模块一　直流电路

学习单元一　电路的基本概念

一、电路的组成及功能

1.电路的概念

在电工电子技术中，为了方便地分析和研究问题，可以将实际电路中的元器件抽象成理想化的模型，即在一定条件下突出其主要的电磁性质而忽略其次要因素。这种用理想电路元器件来代替实际电路元器件构成的电路，称为电路模型，简称为电路。电路的转换如图1-1所示。

2.电路组成

人们在日常生活或生产和科研中，广泛地使用着各种电路，如照明电路、收音机电路、电视机中的放大电路、各种控制电路等。电路提供了电流流通的路径。复杂电路呈网状，因此也把电路称为网络，是用一些电气设备或元件，按其所要完成的功能，以一定方式连接成的电流通路。电路一般由电源、负载和传输控制器件（中间环节）三部分组成。

（1）电源　产生电能的设备，如发电机、电池等。

（2）负载　取用电能的设备，如电动机、电灯、电炉等。

（3）传输控制器件　导线或开关等。

3.电路的功能

（1）实现电能的传输和转换　如电力系统电路就是这样的典型例子，发电机组将其他形式的能量转换成电能，经变压器、输电线传输到负载。

（2）实现信号的处理　如收音机和电视机中的调谐及放大电路。

二、电路的基本物理量

1.电流、电压及其参考方向

（1）电流　电荷的定向移动形成了电流，规定正电荷移动的方向为电流的方向。

电流强度：单位时间内通过导体截面的电荷量。如果电流随时间变化，用小写字母i表示：

　　        （1-1）

式中，dq为导体横截面在dt时间内通过的电荷量。电荷量的单位为库仑（C），时间dt的单位为秒（s）。

如果电流的大小和方向不随时间变化，简称直流电。用大写字母I表示，即

　　        （1-2）

在国际单位制（SI）中，电流的单位为安培（A）。常用的还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）等单位。

1kA=10³A　　　1A=10³mA=10⁶μA

电流的方向可用箭头表示，也可用字母顺序表示，如图1-2所示。用字母的双下标表示时为I_AB。

（2）电压　一般用电压来反映电场力做功的能力。电场力把单位正电荷从A点移动到B点所做的功，称为A点到B点间的电压，用u_AB表示，即

　　        （1-3）

式中，dW_AB表示电场力将dq的正电荷从A点移动到B点所做的功，单位为焦耳（J）。

在国际单位制（SI）中，电压单位为伏特（V），还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等单位。

1kV=10³V　1V=10³mV=10⁶μV

大小和方向不随时间变化的电压，称为直流电压，用大写字母U表示；大小和方向随时间变化的电压，称为交流电压，用小写字母u表示。

电压也是有方向的，习惯上把电压降低的方向作为电压的实际方向。可用“+”“-”符号表示，也可用字母的双下标表示，如图1-3所示。

（3）参考方向　在分析电路时，对复杂电路中某一元件或某一电路部分电流的实际方向有时很难确定，因此引入了电流参考方向的概念。

在一段电路或一个电路元件分析之前，任意选定一个方向，这个选定的电流方向就叫做电流的参考方向。参考方向一经选定，在电路分析和计算过程中，不能随意更改。所选定的电流参考方向并不一定就是电流的实际方向。

将电流用一个代数量来表示，若i>0，则表明电流的实际方向与参考方向是一致的，如图1-4（a）所示，若i<0，则表明电流的实际方向与参考方向不一致，如图1-4（b）所示。

电流参考方向的表示：

①用实线箭头表示；

②用双下标表示，如i_AB，其参考方向是由A指向B。

电压的参考方向可以用一个箭头表示，也可以用正（+）、负（-）极表示，如图1-6所示。

电路分析中，先标定参考方向，根据参考方向列写有关方程，计算结果的正负值与标定的参考方向就可反映出它们的实际方向。

（4）关联的参考方向　在进行电路分析时，电压和电流的参考方向原则上是任意选择的。但是为了方便，通常假定电流的参考方向从电压的参考方向的高电位端流向低电位端［图1-7（a）］，称其为关联的参考方向；反之，称为非关联方向，如图1-7（b）所示。

2.电位

在电路中任选一点O点作为参考点，某一点A到参考点的电压就叫做A点的电位。A点的电位用大写字母V_A表示。

①参考点的电位为零，即V_O=0，比该点高的电位为正，比该点低的电位为负。如图1-8（a）所示的电路中，选取O点为电位参考点，则A点的电位为正，B点的电位为负。

②其他各点的电位为该点与参考点之间的电位差。如图1-8（a）中A、B两点的电位分别为

V_A=V_A-V_O=U_AO=1V

V_B=V_B-V_O=U_BO=-2V

参考点可以任意选定，用符号“⊥”表示。

在研究同一电路系统时，只能选取一个电位参考点。图1-9所示是电路的一般画法与电子线路的习惯画法示例。

3.电动势

在电源内部，电场力将单位正电荷从电源负极移动到电源正极所做的功，称为电源的电动势。电动势只对电源而言。

电动势用e表示，电动势的方向从低电位指向高电位。表示电动势的单位也是伏特（V）。当选择电动势的参考方向与电压的参考方向相反时，u=e；当选择电动势的参考方向与电压的参考方向相同时，u=-e。

对于一个电源设备，若其电动势E与其端电压U的参考方向相反，如图1-10（a）所示，应有U=E；若参考方向相同，如图1-10（b）所示，则U=-E。本书在以后论及电源时，一般用其端电压U来表示。

4.功率

（1）功率概述　电场力在单位时间内所做的功称为电功率，简称功率，用符号p（P）表示，即

　　        （1-4）

在国际单位制（SI）中，功率的单位为瓦特（W），常用的单位还有kW、mW。其换算关系为

1W=10^-3kW=10³mW

根据功率的定义，某段电路在时间t内吸收或放出的电能为

W=pt　　        （1-5）

在国际单位制（SI）中，电能的单位是焦耳（J），常用单位有千瓦时（kW·h），平时所说的1度电即为1kW·h，有

1kW·h=1×10³×3600=3.6×10⁶（J）

（2）功率的吸收与发出　以往学过的电源和负载，一个是提供能量的器件，而另一个是消耗能量的器件。而接在复杂电路中的电源，在一定条件下也可能是负载。例如，在给蓄电池充电时，它就不是电源而是负载。在分析电路时，不仅要计算功率的大小，还要判断它是吸收功率还是发出功率。

对于直流电路，元件上的电压和电流为关联参考方向时有P=UI，非关联参考方向时有P=-UI。经过计算，若P>0，则元件吸收功率，起负载作用；若P<0，则元件发出功率，起电源作用。

三、电路的基本状态

电源与负载相连接，根据所接负载的情况，电路有三种状态：空载、短路、有载。现以图1-12所示简单直流电路为例来分析电路的各种状态，图中电动势E和内阻R₀串联，组成电压源，U₁是电源端电压，U₂是负载端电压，R_L是负载等效电阻。

1.有载状态

（1）电路的有载工作状态　如图1-12（a）所示，当开关S闭合时，电路中有电流流过，电源输出功率，负载取用功率，这种状态称为电路的有载工作状态。此时电路有下列特征：

①电路中的电流，当E和R₀一定时，电流由负载电阻R_L的大小决定，即

　　        （1-6）

②电源的端电压为

U₁=E-R₀I　　        （1-7）

忽略线路上的压降，则负载的端电压等于电源的端电压，即

U₁=U₂

（2）负载的额定工作状态　使负载工作于额定状态，是电路有载工作的一种状态，也是使电路技术性、经济性最好的一种状态。

①任何电气设备都有一定的电压、电流和功率的限额。额定值就是电气设备制造厂对产品规定的使用限额，电气设备（负载）工作在额定值的情况下就称为额定工作状态。

②电源设备工作时不一定总是输出规定的最大允许电流和功率，输出多大取决于所连接的负载。

③要合理使用电气设备，尽可能使设备工作在额定状态（“满载”状态下）。设备超过额定值工作时称“过载”。过载时间较长，则会大大缩短设备的使用寿命，严重的情况下甚至会使电气设备损坏。设备工作时电压、电流值比额定值小得多，为欠载工作状态，此时设备未能发挥其应有的效力。

电气设备的最佳状态是工作在额定值附近。

2.开路状态

开路状态又称断路或空载状态，如图1-12（b）所示，当开关S断开或连接导线折断时，电路就处于空载状态，此时电源和负载未构成通路，外电路所呈现的电阻可视为无穷大。空载状态具有下列特征：

①电路中电流为零，即I=0；

②电源的端电压等于电源的电动势，即

U₁=E-R₀I=E

3.短路状态

在图1-12（c）所示电路中，当电源两端的导线由于某种原因直接相连时，电源输出的电流不经过负载，只经连接导线直接流回电源，这种状态称为短路状态，简称短路。短路时外电路所呈现的电阻忽略为零，电路具有下列特征：

①电路中的电流仅由电源的电动势和电源的内阻决定，I_s称为短路电流。一般情况下，电源的内电阻很小，故短路电流很大。

②电源和负载的端电压均为零，即

上式表明电源的电动势全部落在电源的内阻上，因而无输出电压。

③电源的输出功率P₁和负载所吸收的功率P₂均为零，这时电源电动势发出的功率全部消耗在内电阻上。

由于电源电动势发出的功率全部消耗在内电阻上，因而会使电源发热以致损坏。通常在电路中接入熔断器等保护装置，以便在发生短路时能迅速切除电路，达到保护电源及电路器件的目的。

实验一　电流的认识及测量

实验目的

①验证电路中电流的大小。

②验证电路中电流的方向。

③掌握电路的连接。

④正确使用电流表、万用表。

⑤掌握电流的测量。

实验原理

（1）电荷的定向移动形成电流　产生电流必须具备两个基本条件：

①导体内要有可做定向移动的自由电荷，这是形成电流的内因；

②要有使自由电荷做定向移动的电场，这是形象电流的外因。

（2）电流的方向　正电荷定向运动的方向为电流的方向。

实验设备（表1-1）

实验电路图（图1-13）

实验内容及步骤

①按电路图连接线路。

②将电流表串入电路中。

③确认连线正确后再通电，将直流电流表的值记录在表内。

④按表1-2测量各电流并记录在表中。

实验数据分析及结论

①表中测得的电流数据说明什么问题？

②灯泡的亮暗情况与电路中的电流有什么联系？

③完成实验报告。