模塊一　直流電路

學(xué)習(xí)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(shù)中，為了方便地分析和研究問題，可以將實(shí)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(zhì)而忽略其次要因素。這種用理想電路元器件來代替實(shí)際電路元器件構(gòu)成的電路，稱為電路模型，簡稱為電路。電路的轉(zhuǎn)換如圖1-1所示。

2.電路組成

人們在日常生活或生產(chǎn)和科研中，廣泛地使用著各種電路，如照明電路、收音機(jī)電路、電視機(jī)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(fù)雜電路呈網(wǎng)狀，因此也把電路稱為網(wǎng)絡(luò)，是用一些電氣設(shè)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(fù)載和傳輸控制器件（中間環(huán)節(jié)）三部分組成。

（1）電源　產(chǎn)生電能的設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、電池等。

（2）負(fù)載　取用電能的設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、電燈、電爐等。

（3）傳輸控制器件　導(dǎo)線或開關(guān)等。

3.電路的功能

（1）實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換　如電力系統(tǒng)電路就是這樣的典型例子，發(fā)電機(jī)組將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)變壓器、輸電線傳輸?shù)截?fù)載。

（2）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理　如收音機(jī)和電視機(jī)中的調(diào)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(dòng)形成了電流，規(guī)定正電荷移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颉?/p>

電流強(qiáng)度：單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體截面的電荷量。如果電流隨時(shí)間變化，用小寫字母i表示：

　　        （1-1）

式中，dq為導(dǎo)體橫截面在dt時(shí)間內(nèi)通過的電荷量。電荷量的單位為庫侖（C），時(shí)間dt的單位為秒（s）。

如果電流的大小和方向不隨時(shí)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(biāo)表示時(shí)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(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所做的功，稱為A點(diǎn)到B點(diǎn)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(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)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(shí)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(shí)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(xí)慣上把電壓降低的方向作為電壓的實(shí)際方向。可用“+”“-”符號(hào)表示，也可用字母的雙下標(biāo)表示，如圖1-3所示。

（3）參考方向　在分析電路時(shí)，對復(fù)雜電路中某一元件或某一電路部分電流的實(shí)際方向有時(shí)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(gè)電路元件分析之前，任意選定一個(gè)方向，這個(gè)選定的電流方向就叫做電流的參考方向。參考方向一經(jīng)選定，在電路分析和計(jì)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(shí)際方向。

將電流用一個(gè)代數(shù)量來表示，若i>0，則表明電流的實(shí)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(shí)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(shí)線箭頭表示；

②用雙下標(biāo)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(gè)箭頭表示，也可以用正（+）、負(fù)（-）極表示，如圖1-6所示。

電路分析中，先標(biāo)定參考方向，根據(jù)參考方向列寫有關(guān)方程，計(jì)算結(jié)果的正負(fù)值與標(biāo)定的參考方向就可反映出它們的實(shí)際方向。

（4）關(guān)聯(lián)的參考方向　在進(jìn)行電路分析時(shí)，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(guān)聯(lián)的參考方向；反之，稱為非關(guān)聯(lián)方向，如圖1-7（b）所示。

2.電位

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

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

②其他各點(diǎn)的電位為該點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電位差。如圖1-8（a）中A、B兩點(diǎn)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(diǎn)可以任意選定，用符號(hào)“⊥”表示。

在研究同一電路系統(tǒng)時(shí)，只能選取一個(gè)電位參考點(diǎn)。圖1-9所示是電路的一般畫法與電子線路的習(xí)慣畫法示例。

3.電動(dòng)勢

在電源內(nèi)部，電場力將單位正電荷從電源負(fù)極移動(dòng)到電源正極所做的功，稱為電源的電動(dòng)勢。電動(dòng)勢只對電源而言。

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

對于一個(gè)電源設(shè)備，若其電動(dòng)勢E與其端電壓U的參考方向相反，如圖1-10（a）所示，應(yīng)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(shí)，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(shí)間內(nèi)所做的功稱為電功率，簡稱功率，用符號(hào)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(guān)系為

1W=10^-3kW=10³mW

根據(jù)功率的定義，某段電路在時(shí)間t內(nèi)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(shí)（kW·h），平時(shí)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(fā)出　以往學(xué)過的電源和負(fù)載，一個(gè)是提供能量的器件，而另一個(gè)是消耗能量的器件。而接在復(fù)雜電路中的電源，在一定條件下也可能是負(fù)載。例如，在給蓄電池充電時(shí)，它就不是電源而是負(fù)載。在分析電路時(shí)，不僅要計(jì)算功率的大小，還要判斷它是吸收功率還是發(fā)出功率。

對于直流電路，元件上的電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)有P=UI，非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)有P=-UI。經(jīng)過計(jì)算，若P>0，則元件吸收功率，起負(fù)載作用；若P<0，則元件發(fā)出功率，起電源作用。

三、電路的基本狀態(tài)

電源與負(fù)載相連接，根據(jù)所接負(fù)載的情況，電路有三種狀態(tài)：空載、短路、有載。現(xiàn)以圖1-12所示簡單直流電路為例來分析電路的各種狀態(tài)，圖中電動(dòng)勢E和內(nèi)阻R₀串聯(lián)，組成電壓源，U₁是電源端電壓，U₂是負(fù)載端電壓，R_L是負(fù)載等效電阻。

1.有載狀態(tài)

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

①電路中的電流，當(dāng)E和R₀一定時(shí)，電流由負(fù)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(fù)載的端電壓等于電源的端電壓，即

U₁=U₂

（2）負(fù)載的額定工作狀態(tài)　使負(fù)載工作于額定狀態(tài)，是電路有載工作的一種狀態(tài)，也是使電路技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性最好的一種狀態(tài)。

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

②電源設(shè)備工作時(shí)不一定總是輸出規(guī)定的最大允許電流和功率，輸出多大取決于所連接的負(fù)載。

③要合理使用電氣設(shè)備，盡可能使設(shè)備工作在額定狀態(tài)（“滿載”狀態(tài)下）。設(shè)備超過額定值工作時(shí)稱“過載”。過載時(shí)間較長，則會(huì)大大縮短設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)闺姎庠O(shè)備損壞。設(shè)備工作時(shí)電壓、電流值比額定值小得多，為欠載工作狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備未能發(fā)揮其應(yīng)有的效力。

電氣設(shè)備的最佳狀態(tài)是工作在額定值附近。

2.開路狀態(tài)

開路狀態(tài)又稱斷路或空載狀態(tài)，如圖1-12（b）所示，當(dāng)開關(guān)S斷開或連接導(dǎo)線折斷時(shí)，電路就處于空載狀態(tài)，此時(shí)電源和負(fù)載未構(gòu)成通路，外電路所呈現(xiàn)的電阻可視為無窮大。空載狀態(tài)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(dòng)勢，即

U₁=E-R₀I=E

3.短路狀態(tài)

在圖1-12（c）所示電路中，當(dāng)電源兩端的導(dǎo)線由于某種原因直接相連時(shí)，電源輸出的電流不經(jīng)過負(fù)載，只經(jīng)連接導(dǎo)線直接流回電源，這種狀態(tài)稱為短路狀態(tài)，簡稱短路。短路時(shí)外電路所呈現(xiàn)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(dòng)勢和電源的內(nèi)阻決定，I_s稱為短路電流。一般情況下，電源的內(nèi)電阻很小，故短路電流很大。

②電源和負(fù)載的端電壓均為零，即

上式表明電源的電動(dòng)勢全部落在電源的內(nèi)阻上，因而無輸出電壓。

③電源的輸出功率P₁和負(fù)載所吸收的功率P₂均為零，這時(shí)電源電動(dòng)勢發(fā)出的功率全部消耗在內(nèi)電阻上。

由于電源電動(dòng)勢發(fā)出的功率全部消耗在內(nèi)電阻上，因而會(huì)使電源發(fā)熱以致?lián)p壞。通常在電路中接入熔斷器等保護(hù)裝置，以便在發(fā)生短路時(shí)能迅速切除電路，達(dá)到保護(hù)電源及電路器件的目的。

實(shí)驗(yàn)一　電流的認(rèn)識(shí)及測量

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h6>

①驗(yàn)證電路中電流的大小。

②驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理

（1）電荷的定向移動(dòng)形成電流　產(chǎn)生電流必須具備兩個(gè)基本條件：

①導(dǎo)體內(nèi)要有可做定向移動(dòng)的自由電荷，這是形成電流的內(nèi)因；

②要有使自由電荷做定向移動(dòng)的電場，這是形象電流的外因。

（2）電流的方向　正電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颉?/p>

實(shí)驗(yàn)設(shè)備（表1-1）

實(shí)驗(yàn)電路圖（圖1-13）

實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(rèn)連線正確后再通電，將直流電流表的值記錄在表內(nèi)。

④按表1-2測量各電流并記錄在表中。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

①表中測得的電流數(shù)據(jù)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(lián)系？

③完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。