际的电路问题。然而，在这种微观教学中进行一定的宏观引导却是非常重要的，因为当今的电路理论已从一门较单纯的学科演变成了许多学科所共有的基础理论，这个演变的过程充满了人类智慧的结晶，充满了科学思想甚至哲学概念上的进化，因此若能将电路理论的起源、演变过程及发展趋势充实于教学内容中，从宏观上让学习者对电路理论有一个较全面的认识，则不仅对学习者学习本课程以及其它有关的专业技术课程有一定的帮助，同时也会对学习者未来的工作和研究产生非常好的综合启
3、发作用。1. 历史的回顾 电，这个词来源于古希腊语“琥珀(elektron)”，琥珀是一种树脂化石。大约在公元前600年,古希腊人第一次产生了电场，其方法是用一块丝绸或毛皮与琥珀棒摩擦。后来，科学家们指出，其它一些材料例如玻璃、橡胶等也具有类似琥珀的特性。人们注意到有一些带电的材料被带电的玻璃片所吸引，而另一些却被排斥，这说明存在两种不同的电。本杰明.富兰克林称这两种电(或电荷)为正电和负电（正电荷或负电荷）。法国科学家查利奥古斯丁库仑（Charlse-Augustin de Coulomb ）和英国科学家卡文迪什(Cavendish)在十八世纪研究了这种靠摩擦产生的静电，发现了这种电所遵循的
4、规律，这个规律被称为库仑定律(178年)。然而对这种静电所进行的研究及其成果并未能使人类在电科学领域中取得任何重大的进展，原因是这种静电场极难维持连续不断的电流。真正的突破是从1800年伏打(Alessandro Voltar)发明化学电池后开始的。意大利物理学家伏打发现：当把两个不同的电极(例如锌和铜)浸入电解液中，就会产生电位差，这就是电池的原理。后人采用伏特作为电压的单位，以纪念科学家伏打。由于伏打电池使电流连续成为可能，因而使很多电的实验变得简单可行，于是在短期内就有了一系列重要的发现。比如，1820年奥斯特(H.C.Oersted)发现，罗盘指针在载流导体旁会发生偏转，于是他断定：电
5、荷的流动产生了磁。这一发现揭开了电学理论的新的一页。1825年安培(A.M.Ampere)提出了描述电流与磁之间关系的安培定律，同时毕奥和沙伐尔也用实验表明了电流与磁场强度的关系。后人为纪念安培，取其名作为电流的单位。1827年德国物理学家欧姆(G.S.Ohm) 在他的论文“用数学研究电路”中创立了欧姆定律。这个定律现在看来很简单，但在当时欧姆将电在导体中运动的现象进行简化分析的观点却受到同时代科学家的嘲笑和非难，周折近三十年后才被肯定，这时欧姆也才获得教授职位。英国科学家法拉第(M.Faraday)在认识到电流能产生磁之后，花了十年功夫，企图证明磁场能产生电流。他致力于互感的研究，1831年
6、他终于成功地证明了：如果贯穿线圈的磁链随时间发生变化，则在线圈中将感应出电流。这个结论被称为法拉第电磁感应定律。同时他还发现，电路中感应电动势的特性决定于与电路交链的磁通的大小和与电路交链的磁通的变化率。在电磁现象的理论与实用问题的研究上，德国物理学家海因里希楞次（Heinrich Friedrich Lenz）作出了巨大的贡献。1833年他建立了确定感应电流方向的定则(楞次定则)，其后，他致力于电机理论的研究，并提出了电机可逆性原理。1844 年，楞次与英国物理学家焦耳(J.P.Joule)分别独立地确定了电流热效应定律(焦耳楞次定律)。1834年，与楞次一道从事电磁现象研究工作的雅可比制造
7、出世界上第一台电动机。然而，真正使电机工程得以飞跃发展的是三相系统的创始者俄罗斯工程师多里沃多勃罗沃尔斯基，他不仅发明和制造了三相异步电动机和三相变压器，还首先采用了三相输电线。当法拉第发现电磁感应现象后，就提出了“场”的一些初步但极为重要的概念来解释他的发现，但令人遗憾的是，由于法拉第不精通数学，因而未能从他的发现中再前进一步去建立电磁场理论，但自此开始，电与磁的研究就分别在“路”与“场”这两大密切相关的阵地上展开来了。 电磁场科学理论体系的创立要归功于伟大的物理学家同时也是数学教授的麦克斯韦(J.CMaxwell)。 1864年，他集前人之大成创立了不朽的麦克斯韦方程组，以严格的数学形式描
8、述了电与磁的内在联系，同时他还发表了存在电磁波的伟大预言。他的理论和预言后来在1887年被赫兹(H.R.Hertz)用实验所证明，从而又开创了无线电及电子科学的新纪元。 为电路理论奠定基础的是伟大的德国物理学家基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)。1847年，刚满23岁的大学生基尔霍夫发表了划时代论文“关于研究电流线性分布所得到的方程的解”，文中提出了分析电路的第一定律(电流定律KCL)和第二定律(电压定律KVL)，同时还确定了网孔回路分析法的原理。后人曾从电磁场理论体系的核心麦克斯韦方程组推导出电路理论体系的核心KCL和KVL，这充分表明了电磁场问题与电路问题之间存在着必然的内在联系和辩证
9、的统一。从电路理论发展进程及其所包含的内容来看，人们常把欧姆(1827年)和基尔霍夫(1847年)的贡献作为这门学科的起点，从这个起点到20世纪 50年代的这一段时期被称为“经典电路理论发展阶段”，而把20世纪60年代到70年代这一段时期称为“近代电路理论发展阶段”，20世纪70年代以后的时期被称为“电路与系统理论发展阶段”。（1） 经典电路理论发展阶段 这一阶段历经约100年，在这100年中,除了前面提到过的欧姆和基尔霍夫的贡献之外，重要的成果还有：1832年亨利（J.Henry）发现自感现象；1843年发明了惠斯登(Wheatstone)电桥；1853年亥姆霍兹（H.Von Helmhol
10、tz）首先使用等效电源定理分析电路，但这个定理直到1883年才由戴维南（L.C.Thevenin）正式提出发表，因此后人称其为戴维南定理；1873年麦克斯韦在他的巨著Treatise on Electricity and Magnetism(这是电气科学技术史上的第一部专著)中确立了节点分析法原理；1894年斯坦梅茨（C.P.Steinmetz）将复数理论应用于电路计算；1899年肯内利（Kennelly）解决了变换；1904年拉塞尔（R.Russell）提出对偶原理；1911年海维赛德（O.Heaviside）提出阻抗概念，从而建立起正弦稳态交流电路的分析方法；1918年福特斯库（Forte
11、scue）提出三相对称分量法，同年巴尔的摩（Baltimore）提出了电气滤波器概念；1920年瓦格纳（Wagner）发明了实际的滤波器，同年坎贝尔Campbell提出了理想变压器概念；1921年布里辛格（Breisig）提出了四端网络及黑箱概念；1924年福斯特（Foster）提出电抗定理；1926年卡夫穆勒（Kupfmuller）提出了瞬态响应概念；1933年诺顿（L.Norton）提出了戴维南定理的对偶形式诺顿定理；1948年特勒根（B.D.H.Tellegen）提出了回转器理论，这一器件后于1964年由施诺依（B.A.Shenoi）用晶体管首先实现；特勒根还于1952年确立了电路理论中
12、除了KCL和KVL之外的另一个基本定理特勒根定理。以上这些重要成果基本上组成了经典电路理论的实体。 在电路理论与电磁场理论不断丰富和发展的同时,又孕育了一门新的科学技术无线电通讯与无线电广播。引出这门新技术的是实际利用电磁波为人类服务的一些重要成果：1837年莫尔斯（F.B.Morse）发明了有线电报；1876年贝尔（A.G.Bell）发明了有线电话； 1887年赫兹（H.R.Hertz）用实验证明了电磁波的存在；1895年马可尼(GMarconi)和波波夫(.)几乎同时发明了无线电；而无线电通讯技术中的一个最重要的进展是真空三极管的发明，1883年美国发明家爱迪生(Thomas.Alva.E
13、dison)发现了热电子效应，在这一发现的启示下，1904年佛莱明（J.A.Fleming）发明了真空二极管，继之于1906年福里斯特（L.De.forest）成功地发明了真空三极管，从而使得无线电通讯与广播事业加速发展起来。随着这些发展相继又引出了许多新的概念和装置，比如，真空管的发明首先导致了振荡器的制造；而局部负反馈的应用使得多路载波通讯所需的宽频带放大器的设计成为可能；另一方面长途通讯中作为增音机用的放大器的设计理论也被提出了。 在滤波器理论方面，传统的影像参数设计理论已显现出不足，于是一种根据规定的插入衰减来设计滤波器的新方法在达林顿(SDarlington)等人的理论工作基础上建立
14、了起来。二次大战时期，滤波器技术向更高频率的方向发展，于是又导致了微波网络理论的建立。1945年贝尔实验室着手实施一个加强的研究计划，以便更好地了解半导体物理基础，实施这个计划的结果是1948年肖克利（W.Shockley）、布拉顿（W.H.Brattain）、和巴登（J.Barden）三人宣布发明了锗点触式晶体管，从而开始了固体电子学的时代。随之又引入了一系列新的概念和装置，这些新概念的引入，使人们开始将电路称呼为电网络，而对这一系列新装置的分析、设计和综合又给电路理论增添了大量新的课题和研究方向。 从发展动力来看，电路理论的早期发展是与长途电话通讯密切相关的。到20世纪30年代,由于电力和
15、电信工程的发展,电路理论已开始面向多学科领域，这时，不仅要以电路理论为基础去研究复杂的电力网络，同时还要对距离日益增加的越来越复杂的电信网络进行分析、设计与综合。进入20世纪40年代后,由于生产的发展和二次大战的需要，除了电力和电信之外，自动控制技术急剧兴起，于是在电气科学技术领域内就形成了鼎足三立的体系：即电力系统、通信系统和控制系统。这三大系统皆以电路理论为基础，同时三大系统又成为推动电路理论向更广泛、更深入的水平发展的动力。 从演变过程看，电路理论最初是属于物理学中电磁学的一个分支，那时仅局限于对实体进行研究，其科学抽象过程是从欧姆定律和基尔霍夫定律出现之后逐渐开始的。科学家们将以欧姆定
16、律为约束的元件示性关系和以基尔霍夫定律为约束的元件互连关系视为电路学科的基本“公理”，并将电路看成是以理想化的集中参数元件组成的系统，进而对各种抽象的(理想化的)基本元件集合组成的结构(系统)进行研究，这一过程使得电路问题中各种复杂的实际器件或设备被简单抽象的基本元件及其组合模拟或等值替代了，这些基本元件就是逐步归纳出来的电阻、电容、电感和电源等。 从方法上看，目前分析电路的方法有三大类，即：时域分析、频域分析和拓扑分析。时域分析方法是人们在电路理论的最初阶段就开始使用的方法，当时对电路的分析也只有这一种方法。时域分析法的先驱是英国工程师海维西特（Oliver Heaviside），海维西特是一个实际工作者，他的兴趣在于电路问题的实际求解，他发现使用符号“p”作为微分算子同时又当作一个代数变量运算的方法在对某些电路问题分析时既方便又有效。然而他并未去探求这种方法的严密论证，因而受到同时代一些主要数学家的不断
