1.2 直流电路

直流电路的电压和电流的大小和方向不随时间的变化而变化。

1.2.1 基本概念

1．电压

河水之所以能够流动，是因为有水位差。水总是从高水位流向低水位。电荷之所以能够流动，是因为有电位差。电路中，任意两点间的电位差，均被称为两点间的电压。电压是形成电流的主要条件。在电路中，电压常用U表示，单位是伏（V），大的计量单位可用千伏（kV）表示，小的计量单位常用毫伏（mV）或微伏（μV）表示。它们之间的关系为

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μV

我国规定的标准电压等级很多，如直流安全电压为12V、24V、36V，工业用电直流为110V、220V等，民用市电电压为交流220V，工业动力用电为交流380V，高压配电电压为6kV、10kV，高压输电电压为110kV，远距离超高压输电电压为330kV和500kV。

电压可以用电压表测量。测量时，把电压表并联在电路上，要选择电压表指针接近满偏转的量程。如果电路中的电压大小估计不出来，要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程，这样可以防止由于电压过大而损坏电压表。

2．电位

放在电场里某点电荷的位能与它的电量之比就是该点的电位，如用U表示电位，A表示电荷q的位能，则

式中，U的单位为V，A的单位为J，q的单位为C。

在指明电路中某点电位时，必须首先确定参考点，设其电位为零，则电路中某点的电位在数值上就等于该点到参考点的电压。因此，电位的数值与参考点的选择有关。凡求电位的参考点都用接地符号（┻）表示。这样的选择方便计算，无须计算者自由选定参考点。

3．电源

把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。例如，发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。干电池、发电机等都叫做电源。

通过整流电路把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去，晶体三极管对后面的电路来说也可以看成是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。

4．电动势

电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能能力的物理量，电动势使电源两端产生电压。在电路中，电动势常用E来表示，单位是伏（V）。

5．电位差

电位差就是两点之间的电位之差。如a、b 两点的电位分别为10V和5V，则两点之间的电位差为Uab=10V-5V=5V；反之，Uba=5V-10V=-5V。

6．电流

电荷的定向移动叫做电流。在电路中，电流常用I表示。电流分直流和交流两种。电流的大小和方向不随时间变化的叫做直流，电流的大小和方向随时间变化的叫做交流。电流的单位是安培（A），也常用毫安（mA）或微安（μA）作为单位。它们之间的关系为

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

直流电流的方向是从电源的正极流到电源的负极。

电流可以用电流表测量。测量时，把电流表串联在电路中，要选择电流表指针接近满偏转的量程。如果电路中的电流大小估计不出来，则要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程。这样可以防止电流过大而损坏电流表。

7．负载

把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载。例如，电动机能把电能转换成机械能，电灯泡能把电能转换成热能和光能，扬声器能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。后级的晶体三极管对于前级来说，也可看为负载。

8．电阻

电路中，对电流通过有阻碍作用并且造成能量消耗的元件叫电阻。电阻常用R表示，单位是欧（Ω），也常用千欧（kΩ）或兆欧（MΩ）作为单位。它们之间的关系为

1kΩ=1000Ω

1MΩ=1000000Ω

导体的电阻由导体的材料、横截面积、长度和温度决定。一般导线的电阻可由以下公式求得，即

式中，L为导线的长度（m）；S为导线的横截面积（mm2）；ρ为导线的电阻率（Ω·mm2/m）。

电阻率ρ是电工计算中的一个重要物理常数。不同材料物体的电阻率各不相同。它的数值相当于用这种材料制成长1m、横截面积为1mm2的导线，在温度为+20℃时的电阻值。电阻率直接反映着各种材料导电性能的好坏。材料的电阻率越大，表示它的导电性能越差；电阻率越小，则表示导电性能越好。

电阻可以用万用表欧姆挡测量。测量时，要选择万用表指针偏转量程一半的欧姆挡。如果被测电阻焊接在电路中，则应将其断开一端后进行测量，人体不能与电阻引线接触。

常用金属材料的电阻率见表1-1。

例1 100m长的铜导线，导线直径D为1mm，求它在20℃时的电阻R。

解：首先计算导线的横截面积为

查表1-1得铜导线的电阻率ρ=0.0175Ω·mm2/m，则

例2 一根直径D为1mm的康铜导线，它的电阻R=11.2Ω，求它的长度L。

解：先求出横截面积S为

查表1-1得康铜导线的电阻率ρ=0.44Ω·mm2/m，则

9．电容

电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。在两个相互绝缘的导体上加上一定的电压，它们就会储存一定的电量。其中一个导体储存着正电荷，另一个导体储存着大小相等的负电荷。加上的电压越大，储存的电量就越多。储存的电量和加上的电压是成正比的，它们的比值叫做电容。如果电压用U表示，电量用Q表示，电容用C表示，那么

电容的单位是法（F），也常用微法（μF）或皮法（pF）作为单位。它们的关系为

1F=106μF

1F=1012pF

电容可以用电容测试仪测量，也可以用万用表欧姆挡粗略估测。

10．电感

电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流，线圈周围就会产生磁场，线圈就有磁通量通过。通入线圈的电流越大，磁场就越强，通过线圈的磁通量就越大。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。如果通过线圈的磁通量用Φ表示，电流用I表示，电感用L表示，那么

电感的单位是亨（H），也常用毫亨（mH）或微亨（μH）作为单位。它们的关系为

1H=1000mH

1mH=1000μH

11．电能

当电流流过电路时将发生能量转换。在电源内部，外力不断克服电场力驱使正、负电荷分别向电源两极移动而做功，把其他形式的能转换为电能。通过外电路，电荷不断地被送到负载，把电能转换为其他形式的能。

负载消耗的电能等于端电压与电荷的乘积，电荷又等于电流与时间的乘积，即

式中，A为电能，单位为J；U为端电压，单位为V；Q为电荷，单位为C。

12．电功

电流做功等于电路消耗的电能，而电路里消耗的电能又等于使电荷在电路里移动所做的功。计算电功的公式为

13．电功率

在单位时间内电路产生或消耗的电能被称为电功率，简称功率，用P表示，单位为W。

式中，P为电功率（W，1W=1J/s）；t为时间（s）。

例3 5A的电流通过4Ω的电阻，经过10s后，计算电流在这段时间内所做的功A和功率P。

解：

A=I 2 Rt=52×4×10=1000（J）

P=I 2 R=52×4=100（W）

例4有一8W、400Ω的线绕电阻，求它的额定电流和最大耐压值各是多少？

解：

取50V。

14．导体

能良好传导电流的物体叫做导体。用导体制成的电气材料叫做导电材料。金属是常用的导电材料。除了金属以外，其他如大地、人体、天然水和酸、碱、盐类及它们的溶液都是导体。

金属之所以能够良好地传导电流，是由其原子结构决定的。金属原子最外层的电子与原子核结合得比较松散，因此这部分电子很容易脱离自己的原子核与别的原子核去结合，失去电子的原子又有新的电子来结合，这样一连串的过程就是导电的过程。银的电阻率最小，导电性能最好，但由于其价格昂贵，只在极少数地方，如开关触头等处采用，一般电气设备中应用最广泛的是铜和铝。

还有一些材料虽然能导电，但电阻率较大，人们常常把它作为电阻材料或电热材料应用于某些电器中，如电炉或电烤箱中的电热丝等。

15．绝缘体

不能导电或者导电能力极差的物体叫做绝缘体。常见的绝缘体有木头、石头、橡皮、玻璃、云母及瓷器等。绝缘体的原子结构与导体不同，其电子和原子核结合得很紧密，而且极难分离，将此类物质接上电源时，流过的电流极小（几乎接近零）。可以利用它的绝缘作用把电位不同的带电体隔离开来。

一般来讲，对绝缘体材料的要求是具有极高的绝缘电阻和耐电强度、较好的耐热和防潮性能、较高的机械强度及工艺加工方便等。

空气是我们大家十分熟悉的，它作为一种自然界的天然绝缘材料而被人们广泛地加以利用。纸、矿物油、橡胶和陶瓷都是应用非常广泛的绝缘材料。近年来，由于有机合成工业的兴起，各种各样的绝缘材料不断问世，为新型电气设备的制造提供了良好的条件。

绝缘材料在电和热的长期作用下，特别是在有化学腐蚀的情况下，会逐步老化，降低它原有的电气和机械性能，有时甚至可能完全丧失绝缘性。所以经常检查绝缘性能是电气设备维修中的主要工作之一。绝缘电阻是绝缘材料的主要技术指标。常用兆欧表来测量设备的绝缘电阻。一般低压电气设备的绝缘电阻应大于0.5MΩ。对于移动电器和在潮湿地方使用的电器，其绝缘电阻还应再大一点。

16．半导体

所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物都是半导体。

半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别，如有些半导体（如钴、锰、镍等的氧化物）对温度的反应特别灵敏，当环境温度增高时，它们的导电能力要增强很多。利用这种特性就做成了各种热敏电阻。又如有些半导体（如镉、铅等的硫化物与硒化物）受到光照时，它们的导电能力变得很强；当无光照时，又变得像绝缘体那样不导电。利用这种特性就做成了各种光敏电阻。

更重要的是，如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，则导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。例如，在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从大约2×103Ω·m减小到4×10-3Ω·m左右。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管、场效应晶体管及晶闸管等。

1.2.2电路的几种状态

（1）开路状态（断路状态）

当电路的开关断开时，称为开路。其特征是电流为零，电源端的电压值就是电源两端的电动势。检修线路应在开路状态下进行。在这种状态下，电路不工作也不产生热量。

（2）短路状态

当电路中有电压的两点被电阻为零的导体连接时，称为短路。其特征是电流很大。根据电流的热效应，导体所消耗的电能为

若电阻消耗的电能全部转换成热能（Q=I2Rt），则会烧坏绝缘元件，损坏设备。为了防止短路，在电路中接熔丝。有时利用短路电流产生的高温可进行金属焊接等。

（3）额定工作状态

对用电设备一般都规定额定电流。额定电流是指电气设备长时间工作所允许通过的最大电流，用IN表示。实际电路小于IN时称为轻载；等于IN时称为满载，满载就是额定工作状态；大于IN时称为过载，过载是不允许的。有些设备不标出额定电流而标出额定电压，即UN，标出额定功率PN。