1.1　電路基本理論

1.1.1　什么是電？

電是一種能量形式。除了電之外，其他的能量形式還有熱、光、機械能、化學能等。

（1）電的優點　可長距離傳輸大量的能量；電能可便捷地轉化為其他形式的能量；由電能轉化為其他形式的能量是最環保的方式。

（2）電的定義　電是電子從一個原子到另一個原子的運動（圖1-1-1）。

（3）電的三要素：電壓、電流、電阻。

1.1.2　通過哪些方式可以獲取電？

獲取電的方式如圖1-1-2所示。

（1）通過運動感應產生電壓　導體回路在磁場中來回運動以及永磁鐵在線圈中來回運動都會產生交流電壓，這種過程稱為運動感應（圖1-1-3）。如發電機、轉速傳感器。

（2）通過電化學過程產生電壓

① 原電池。如果將兩種金屬浸入到電解質（酸、堿或鹽溶液）中，就會產生一個原電池。兩個電極之間存在直流電壓，其強度取決于電極的材料。電子由負極流向正極，電解質分解，負極金屬溶解或發生化學轉化。

② 蓄電池。對于蓄電池，可以通過輸入電流的方式使電化學轉換過程反向進行（即充電）（圖1-1-4）。

（3）通過光電元件產生電壓（通過光產生電壓）　如圖1-1-5所示，在金屬基板上涂一層半導體涂層（例如硒），半導體涂層與觸環相連。光線射入時，觸環和基板之間就會產生直流電壓。如電子控制中的測量值傳感器。

（4）通過壓電元件的晶體形變產生電壓（圖1-1-6）　壓電元件由壓敏晶體（例如電氣石）和導電的薄膜組成，在晶體上施加壓力，就會產生電壓。如爆震傳感器和壓電噴嘴。

柴油發動機上的壓電噴嘴應用了反向作用。多塊晶體上下層疊在一起，在晶體上加載電壓，利用晶體的膨脹就可以使噴油嘴開啟。

（5）通過熱電元件吸收熱量產生電壓（圖1-1-7）　將兩種金屬互相連接，并加熱連接部位，就會產生直流電壓，電壓的大小與金屬配對和溫度有關。如溫度測量元件、測量值傳感器。

1.1.3　什么是電壓？

電壓是電的壓力，由它引起電子在電路中移動。電壓工作原理如圖1-1-8所示。

電壓的表示符號是U，單位是伏特（V）。1V表示通過1Ω電阻移動1A電流所需的壓力。

單位換算：1mV=0.001V；1kV=1000V；1MV=10⁶V。

電壓數值的大小可以通過伏特表測量。如圖1-1-9所示，使用萬用表選擇電壓擋，黑表筆連接負極，紅表筆連接正極，測得的電壓即是電路中的電壓。

（1）直流電壓　又稱直流電或“DC直流電”。直流電壓是指電子持續以相同的強度沿著同一方向運動產生的電壓（圖1-1-10）。

（2）交流電壓　又稱交流電或“AC交流電”。交流電壓是指在一定的時間內，電子多次改變其方向和電流強度（圖1-1-11）。

電壓波形具有正弦波特征，如圖1-1-12所示。常見波形如圖1-1-13所示。

1.1.4　什么是電流？

電流表示電子流動的速率，如圖1-1-14所示。

電流是自由電子的定向運動（圖1-1-15）。形成電流的原因是電壓。電流只能在閉合的電路中流動。電路的組成如圖1-1-16所示。

電流表示符號為I，單位是安培（A）。1A表示1s內有6.25×10¹⁸個電子流過導體上的一點。單位換算：1mA=0.001A。

電流的測量方法如圖1-1-17所示。使用萬用表選擇電流擋，紅、黑表筆分別連接線路的兩端，測得線路中的電流。

1.1.5　什么是電阻？

電阻為導體反對電子流動的能力，是電流在導體中受到的阻礙（瓶頸）電阻的表示符號是R，單位是歐姆（Ω）。1Ω表示1A電流流過導體時在其兩端產生1V電壓降。單位換算：1kΩ=1000Ω；1MΩ=10⁶Ω。影響電阻的因素有導線的長度、導線的截面積、導線的材料、溫度等。

“電阻”這個概念在電氣技術中有兩種含義。

① 材料的物理性質。導電材料，例如銅、銀等；電阻材料，例如康銅等；絕緣材料，例如陶瓷等。

② 電氣或電子設備中的部件（圖1-1-18）。

電阻是被動部件，它用來將電流限制在一個電流回路中并構成分壓器，以便在特定的點位使電壓可保持恒定的數值。電阻的作用如圖1-1-19所示。

（1）串聯電阻　串聯時，總電阻都比單個電阻大。總電阻（R_ges）等于R₁和R₂之和（圖1-1-20）。即：

R_ges=R₁+R₂

串聯電阻在鼓風機電路圖中的應用如圖1-1-21所示。通過串聯電阻可實現由新鮮空氣控制鼓風機的速度。

（2）并聯電阻　總電阻小于最小的分電阻R₁或R₂等（圖1-1-22）。

并聯電阻的應用如圖1-1-23所示，為可加熱的風擋清洗噴水嘴的電路。

不同電阻的應用如圖1-1-24所示。

電阻測量方法：使用萬用表電阻擋測量，將萬用表紅、黑表筆分別連接測量對象兩端，測得數據為該測量對象的電阻（圖1-1-25）。

1.1.6　歐姆定律

歐姆定律計算公式如圖1-1-26所示。計量單位符號如下：電壓U（V）；電流強度I（A）；電阻R（Ω）。

1.1.7　電功率

電功率計算公式如圖1-1-27所示。計量單位符號如下：功率（W）；電壓（V）；電流強度（A）。

1.1.8　并聯電路

在并聯電路中適用下列定律（圖1-1-28）：

① 所有的電阻（用電器）承載相同的電壓。

U=U₁=U₂=…

② 總電流等于所有分電流之和。

I=I₁+I₂+…

③ 總電阻的倒數等于所有分電阻的倒數之和。

④ 總電阻總是小于最小的分電阻。

1.1.9　串聯電路

在串聯電路中適用下列定律（圖1-1-29）：

① 流經所有電阻（用電器）的電流相等。

I=I₁=I₂=…

② 總電壓等于分電壓之和。

U=U₁+U₂+…

③ 總電阻等于分電阻之和。

R=R₁+R₂+…

1.1.10　混聯電路

如果要確定混聯電路中的電路等效電阻或總電阻，建議分多個步驟進行計算。如圖1-1-30所示，計算并聯電阻R₂（20Ω）、R₃（20Ω）、R₄（30Ω）、R₅（30Ω）的等效電阻R_p的方法如下。

適用以下公式：

代入數值，得

即

故 R_p=6Ω