第一章　简单直流电路

第一节　电路基础

一、电路

在实际应用中，将电气元器件和用电设备按一定的方式连接在一起形成的各种电流通路称为电路。也就是电流流过的路径称为电路。

1.电路的组成

任何一个完整的电路通常要由电源、负载和中间环节（导线和开关）三部分组成，如图1-1所示。

（1）电源　电源是供给电能的装置，它把其他形式的能转换成电能。光电池、发电机、干电池或蓄电池等都是电源。如干电池或蓄电池能把化学能转换成电能，发电机能把机械能转换成电能，光电池能把太阳的光能转换成电能等。通常也把给居民住宅供电的电力变压器看成电源。

（2）负载　负载也称用电设备或用电器，是将电能转换成其他形式能量的装置。电灯泡、电炉、电动机等都是负载。如电灯把电能转换成光能，电动机把电能转换成机械能，电热器把电能转换成热能等。

（3）中间环节　用导线把电源和负载连接起来，为了使电路可靠工作还用开关、熔断器等器件，对电路起控制和保护作用，这种导线、控制开关所构成电流通路的部分称为中间环节。

2.电路图

图1-1（a）所示为电路的实物图，它虽然直观，但画起来很复杂，为了便于分析和研究电路，在电路图中，电气元器件都采用国家统一规定的图形符号来表示，电路图中部分常用的图形符号如图1-2所示。我们用统一规定的符号来表示电路，称为电路图，如图1-1（b）所示。

3.电路的工作状态

（1）通路　通路是指正常工作状态下的闭合电路。此时，开关闭合，电路中有电流通过，负载能正常工作，此时，灯泡发光。

（2）开路　又叫断路，是指电源与负载之间未接成闭合电路，即电路中有一处或多处是断开的。此时，电路中没有电流通过，灯泡不发光。开关处于断开状态时，电路断路是正常状态；但当开关处于闭合状态时，电路仍然开路，就属于故障状态，需要检修了。

（3）短路　短路是指电源不经过负载直接被导线相连的状态。此时，电源提供的电流比正常通路时的电流大许多倍，严重时，会烧毁电源和短路内的电气设备。因此，电路中不允许无故短路，特别不允许电源短路。电路短路的保护装置是熔断器。

二、电流

1.电流的形成

电荷的定向运动称为电流。在金属导体中，电流是电子在外电场作用下有规则地运动形成的。在某些液体或气体中，电流则是正离子或负离子在电场力作用下有规则地运动形成的。

电流可分为直流电流和交流电流两种。方向保持不变的电流称为直流电流，简称直流（简写作DC）。大小和方向均随时间变化的电流称为交变电流，简称交流（简写作AC）。

2.电流的方向

在不同的导电物质中，形成电流的运动电荷可以是正电荷，也可以是负电荷，甚至两者都有。习惯上规定以正电荷移动的方向为电流的方向。

在分析或计算电路时，若难以判断出电流的实际方向，可先假定电流的参考方向，然后列方程求解，当解出的电流为正值时，则电流的实际方向与参考方向一致，如图1-3（a）所示。反之，当电流为负值时，则电流的实际方向与参考方向相反，如图1-3（b）所示。

3.电流的大小

电流的大小取决于在一定时间内通过导体横截面的电荷量多少。在相同时间内通过导体横截面的电荷量越多，就表示流过该导体的电流越强，反之越弱。

通常规定电流的大小等于通过导体横截面的电荷量与通过这些电荷量所用的时间的比值。用公式表示为：

式中，q为通过导体横截面的电荷量，单位为库仑，用C表示；t为时间，单位为秒，用s表示；I为电流，单位为安培，简称安，用A表示。如果导体的横截面积上每秒有1C的电荷量通过，导体中的电流为1A。电流很小时，可使用较小的电流单位，如毫安（mA）或微安（μA）。

1mA=10-3A　1μA=10-6A

三、电压与电位

1.电压

水总是从高处向低处流，要形成水流，就必须使水流两端具有一定的水位差，也叫水压。那么，在电路里使金属导体中的自由电子做定向移动形成电流的条件是导体的两端具有电压。在电路中，任意两点之间的电位差称为该两点间的电压。

电场力把单位正电荷从电场中A点移动到B点所做的功称为A、B两点间的电压，用UAB表示：

式中，UAB为AB两点间的电压，单位为伏特，用符号V表示；WAB为将单位正电荷从电场中A点移动到B点所做的功，单位为焦耳，用符号J表示；q为由A点移动到B点的电荷量，单位为库仑，用符号C表示。

我们规定：电场力把1库仑电量的正电荷从A点移到B点，如果所做的功为1焦耳，那么A、B两点间的电压就是1伏特。

在国际单位制中，电压的单位为伏特，简称伏，用符号V表示。电压的常用单位还有kV、mV、μV，其换算关系是：

1kV=103V　　1V=103mV　　1mV=103μV

2.电位

由于电压是对电路中某两点而言的，那么，电压就是两点间的电位差。在电路中，A、B两点间的电压等于A、B两点间的电位之差，即UAB=UA-UB。

如果在电路中任选一点为参考点，那么电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。显然，参考点的电位为零电位，通常选择大地或某公共点（如机器外壳）作为参考点，一个电路中只能选一个参考点。

四、电动势

如果把电流比喻为“水流”，那么就像“抽水机”把低处的水抽到高处，电源把负极的正电荷运到正极，电动势就是表征电源运送电荷能力大小的物理量。

在图1-4中，A、B为电源的正、负极板，两极板上带有等量异号的电荷，在两极板间形成电场。负电荷沿着电路，由低电位端（负极）经过负载流向高电位端（正极），从而形成电流I。所以在电源外部电路中，电流总是从电源正极流出，最后流回电源负极；或者说从高电位流向低电位。负电荷由正极板移动至负极板后与正电荷中和，使两极板上的电荷量减少，从而两极板间的电场减弱，相应的电流也逐渐减小。为了在电路中保持持续的电流，在电源内部必须有一种非电场力，将正电荷从低电位端（负极板）逆电场力不断推向高电位端（正极板），这个外力是由电源提供的，因此称为电源力。电动势用于表征电源力的能力，在数值上定义为电源力将单位正电荷从电源的负极移动到正极所做的功。

电动势用符号E表示，单位是伏特（V），表达式为

式中　E——电动势，V；

　W——电源力所做的功，J；

　q——电荷量，C。

电动势在数值上就等于电源开路时正负两极之间的电压。电动势的方向：规定由电源的负极指向正极，即从低电位指向高电位。