模塊一　直流電路

學習單元一　電路的基本概念

一、電路的組成及功能

1.電路的概念

在電工電子技術中，為了方便地分析和研究問題，可以將實際電路中的元器件抽象成理想化的模型，即在一定條件下突出其主要的電磁性質而忽略其次要因素。這種用理想電路元器件來代替實際電路元器件構成的電路，稱為電路模型，簡稱為電路。電路的轉換如圖1-1所示。

2.電路組成

人們在日常生活或生產和科研中，廣泛地使用著各種電路，如照明電路、收音機電路、電視機中的放大電路、各種控制電路等。電路提供了電流流通的路徑。復雜電路呈網狀，因此也把電路稱為網絡，是用一些電氣設備或元件，按其所要完成的功能，以一定方式連接成的電流通路。電路一般由電源、負載和傳輸控制器件（中間環節）三部分組成。

（1）電源　產生電能的設備，如發電機、電池等。

（2）負載　取用電能的設備，如電動機、電燈、電爐等。

（3）傳輸控制器件　導線或開關等。

3.電路的功能

（1）實現電能的傳輸和轉換　如電力系統電路就是這樣的典型例子，發電機組將其他形式的能量轉換成電能，經變壓器、輸電線傳輸到負載。

（2）實現信號的處理　如收音機和電視機中的調諧及放大電路。

二、電路的基本物理量

1.電流、電壓及其參考方向

（1）電流　電荷的定向移動形成了電流，規定正電荷移動的方向為電流的方向。

電流強度：單位時間內通過導體截面的電荷量。如果電流隨時間變化，用小寫字母i表示：

　　        （1-1）

式中，dq為導體橫截面在dt時間內通過的電荷量。電荷量的單位為庫侖（C），時間dt的單位為秒（s）。

如果電流的大小和方向不隨時間變化，簡稱直流電。用大寫字母I表示，即

　　        （1-2）

在國際單位制（SI）中，電流的單位為安培（A）。常用的還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）等單位。

1kA=10³A　　　1A=10³mA=10⁶μA

電流的方向可用箭頭表示，也可用字母順序表示，如圖1-2所示。用字母的雙下標表示時為I_AB。

（2）電壓　一般用電壓來反映電場力做功的能力。電場力把單位正電荷從A點移動到B點所做的功，稱為A點到B點間的電壓，用u_AB表示，即

　　        （1-3）

式中，dW_AB表示電場力將dq的正電荷從A點移動到B點所做的功，單位為焦耳（J）。

在國際單位制（SI）中，電壓單位為伏特（V），還有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等單位。

1kV=10³V　1V=10³mV=10⁶μV

大小和方向不隨時間變化的電壓，稱為直流電壓，用大寫字母U表示；大小和方向隨時間變化的電壓，稱為交流電壓，用小寫字母u表示。

電壓也是有方向的，習慣上把電壓降低的方向作為電壓的實際方向。可用“+”“-”符號表示，也可用字母的雙下標表示，如圖1-3所示。

（3）參考方向　在分析電路時，對復雜電路中某一元件或某一電路部分電流的實際方向有時很難確定，因此引入了電流參考方向的概念。

在一段電路或一個電路元件分析之前，任意選定一個方向，這個選定的電流方向就叫做電流的參考方向。參考方向一經選定，在電路分析和計算過程中，不能隨意更改。所選定的電流參考方向并不一定就是電流的實際方向。

將電流用一個代數量來表示，若i>0，則表明電流的實際方向與參考方向是一致的，如圖1-4（a）所示，若i<0，則表明電流的實際方向與參考方向不一致，如圖1-4（b）所示。

電流參考方向的表示：

①用實線箭頭表示；

②用雙下標表示，如i_AB，其參考方向是由A指向B。

電壓的參考方向可以用一個箭頭表示，也可以用正（+）、負（-）極表示，如圖1-6所示。

電路分析中，先標定參考方向，根據參考方向列寫有關方程，計算結果的正負值與標定的參考方向就可反映出它們的實際方向。

（4）關聯的參考方向　在進行電路分析時，電壓和電流的參考方向原則上是任意選擇的。但是為了方便，通常假定電流的參考方向從電壓的參考方向的高電位端流向低電位端［圖1-7（a）］，稱其為關聯的參考方向；反之，稱為非關聯方向，如圖1-7（b）所示。

2.電位

在電路中任選一點O點作為參考點，某一點A到參考點的電壓就叫做A點的電位。A點的電位用大寫字母V_A表示。

①參考點的電位為零，即V_O=0，比該點高的電位為正，比該點低的電位為負。如圖1-8（a）所示的電路中，選取O點為電位參考點，則A點的電位為正，B點的電位為負。

②其他各點的電位為該點與參考點之間的電位差。如圖1-8（a）中A、B兩點的電位分別為

V_A=V_A-V_O=U_AO=1V

V_B=V_B-V_O=U_BO=-2V

參考點可以任意選定，用符號“⊥”表示。

在研究同一電路系統時，只能選取一個電位參考點。圖1-9所示是電路的一般畫法與電子線路的習慣畫法示例。

3.電動勢

在電源內部，電場力將單位正電荷從電源負極移動到電源正極所做的功，稱為電源的電動勢。電動勢只對電源而言。

電動勢用e表示，電動勢的方向從低電位指向高電位。表示電動勢的單位也是伏特（V）。當選擇電動勢的參考方向與電壓的參考方向相反時，u=e；當選擇電動勢的參考方向與電壓的參考方向相同時，u=-e。

對于一個電源設備，若其電動勢E與其端電壓U的參考方向相反，如圖1-10（a）所示，應有U=E；若參考方向相同，如圖1-10（b）所示，則U=-E。本書在以后論及電源時，一般用其端電壓U來表示。

4.功率

（1）功率概述　電場力在單位時間內所做的功稱為電功率，簡稱功率，用符號p（P）表示，即

　　        （1-4）

在國際單位制（SI）中，功率的單位為瓦特（W），常用的單位還有kW、mW。其換算關系為

1W=10^-3kW=10³mW

根據功率的定義，某段電路在時間t內吸收或放出的電能為

W=pt　　        （1-5）

在國際單位制（SI）中，電能的單位是焦耳（J），常用單位有千瓦時（kW·h），平時所說的1度電即為1kW·h，有

1kW·h=1×10³×3600=3.6×10⁶（J）

（2）功率的吸收與發出　以往學過的電源和負載，一個是提供能量的器件，而另一個是消耗能量的器件。而接在復雜電路中的電源，在一定條件下也可能是負載。例如，在給蓄電池充電時，它就不是電源而是負載。在分析電路時，不僅要計算功率的大小，還要判斷它是吸收功率還是發出功率。

對于直流電路，元件上的電壓和電流為關聯參考方向時有P=UI，非關聯參考方向時有P=-UI。經過計算，若P>0，則元件吸收功率，起負載作用；若P<0，則元件發出功率，起電源作用。

三、電路的基本狀態

電源與負載相連接，根據所接負載的情況，電路有三種狀態：空載、短路、有載。現以圖1-12所示簡單直流電路為例來分析電路的各種狀態，圖中電動勢E和內阻R₀串聯，組成電壓源，U₁是電源端電壓，U₂是負載端電壓，R_L是負載等效電阻。

1.有載狀態

（1）電路的有載工作狀態　如圖1-12（a）所示，當開關S閉合時，電路中有電流流過，電源輸出功率，負載取用功率，這種狀態稱為電路的有載工作狀態。此時電路有下列特征：

①電路中的電流，當E和R₀一定時，電流由負載電阻R_L的大小決定，即

　　        （1-6）

②電源的端電壓為

U₁=E-R₀I　　        （1-7）

忽略線路上的壓降，則負載的端電壓等于電源的端電壓，即

U₁=U₂

（2）負載的額定工作狀態　使負載工作于額定狀態，是電路有載工作的一種狀態，也是使電路技術性、經濟性最好的一種狀態。

①任何電氣設備都有一定的電壓、電流和功率的限額。額定值就是電氣設備制造廠對產品規定的使用限額，電氣設備（負載）工作在額定值的情況下就稱為額定工作狀態。

②電源設備工作時不一定總是輸出規定的最大允許電流和功率，輸出多大取決于所連接的負載。

③要合理使用電氣設備，盡可能使設備工作在額定狀態（“滿載”狀態下）。設備超過額定值工作時稱“過載”。過載時間較長，則會大大縮短設備的使用壽命，嚴重的情況下甚至會使電氣設備損壞。設備工作時電壓、電流值比額定值小得多，為欠載工作狀態，此時設備未能發揮其應有的效力。

電氣設備的最佳狀態是工作在額定值附近。

2.開路狀態

開路狀態又稱斷路或空載狀態，如圖1-12（b）所示，當開關S斷開或連接導線折斷時，電路就處于空載狀態，此時電源和負載未構成通路，外電路所呈現的電阻可視為無窮大。空載狀態具有下列特征：

①電路中電流為零，即I=0；

②電源的端電壓等于電源的電動勢，即

U₁=E-R₀I=E

3.短路狀態

在圖1-12（c）所示電路中，當電源兩端的導線由于某種原因直接相連時，電源輸出的電流不經過負載，只經連接導線直接流回電源，這種狀態稱為短路狀態，簡稱短路。短路時外電路所呈現的電阻忽略為零，電路具有下列特征：

①電路中的電流僅由電源的電動勢和電源的內阻決定，I_s稱為短路電流。一般情況下，電源的內電阻很小，故短路電流很大。

②電源和負載的端電壓均為零，即

上式表明電源的電動勢全部落在電源的內阻上，因而無輸出電壓。

③電源的輸出功率P₁和負載所吸收的功率P₂均為零，這時電源電動勢發出的功率全部消耗在內電阻上。

由于電源電動勢發出的功率全部消耗在內電阻上，因而會使電源發熱以致損壞。通常在電路中接入熔斷器等保護裝置，以便在發生短路時能迅速切除電路，達到保護電源及電路器件的目的。

實驗一　電流的認識及測量

實驗目的

①驗證電路中電流的大小。

②驗證電路中電流的方向。

③掌握電路的連接。

④正確使用電流表、萬用表。

⑤掌握電流的測量。

實驗原理

（1）電荷的定向移動形成電流　產生電流必須具備兩個基本條件：

①導體內要有可做定向移動的自由電荷，這是形成電流的內因；

②要有使自由電荷做定向移動的電場，這是形象電流的外因。

（2）電流的方向　正電荷定向運動的方向為電流的方向。

實驗設備（表1-1）

實驗電路圖（圖1-13）

實驗內容及步驟

①按電路圖連接線路。

②將電流表串入電路中。

③確認連線正確后再通電，將直流電流表的值記錄在表內。

④按表1-2測量各電流并記錄在表中。

實驗數據分析及結論

①表中測得的電流數據說明什么問題？

②燈泡的亮暗情況與電路中的電流有什么聯系？

③完成實驗報告。