第一章 電路基礎(chǔ)知識

1、第一章第一章 電路的基礎(chǔ)知識電路的基礎(chǔ)知識 知識目標(biāo) 電路是電工技術(shù)和電子技術(shù)的主要研究對象。本章的主要內(nèi)容包括3個方面：電路的基本概念；電路中的基本物理量；電路中的基本定律。這些是電路的基礎(chǔ)知識，只有牢固地掌握它們，才能更好的學(xué)習(xí)理解后續(xù)各章節(jié)的內(nèi)容。 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1.了解電路的基本組成和各部分的作用。 2.理解電流、電位、電壓、電功、電功率、電動勢、電阻等基本物理量的含義。 3.掌握歐姆定律，了解阻抗匹配的含義。 4.了解焦耳楞次定律第一節(jié)第一節(jié) 電路電路一 、電路的概念 電流流過的通路叫電路。具體地說，電路是由電氣設(shè)備和元器件按一定方式聯(lián)接起來，為電流流通提供的路徑。與鐵路、水路不同，電路

2、必須是一個閉合的回路，否則電流無法流通。最簡單的電路是由電源、負載、開關(guān)和導(dǎo)線等元件組成，圖1-1所示為手電筒的電路。這里，電源是將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置，常見的電源有干電池、蓄電池和發(fā)電機等；負載是將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量的用電器，如電燈、電動機、電冰箱等；開關(guān)是用來控制電路的通斷；導(dǎo)線是電能傳輸和分配的載體。 圖1-1手電筒的電路示意圖電路的作用主要有兩方面：一是傳輸和轉(zhuǎn)換電能，例如在電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠發(fā)出的電能需要經(jīng)過電路網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶端，而用戶也要通過各種形式的電路將電能轉(zhuǎn)換成日常生活所需的其他能量；二是傳遞和處理信號，例如電視機電路、計算機電路以及各種儀器儀表電路等。二、電

3、路模型 組成實際電路的器件和設(shè)備是多種多樣的，當(dāng)電流流過這些儀器設(shè)備時將發(fā)生復(fù)雜的物理過程。例如，電流流過白熾燈時，它不僅會發(fā)光，還會發(fā)熱，同時還會對其他正在使用的用電器造成輕微的電磁干擾。為了研究電路的特性和功能，必須對實際的電器進行科學(xué)的抽象，用一些近似化、理想化的模型來代替它們的功能，這種模型稱為理想電路元件。理想電路元件體現(xiàn)了實際電器的主要電磁特性，忽略了其他次要性質(zhì)。以白熾燈為例，由于在大部分情況下它的功能是將電能轉(zhuǎn)化成熱能，因此可以利用理想的電阻元件來代替它。把理想的電路元件按照實際電路的邏輯規(guī)律連接起來便構(gòu)成了電路模型。我們常利用一些符合國家標(biāo)準(zhǔn)的圖形符號和文字符號來簡單、直觀地

4、表示電路模型，稱之為電路圖。電路圖只反映各理想電路元件在電路中的作用及相互聯(lián)接方式，并不反映實際設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、幾何形狀及相互位置。三、電路的工作狀態(tài)電路具有通路、開路和短路3種工作狀態(tài)。電路中的電流必須按照規(guī)定的路徑流通。無論是簡單的電路（如手電筒），還是復(fù)雜的電路（如收音機），電流的流通路徑必須是閉合的，即電流從電源正極出發(fā)，流經(jīng)導(dǎo)線、開關(guān)、負載等，再回到電源的負極。這種狀態(tài)被稱為通路狀態(tài)，或者稱為閉路狀態(tài)。只有處在通路狀態(tài)的負載才能正常工作。如果電流流通的路徑中有任何一處損壞（如斷開或燒毀），則此電路被稱為斷路狀態(tài)，或者稱開路狀態(tài)，此時電路中無電流，負載無法工作。當(dāng)電源兩端或電路中某些部

5、分被導(dǎo)線直接相連，這時電源輸出的電流不經(jīng)過負載，只經(jīng)過連接導(dǎo)線直接流回電源，則此電路被稱為短路狀態(tài)，簡稱為短路。短路時，電路中的電流非常大，很容易損壞電器和導(dǎo)線，甚至造成火災(zāi)。為了避免短路狀態(tài)，各種電器常配有保險裝置。第二節(jié)第二節(jié) 電路中的基本物理量電路中的基本物理量 一、電流 在介紹電流的概念之前，首先來簡要地回顧一下“電荷”的相關(guān)知識。我們知道，摩擦后的物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為物體帶了電荷。由于電荷相互作用的形式不同，人們規(guī)定自然界有兩種電荷：正電荷和負電荷。同種電荷之間相互吸引，異種電荷之間相互排斥。根據(jù)電荷間的相互作用可以制成檢驗物體是否帶電的儀器驗電器。由驗電器有無張

6、角及張角的變化可判斷物體是否帶電、帶電的種類及帶電的多少。 電荷在電路中沿著一定的方向作有規(guī)律的定向移動便形成了電流。不同的導(dǎo)電材料中可以自由移動的電荷不同。在金屬導(dǎo)體中，可以自由移動的電荷是電子。如圖 1-3所示，電子在外電場的作用下逆著電場力的方向運動，于是在導(dǎo)體中出現(xiàn)了電流。在某些電解液或氣體中，可以自由移動的電荷是正離子或負離子，在外電場的作用下它們同樣可以形成電流。由此可見，產(chǎn)生電流必須具備兩個基本條件：物體內(nèi)部存在能自由移動的電荷；外部存在使自由電荷定向移動的電場，兩者缺一不可。 （a）金屬導(dǎo)體中的自由電子（b）金屬導(dǎo)體中的電流 圖1-3 金屬導(dǎo)體中電流的形成 電流的大小常用電流強

7、度來表示，其在數(shù)值上等于單位時間內(nèi)流過某一導(dǎo)體橫截面的電荷量（也稱電量）。電流強度的計算公式為： I=q/t (1-1） 式中，I表示電流強度，q表示在t時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量。 在國際單位制中，電量的單位是庫侖（C）（簡稱庫），時間的單位是秒（s），電流的單位是安培（A）（簡稱安），那么: 1安培=1庫侖/1秒 電流不僅有大小，而且還有方向。習(xí)慣上規(guī)定正電荷移動的方向即為電流的方向。對于金屬導(dǎo)體，由于作定向移動的是自由電子，因而電流的方向與其移動的方向相反。實際分析電路時，電流的方向可以任意標(biāo)定，任意標(biāo)定的方向叫參考方向。當(dāng)電流的分析結(jié)果為正值時，表明電流的實際方向與參考方向相同；為負值

8、時，表明電流的實際方向與參考方向相反。需要注意，電流的參考方向一旦確定，則電路分析的整個過程中都不能再隨便改動。 如圖1-4所示，大小和方向不隨時間變化的電流叫直流，也稱恒定電流；方向不變，但大小隨時間變化的電流叫脈動電流；大小和方向均隨時間變化的電流叫交變電流。 （a）直流電流 （b）脈動電流（c）交變電流 電路中電流的大小可以利用電流表進行測量。測量前應(yīng)注意選擇適當(dāng)類型的電流表（測量直流電流應(yīng)選擇直流電流表，測量交變電流應(yīng)選擇交流電流表），并注意電流表的量程應(yīng)大于實際的電流，但是不能過大，否則測量誤差較大。測量時電流表應(yīng)串聯(lián)在電路中，電流從表的正端流入，從負端流出。 二、電位與電壓 1.電

9、位 物體處于不同的高度，具有不同的位能。相對高度越高，位能就越大。水總是從高水位流向低水位，而水位越高的地方位能也越大。電也是如此。電荷在電路中各點所具有的能量也是不等的。單位正電荷在某點具有的能量叫做該點的電位。電位是表示電路中某一點性質(zhì)的物理量，它是一個相對的物理量。在電路分析中，要想確定某一點A的電位，必須首先選取一個參考點O，并規(guī)定O點的電位為零電位，然后再討論A點相對于O點的電位。 A點的電位定義為電場力將單位正電荷從A點移到參考點O所作的功。電位的國際單位與下面將介紹的電壓的國際單位相同，均為伏特（V）（簡稱伏）。如果電場力將正電荷q從A點移到O點所作的功為WA，則A點的電位UA的

10、計算公式為： UA=WA/q （1-2） 參考點的選擇原則上是任意的，但在研究實際問題時，通常選擇大地（之所以選擇大地為參考電位是因為大地容納電荷的能力非常大，其電位比較穩(wěn)定，不受局部電荷變化的影響）或無窮遠處為零電位參考點。在電子線路中一般選擇公共點或機殼作為參考點。在工業(yè)生產(chǎn)上，任何電氣設(shè)備正常工作時，不該帶電的金屬部分都需要接地，使它們的電位與大地的電位均為零，以保證人身安全。 值得注意的是，電路中各點的電位是相對的，與參考點的選擇有關(guān)。選擇不同的參考點，電路中同一點的電位也不同。但是參考點一旦選定，各點的電位也將是唯一確定的值。如果某點的電位比參考點的電位高，則該點的電位為正值；如果某

11、點的電位比參考點的電位低，則該點的電位為負值。 電路中兩點間的電位之差即是兩點間的電壓也稱為電位差。也就是將單位正電荷從電路中的一點移到另一點電場力所作功的大小。如果電場力將正電荷q從A點移到B點所作的功為WAB，則A點與B點的電壓UAB的計算公式為： UAB= WAB/q （1-3） 如果A點的電位為UA，B點的電位為UB，則A點與B點之間的電壓UAB的計算公式為： UAB =UA-UB （1-4） 在國際單位制中，功的單位為焦耳（J）（簡稱焦），電量的單位為庫侖（C）（簡稱庫），電壓的單位為伏特（V），那么: 1伏特=1焦耳/1庫侖 電壓的常用單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）等。 電壓不

12、僅有大小，也有方向。電壓的實際方向規(guī)定為電位降低的方向，因此電壓也常被稱為電壓降。電壓是對電路中的兩點而言的。例如，UAB表示單位正電荷從電路中的A點運動到B點時電場力所作的功，于是UAB的方向是由A指向B。在電路圖中，電壓的方向有時也稱為是電壓的極性，用“+”、“-”兩個符號表示。和電流一樣，在電路分析中，任意兩點之間電壓的實際方向往往不能預(yù)先確定，只有先假定一個參考方向，然后根據(jù)最終計算結(jié)果的正負來判斷實際的方向。如果計算結(jié)果為正值，則電壓的實際方向與假定的參考方向是一致的；否則，電壓的實際方向與假定的參考方向相反。 大小和方向不隨時間變化的電壓叫直流電壓；大小和方向均隨時間變化的電壓叫交

13、變電壓。 電路中電壓的大小可以利用電壓表進行測量。測量前應(yīng)注意選擇適當(dāng)類型的電壓表（測量直流電壓應(yīng)選擇直流電壓表，測量交變電壓應(yīng)選擇交流電壓表），并注意電壓表的量程應(yīng)大于實際的電壓，但是不能過大，否則測量誤差較大。測量時電壓表應(yīng)并聯(lián)在被測電壓的兩端，被測電壓的“+”極性與表的正端相連，“-”極性與表的負端相連。 三、電功與電功率 1.電功 電流通過電爐時電能轉(zhuǎn)換成了熱能；電流通過電動機時電能轉(zhuǎn)換成了機械能；電流通過電解槽時電能轉(zhuǎn)換成了化學(xué)能。這些都說明電流作了功，并且在作功的過程中，將電能轉(zhuǎn)換成了其他形式的能。電流作功實際上是電場力作功，因此，常用電功來衡量電能的大小。 根據(jù)電壓的定義可知，正

14、電荷q從A點移動到B點，電場力作的功W的計算公式為： W=qUAB （1-5）又根據(jù)電流的定義可得： q=It （1-6）將式（1-6）代入式（1-5），可得： W=UABIt （1-7）在國際單位制中，電功的單位是焦耳（J）（簡稱焦。 2.電功率單位時間內(nèi)電場力所作的功稱為電功率。也可以說成，單位時間內(nèi)電路產(chǎn)生或消耗的電能叫做電功率。如果用P表示電功率，則： P=W/t=UABI （1-8）由此可見，某段電路上的電功率與這段電路兩端的電壓和電路中的電流成正比。在國際單位制中，電功率的單位為瓦特（W），簡稱瓦。 在實際使用時，往往需要判斷用電器和設(shè)備是吸收電功率還是發(fā)出電功率。這里給出一種簡便

15、的方法。在分析電路時，首先假定電壓的方向，然后將流過負載電流的方向設(shè)定為從電壓的正端流向負端（這種參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向），在這種情況下，如果最后計算得到的功率是正值，則表明用電器消耗功率；如果最后計算結(jié)果為負值，則表明用電器吸收功率。相反，如果流過負載電流的方向設(shè)定為從電壓的負端流向正端（這種參考方向稱為非關(guān)聯(lián)參考方向），此時如果功率的計算結(jié)果為正值，則表明電器吸收功率；如果計算結(jié)果為負值，則表明電器消耗功率。下圖顯示了電壓和電流的關(guān)聯(lián)參考方向以及非關(guān)聯(lián)參考方向。電功率可以利用功率表來測量。（a）關(guān)聯(lián)參考方向（b）非關(guān)聯(lián)參考方向 第三節(jié)第三節(jié) 電源與電源的電動勢電源與電源的電動勢 一、電源

16、 把非電能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備稱為電源。在電路中，電源以外的部分稱為外電路；電源以內(nèi)的部分稱為內(nèi)電路，如圖1-7所示。 圖1-7 內(nèi)電路和外電路 每個電源都有兩個電極，電位高的電極為正極，電位低的電極為負極。為了使電路中能維持一定的電流，電源內(nèi)部存在一種非電場力（也稱為電源力或局外力），它能使正電荷不斷地聚集到正極，負電荷不斷地聚集到負極，從而使電源的兩極存在一定的電位差。 二、電源的電動勢為了衡量電源將其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的能力，我們采用電動勢這個物理量。電動勢定義為：在電源內(nèi)部，非電場力將單位正電荷從電源負極經(jīng)電源內(nèi)部移動到電源正極所作的功。在國際單位制中，電動勢的單位是伏特。電動勢不僅有大

17、小，還有方向。電動勢的大小等于電源兩端的電位差，它只取決于電源本身的性質(zhì)，與外電路的性質(zhì)以及是否接通外電路無關(guān)。每個電源都有一定的電動勢。電動勢的方向一般規(guī)定為由電源的負極指向正極，即非電場力推動正電荷運動的方向。 三、電壓源和電流源 電源兩端保持固定電壓值不變的電源稱為理想電壓源。它有兩個基本的性質(zhì)：電源的端電壓或者電源的電動勢是確定的值，與流過的電流無關(guān)；流過電源的電流的大小由外電路決定。實際上，理想的電壓源是不存在的。任何類型的電壓源的內(nèi)部都存在電阻，因而電流流過時總要消耗一定的電能。實際的電壓源常利用一個理想電壓源和一個電阻串聯(lián)的形式來等效。電壓源的電路符號如圖1-8所示。 （a）理想

18、電壓源 （b）實際電壓源 圖1-8電壓源的電路符號 能夠提供一定電流的電源稱為理想電流源。它有兩個基本性質(zhì)：電源對外輸出的電流是確定的值，與電源兩端電壓無關(guān)；電源兩端電壓的大小由外電路決定。理想的電流源在實際中也是不存在的。實際的電流源常利用一個理想的電流源和一個電阻并聯(lián)的形式來等效。電流源的電路符號如圖1-9所示。 （a）理想電流源 （b）實際電流源 圖1-9電流源的電路符號 第四節(jié)第四節(jié) 電阻和歐姆定律電阻和歐姆定律 一、電阻 流過導(dǎo)體的電流是由自由電子的定向移動形成的。自由電子在移動過程中并不是暢通無阻的，組成導(dǎo)體的其他粒子要跟它們相互碰撞，從而阻礙自由電子的定向移動。這種阻礙作用的大小

19、可利用電阻來表征。電阻的國際單位為歐姆（）（簡稱歐）。常用的電阻單位有千歐（k）、兆歐（M） 任何物質(zhì)都有電阻。不同的物體對電流的阻礙作用是不同的。實驗表明，金屬導(dǎo)體的電阻是由它本身的物理性質(zhì)（即導(dǎo)體的長短、粗細、材料性質(zhì)和溫度等）決定的。在溫度不變的條件下，導(dǎo)體的電阻R與它的長度l成正比，與它的橫截面積S成反比，即： R=l/S （1-9） 式中，為構(gòu)成導(dǎo)體的材料的電阻率。式（1-9）所反映的關(guān)系叫做電阻定律，它是確定導(dǎo)體電阻值的定律。電阻率是用來表示物質(zhì)電阻特性的物理量。在一定溫度下，用某種材料制成長為1m、橫截面積為1m2的導(dǎo)體，其所具有的電阻在數(shù)值上便等于這種材料的電阻率。電阻率的國際

20、單位是歐米（m）。 電阻率與材料的性質(zhì)和溫度有關(guān)，與尺寸無關(guān)。不同材料的電阻率是不同的，同一材料在不同溫度下的電阻率也是不同的。但是，在一定溫度下，對于同一種材料，其電阻率是常數(shù)。材料的電阻率越大，表明材料的導(dǎo)電性能越差。 電阻率隨溫度的變化可以利用溫度系數(shù)來表示，即溫度升高1時，電阻率所變動的數(shù)值。在溫度變化不大的范圍內(nèi)，幾乎所有金屬的電阻率都隨溫度作線性變化，即： =0(1+t) （1-10） 式中，0為0時的電阻率，為電阻率的溫度系數(shù)，t為攝氏溫度的變化量。 二、歐姆定律 在介紹電源時曾提到，實際的電路包括兩部分：內(nèi)電路和外電路。下面我們討論簡單電路的歐姆定律。對于圖1-10所示的電路，

21、電源的電動勢E和內(nèi)阻r構(gòu)成內(nèi)電路，負載電阻R構(gòu)成外電路。 圖1-10簡單閉合電路模型 1.部分電路的歐姆定律初中物理介紹了對于一段電阻電路，電路中的電流強度I與加在這段電路兩端的電壓U成正比，與電阻R成反比，這個規(guī)律只是針對整個電路的其中一部分而言的，因此也被稱為部分電路的歐姆定律，用公式表示如下： I=U/R （1-11）根據(jù)式（1-11），如果已知電壓、電流、電阻3個物理量中的任意兩個，可以求出另一個物理量。2.全電路的歐姆定律部分電路的歐姆定律所研究的對象只是電路的一部分，而實際應(yīng)用中往往遇到包含電源在內(nèi)的整個電路。為了確定這時電路中的電壓和電流，可以采用能量守恒定律和焦耳定律來討論。對

22、于圖1-10所示電路，根據(jù)能量守恒定律可知，電動勢提供的功率等于電源內(nèi)阻r、負載電阻R消耗的功率之和，即： EI=Uri +URI （1-12）式中，Ur是電源內(nèi)阻r上的電壓，稱為內(nèi)電壓；UR是整個外電路負載R上的電壓，稱為外電壓，也叫做路端電壓；I是電路中的電流。于是： E= Ur+ UR （1-13） 根據(jù)部分電路的歐姆定律，內(nèi)阻r和電阻R上的電壓又可寫成： Ur =Ir （1-14） UR =IR （1-15） 把式（1-14）和式（1-15）代入式（1-13），得到E=Ir+IR，進一步整理可得： I=E/(R+r) （1-16） 式（1-16）表明，閉合電路中的電流強度跟電源的電動勢

23、成正比，跟電路的總電阻（外電阻與內(nèi)電阻之和）成反比。這一規(guī)律便是全電路的歐姆定律。3電源的外特性根據(jù)式（1-16）還可以得到：UR=E-Ir（1-17）它給出了電路的端電壓UR與負載電流之間的變化關(guān)系，稱為電源的外特性。顯然，當(dāng)R增大時，I減小，路端電壓將增大。當(dāng)R很大時，電路相當(dāng)于開路，I0，URE；當(dāng)R很小時，電路相當(dāng)于短路，IE/r，UR0。由于電源的內(nèi)阻通常很小，一旦負載短路，電路中的電流將變得很大，這樣很容易損壞電源，甚至引起火災(zāi)，所以要盡可能的避免讓負載短路。4.電阻元件上消耗的能量與功率根據(jù)全電路的歐姆定律可知，隨著負載的變化，電路的端電壓也會發(fā)生相應(yīng)的變化，電路中的電流也會變化，從而負載上消耗的功率也隨著發(fā)生變化。計算外電阻消耗的功率P有多種方法。如： P=URI=I2R=UR2/R （1-18）又如： P=EI-UrI=EI-I2r （1-19）理論分析表明，當(dāng)外電路的負載電阻R等于電源內(nèi)阻r時，即R=r，負載電阻從電源獲得的功率最大。 Pmax=E2/4r=E2/4R （1-20） 5.伏安特性曲線 在溫度一定的條件下，在電阻元件上加不同的電壓時測得不同的電流，然后在直角坐標(biāo)系中，以電壓為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)，可畫出U-I關(guān)系曲線，叫做電阻元件的伏安特性曲線。如果電阻元件的