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電流的秘密：為什麼所有電路都是網絡，但不是所有網絡都是電路？
在我們的日常生活中，從簡單的手電筒到複雜的計算機，電路的存在是無處不在的。然而，許多人對於電路與電氣網絡的實質區別仍然存在困惑。這篇文章將深入探討這兩者之間的關係，讓讀者了解所有電路都是網絡，但並非所有網絡都是電路的原因。
電氣網絡的定義
電氣網絡是指由各種電氣元件（如電池、電阻器、電感器、電容器、開關和晶體管）相互連接而形成的系統。這種連接不僅限於一組元件，也可以是這些元件的模型。電氣元件可以包括電壓源和電流源等。
「所有的電路都是網絡，但不是所有的網絡都是電路。」
電路的特性
電路被定義為一個封閉的迴路，提供電流的返回路徑。因此，所有的電路無疑都是網絡。然而，並非所有網絡都有這種封閉迴路。那些沒有形成閉環的連接，常常會被模糊地稱為「電路」，這是一種不精確的用法。
網絡的分類
按被動性分類
在網絡中，主動網絡至少包含一個可以無限供能的電壓源或電流源。這些源能注入電力，並提供電源增益。而被動網絡則不包含任何主動源，僅由電阻器和電容器等被動元件組成。
按線性分類
線性電氣網絡只能包括電壓或電流源以及線性元件（如電阻器、電容器和電感器）。這種網絡的特性在於可以透過信號的線性重疊進行分析，從而更容易使用法拉第和拉普拉斯變換等頻域方法進行計算。
按長度分類
在設計時，元件被稱為「集中元件」，其電阻、電容或電感被假定在單一位置上。然而，當頻率足夠高或電路足夠長時，這種信念就不再成立。此時，我們需要引入「分布式元件模型」，該模型考慮了電流和電壓的空間分佈。
電源的分類
獨立源與依賴源
根據供能的方式，電源可以分為獨立源和依賴源。獨立源不受電路中其他元件影響，持續提供固定電壓或電流，而依賴源則根據電路中的某個元件的狀態進行供能。
電氣法律應用
多種電氣法律適用於所有線性電阻網絡，包括基爾霍夫電流定律和電壓定律等。這些法律幫助工程師分析電路的行為並為其設計提供基礎。
「基爾霍夫電流定律：進入一個節點的所有電流總和等於離開該節點的所有電流總和。」
設計方法
在設計電路時，工程師需要準確預測電路中所有點的電壓和電流。對於簡單的線性電路，工程師可透過手動計算與複雜數理理論進行分析。而更為複雜的電路通常需要運用專用的計算機模型或模擬軟件來預測行為。
網絡模擬軟體
大型或複雜的電路設計通常需要利用諸如SPICE或GNUCAP這類數值模擬軟體進行分析。這些軟體可以大幅減少設計原型的時間和成本，減少出錯的可能性。
「電路初步狀態的找尋是模擬過程中非常重要的一步。」
結論
盡管電氣網絡和電路的定義往往被混淆，但透過仔細的分析，我們可以區分這兩者的不同。無論在技術或日常應用中，理解這些概念都對推進我們的電子知識至關重要。那麼，在未來的電氣設計中，你是否能巧妙應用這些原則呢？
