“实用”的电路教材

-“Electric Circuits”(7th ED)详述

王曙鸿

（西安交通大学电气工程学院  教授）

“Electric Circuits”（第7版）作者是James W. Nilsson和Susan A. Riedeli，由Prentice Hall出版，该书第一版发行于1983 年,到2005 年已出第7版，是北美和欧洲许多大学广泛采用的教材,影响深远。2001年的第6 版和第7 版引起读者的很大兴趣。电子工业出版社已出影印本,并由北京电子科技学院冼立勤老师等译为中文,书名为《电路》,并已由电子工业出版社出版(2005 年)。

Nilsson 教授长期执教于美国依阿华州立大学,并担任圣母大学、加州工学院和美国空军学院的客座教授,著有电路、线性系统、电子学等领域的多种教材。该书被IEEE Spectrum 杂志称为“电路理论的经典之作”,作者还获得IEEE 本科教学奖。

“电路”第七版内容全面、丰富，涵盖了“电路”课程的基本概念和知识点，全书可分为五个部分，第一部分是电阻电路部分，包含电路变量、电路基本元件（非储能元件）、基尔霍夫定律电阻电路联接、电阻电路系统分析方法和电路定理和运算放大器等。第二部分是电路瞬态分析，包括动态元件、一阶和二阶电路。第三部分是正弦稳态电路，包括正弦稳态分析方法、功率和三相电路。第四部分是网络函数部分，包括拉氏变换及其应用、有源和无源滤波器电路、傅立叶级数和傅立叶变换等。第五部分是二端口网络。不论对于电力类专业还是电子类专业，这些内容都是合适的。如果某些专业开设信号与系统部分，可以不讲第四部分。 

 该书具有以下特点：

（1）大量的工程实例的介绍

在每章开始时都引入自生活现实一个工程实际的例子，在讲述全章基本概念之后,再运用所学知识对此案例进行详细讨论。表1列出了全书各章中的实例说明、详细分析和相关习题。

表1  Electric Circuit（7^th Edition）实例

以第二章“电路元件”中的实例引入及分析为例。首先第二章开篇介绍实例“用电安全（一）”。从人们日常熟悉的“高压危险”入手，指出电能如同所有形式能量一样，都会对人造成伤害，静电火花会给人带来惊吓，但真正有危险的是电流和电流在人体中流过的方式。之所以用“高压危险”作为警示，是因为用电压描述电能的产生传输和分配比用电流方便。电源可以产生特定的电压，但人体中流过的电流大小和流动方式则不易确定。

第二章末，对“用电安全”这个实例再次做了进一步的阐述，建立一个简化的人体电阻电路模型，用不同电阻等效人体的臂、腿、躯干（包括心脏）、头部，在不同电压作用下，这可求出各部分近似电流。在这一实例的进一步阐述中，分析了电流对人体的危害包括破坏神经系统，肌肉系统而导致呼吸停止，心脏骤停，供氧困难。从而危害生命，并给出了不同电流级别对人们的不同危害。

体现作者匠心独运的是在每章习题中，编写了一系列与本章实例有关的习题，将实例分析更加形象化，使读者对这部分的概念更加深刻。在第二章章末习题中，题2.34至2.38共有5题均为采用人体等效电路模型，对“用电安全”进行模拟计算，如题2.36通过计算人体各部分在特定电压冲击下的功率及损耗计算出发热量及体温升高5℃的时间，从而从定量上给出安全用电的本质。

这一章的内容是讲授电路元件，而重点要介绍电压和电流及它们之间的关系。从“用电安全”入手，引出电压电流关系即元件的VCR（Voltage and Current Relationship）对分析电路的重要性，对于“用电安全”，实际人体需要化简成电路元件或电路元件的组合，这样才能通过元件电压电流关系及相应的分析方法，获人体中近似但是够精确的电流分布及大小，这样，本章中将要介绍的电路元件及其电压电流关系将对“用电安全”的理解至关重要。

第二章的实例仅仅是本书的一个简单例子，作者将其写得非常丰富和细致，可以看出，本书在实例引入，分析和深度理解，从而加深对电路基本理论的掌握上是独具匠心的。

（2）突出基本概念，基本方程，基本方法，推导详尽。

 以互感概念的讲授为例，互感概念是电路中的重点和难点，它与线圈形式，位置，周围媒质都有关系，如何准确地，清晰地让学生掌握互感的概念，无疑对作者是一个挑战。

本书对互感及耦合系数进行了推导，并引入了磁导的概念，这在其它教材中并不多见。利用空心变压器模型，作为互感的推导，将线圈１、２的耦合磁通联和自感磁通链分别定义为 和 ，这样线圈１总的磁通链 ，这里P₁₁是φ₁₁所占有空间的等效磁导而P₂₁是φ₂₁所占有空间的等效磁导，而P₁是φ₁所占有空间的等效磁导，而等效磁导则与线圈形状，位置空间媒质分布有关。

通过法拉第电磁感应定律推导出 ，也就是说，互感与什么因素有关呢？互感与两个有耦合关系得线圈绕组匝数成正比，而P₁₂则与两个线圈耦合的磁通链所占有的空间材料特性和分布有关。并进一步推导了耦合系数与等效磁导的关系。说明耦合系数与线圈形状、位置及媒质分布有关，这样对互感的讲授，建立了互感与空间媒质的关系，从而使学生对互感的理解更加深刻。

（3）练习题目很有特色。

本书的练习包括章末习题和各节的评估测试题及推荐习题。

每章章末的习题是这本书的一个重要的组成部分。第一，全书18章中，每章的章末习题平均在50道左右，习题是很大。第二，通过习题解算，使学生掌握已学的各个知识点，都是非常有好处的。第三，习题的编写突出概念，可以帮助学生加深对概念的理解。第四，通过在习题中不断提出问题，拓宽学生的知识。第五，通过习题，向学生介绍电路的设计理念。第六，对习题加以标识，以强调习题的侧重点。以第10章“正弦稳态功率计算”的章末习题为例，来看之本书章末习题的特点。

第10章讲授的内容包括瞬态功率，平均功率，无功功率，表现功率，复功率和最大平均功率，传输问题等知识电，一共70道习题，在章末习题中，题10.6显得匠心独运，电流电压并非正弦函数，但为周期的阶梯波函数，通过求解有效值和平均功率，告诉读者，只要信号是周期的，有效值和平均功率的定义就能成立。

题10.50从题面看不仅仅是一个最大平均功率传输问题，而且由于存在耦合电感，题中第2问输入空心变压器的平均功率有百分之几传到了负载上，便是引导学生进一步思考耦合电感的功率问题。题10.66-10.70是针对本章介绍的工程实例“吹风机电路设计”而出的，在给定不同功率级别和不同电源电压等级下，通过实际练习，使读者掌握电热丝电阻的联结和阻值确定。

全书各节则有评估测试题，将本节的重点以习题形式呈现给读者，并配以答案，与其它教材不同的是，本书给出了与本节重点相关的推荐章末习题，从而使读者了解章末各习题的考察点。

工具如PSPICE的引入和介绍，这在现在的一些国内教材中也可看到，不同于其它电路教材， “电路”第七版限于篇幅，将计算机辅助分析部分，如PSPICE的介绍，另行成册出版。但这本书中可用PSPICE求解的章末习题则用图标表示，并在另行成册提的增补出版物中提供这些习题的仿真文件。

（4）附录安排合理

内容合理的附录内容，对“电路”（第七版）增色不少， 附录是对正文中内容的重要补充和扩展，为了突出正文中的重点，才将这些内容放在附录中。该书的附录包括线形方程组得求解，复数的概念和运算，三角恒等式简表和积分简表等数学知识的复习，可以方便读者查阅。将分贝、波特图等工程知识放在附录中，第14章、第15章的关于滤波器的概念本身，如读者对分贝、波特图不熟悉，可以在附录中找到讲述。附录中，对耦合电感的去耦等效问题进行了补充，不仅仅介绍了T型等效，论述了π型等效，为了在等效电路中解决负电感这一在实际电路不能实现的元件，还建立了用理想变压器表示的等效电路。分贝、波特图和去耦等效，这些内容还包括了例题，以便读者切实掌握，这在其它“电路”教材中并不多见。

（5）内容丰富，适用读者范围广，学时安排灵活。

本书特点是将能量产生、传输、分配与信号处理等知识融合在了一起。因此，内容丰富，读者可以掌握电能、电子技术、信号与系统的基本知识和实践背景。

我国著名电路、信号与系统教育家郑君里等先生曾指出：该教材的形成背景源于教学实践, 编写指导思想将课程性质定位为理论与实践并重, 努力体现电路课程为信号处理与能量处理的应用服务。精心选择多种实例为基本理论的讲述增添了活力, 使课程内容充满时代气息。这些实例涉及当代信号处理技术的多种领域,也包括能量处理的应用, 二者密切结合。特别要指出, 所谓“能量处理”应用的概念, 并非局限于电力系统分析。Nilsson的教材虽然没有讲晶体管外特性, 但是在许多实例中对此已很难回避。例如在第7 章一阶RC 电路的习题7.97和7.101中分别讨论多谐振荡器和单稳态触发器的电路原理, 并计算其时间常数。这是配合本章主题精心选择的非常生动的两个练习题。题中的两只晶体管分别用T1和T2两个三端元件表示,并简要说明了它们受控开关的特性,实际上已经为学生初步建立了晶体管外特性的概念。很明显, 为了讲好应用例子, 很难把电路与电子学进行切割。可以说该书的选材风格已经为电路与电子密切结合的改革理念创造了呼之欲出的氛围。Nilsson没有系统讲授图论和状态方程的知识, 为了加强模块化概念的建立, 注重运放原理及其应用的讨论。Nilsson 在第5章给出。后续许多章节中更容易加强这方面的应用举例, 从而涉及的领域相当广泛,内容丰富。

因此，本书既适合于本科专业学习、也可作为专科专业教材；既适合电气工程专业教师和学生使用，也可作为电子、信息类教材。书中18章内容，针对各专业各层次的教学目的要求、学时长短、相关课程安排的不同，教师可灵活选取。该教材的前言部分也给出了部分参考意见。

综上所述，Nilsson编写的“Electric Circuit”(7^th Edition)是一本实用的教材，值得推广和借鉴。

参考文献：