電路知識基礎入門

一、電路

如圖1——1a所示，用開關和導線將干電池和小燈泡連接起來，只要合上開關，有電流流過，小燈泡就會亮起來。與此相似，將電風扇接上電源，只要合上開關，有電流流過，電風扇就會轉起來（圖1——1b）。像這樣電流流通的路徑稱為電路。

圖1——1c、d是用電器符號描述電路連接情況的圖，稱為電路原理圖，簡稱電路圖。

圖1——1e是用功能塊表明電路中各部分之間關系的圖，稱方框圖。

在上述兩個電路中，電源是提供電能的裝置；開關是控制裝置，控制電路的導通（ON）和斷開（OFF）；小燈泡和電動機是消耗電能的裝置，稱用電器，也稱負載；導線在電路中起連接作用。

二、電流

1.電流的形成

電路中有電流通過，也就意味著電路中有電荷處于移動狀態，移動的電荷又載流子。載流子是多種多樣的，例如，金屬導體中的自由電子、電解液中的離子等。載流子在外加電壓的作用下產生有規則的涌動，便形成了電流（圖1——4）。

2.電流的方向

習慣上規定正電荷移動的方向為電流的方向，因此電流的方向實際上與電子移動的方向相反。

若電流的方向和大小恒定不變，則稱其為穩恒電流（圖1——5a），簡稱直流，用DC表示。若電流的大小和方向都隨時間而變化，則為交變電流（圖1——5b），簡稱交流，用AC表示。例如圖1——1所示電路，小燈泡是由直流電源（干電池）供電的，稱為直流電路；電風扇是由交流電源供電的，稱為交流電路。

在分析和計算較為復雜的直流電路時，經常會遇到某一電流的實際方向難以確定的情況，這時可先任意假定一個電流的參考方向，然后根據電流的參考方向列方程求解。如果計算結果I》0，表明電流的實際方向與參考方向相同（圖1——6a）；如果計算結果I《0，表明電流的實際方向與參考方向相反（圖1——6b）。

【例1——1】如圖1—7所示電路中，電流參考方向已選定，已知I1=1 A，I2= —3A，I3=—5A，試指出電流的實際方向。

解：

I1的實際方向與參考方向相同，即電流由a流向b，大小為1A；

I2的實際方向與參考方向相反，即電流由b流向a，大小為3A；

I3的實際方向與參考方向相反，即電流由a流向b，大小為5A。

3.電流的大小

在單位實際內，通過導體橫截面積的電荷量越多，就表示流過該導體的電流越強，若在t時間內通過導體橫截面積的電荷量是Q，則電流I可以用下式表示：

I=Q/t

電流的單位名稱是安培，簡稱安，用符號A表示；電量單位的名稱是庫倫，簡稱庫，用符號C表示。式中，I、Q、t的單位分別為 A、C、s。常用的電流單位還有毫安（mA）和微安（μA）。

1Ma=10-3A

1Μa=10-3Ma

4.電流的測量

（1）對交、直流電流應分別使用交流電流表和直流電流表測量。

（2）電流表必須串接到被測量的電路中。

（3）直流電流表表殼接線柱上標明的“+”“-”記號，應和電路的極性相一致（圖1——8），不能接錯，否則指針要反轉，既影響正常測量，也容易損壞電流表。

（4）每個電流表都有一定的測量范圍，稱為電流表的量程。一般被測電流的數值在電流表量程的一半以上，讀數較為準確。因此在測量之前應先估計被測電流大小，以便選擇適當量程的電流表。若無法估計，可先用電流表的最大量程擋測量，若指針偏轉不到1/3刻度，再改用較小擋去測量，直到測得正確數為止。

不允許將電流表不經過任何負載而直接連接到電源的兩極，否則會造成電源短路，電流表也可能損害（圖1——9）。

三、電壓、電位和電動勢

1.電壓

在金屬導體中雖然有許多自由電子，但只有在外加電場的作用下，這些自由電子才能作有規則的定向移動而形成電流。電場力將單位正電荷從a點移動到b點所做的功，稱為a、b兩點間的電壓，用uab表示。電壓單位的名稱是伏特，簡稱伏，用V表示。

電壓與電流的關系和水壓與水流的關系有相似之處。

在圖1——10所示裝置中，由于用水泵不斷將水槽乙中的水抽送到水槽甲中，使A處比B處水位高，即A、B之間形成了水壓，水管中的水便由A處向B處流動，從而推動水車旋轉。

在圖1——11所示電路中，由于電源的正、負極間存在著電壓，電路中便有正電荷有正極流向負極（實際上是負電荷由負極流向正極），從而使電燈發光。

電壓的實際方向即為正電荷在電場中的受力方向。在計算較復雜電路時，常常對電壓的實際方向難以判斷，因此也要先設定電壓的參考方向。原則上電壓的參考方向可任意選取，但如果已知電流參考方向，則電壓參考方向最好選擇與電流一致，稱為關聯參考方向。當電壓的實際方向與參考方向一致時，電壓為正值；反之，為負值。

電壓的參考方向有三種表示方法，如圖1——12所示。

【例1——2】已知圖1—12a中，U=5V；圖1—12b中，U= —V；圖1—12c中，Uab= —4V。試指出電壓的實際方向。

解：

圖1-12a中，U=5V》0，說明電壓的實際參考方向與參考方向相同，即由a指向b

圖1-12b中，U= -2V《0，說明電壓的實際參考方向與參考方向相反，即由b指向a

圖1-12c中，Uab= -4V《0，說明電壓的實際參考方向與參考方向相反，即由b指向a

2.電位

如果在電路中選定一個參考點，則電路中某一個與參考點之間的電壓即為該點的電位。電位的單位也是V。

電路中任意兩點之間的電位差就等于這兩點之間的電壓，即Uab=Ua—Ub，故電壓又稱電位差。

3.電動勢

在圖1——10中，水泵的作用是不斷地把水從乙水槽抽送到甲水槽，從而使A、B之間始終保持一定的水位差，這樣水管中才能有持續的水流。在圖1—11中，電源的作用和水泵相似，它不斷地將正電荷從電源負極經電源內部移向正極，從而使電源的正、負極之間始終保持一定的電位差（電壓），這樣電路中才能有持續的電流。

電源將正電荷從電源負極經電源內部移到正極的能力用電動勢表示，電動勢符號為E，單位為V。

電源電動勢在數值上等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓。電動勢的方向規定為在電源內部由負極指向正極（圖1—13）。

對于一個電源來說，既有電動勢，又有端電壓。電動勢只存在電源內部，而端電壓則是電源加在外電路兩端的電壓，其方向由正極指向負極。一般情況下，電源的端電壓總是低于電源內部的電動勢，只有當電源開路時，電源的端電源才能與電源的電動勢相等。

4.電壓的測量

（1）對交、直流電壓應分別采用交流電壓表和直流電壓表測量。

（2）電壓表必須并聯在被測電路的兩端。

（3）直流電壓表表殼線柱上表明的“+” “-”記號，應和被測兩點的電位相一致，即“+”端接高電位，“—”端接低電位，不能接錯，否則指針要反轉，并會損害電壓表（圖1-19）

（4）合理選擇電壓表的量程，其方法和電流表相同。