1.1 电路及其基本物理量

1.1.1 电路和电路图

1. 电路

电路就是电的流通路径，通常由电源、负载、连接导线和控制器组成。其中，电源是将非电能转换为电能的设备，如电池、发电机等；负载是将电能转换为非电能的设备，如电灯、电炉、电动机等；连接导线用以传输及分配电能，控制器用来控制电路通断、保护电源，如开关、保险丝、继电器等。图1-1是一个简单的电路，也就是我们日常生活中经常用到的手电简单电路。

2. 电路图

在实际工作中，为便于分析，通常将电路中的实际元件用图形符号表示在电路中，称为电路原理图，也叫电路图，图1-2所示的是图1-1的电路图。

图1-3所示的是电路图中几种常用元件符号。

3. 串联电路和并联电路

按图1-4所示的那样，把两只小灯泡顺次连接在电路里，一只灯泡亮时另一只也亮。像这样把元件逐个顺次连接起来，就组成了串联电路。

如果要求两只灯泡可以各自开和关，互不影响，可以按图1-5所示的那样，把两只灯泡并列地接在电路中，并各自安装一个开关。像这样把元件并列地连接起来，就组成了并联电路。

串联电路和并联电路是最基本的电路，它们的实际应用非常普遍。市场上出售的一种装饰用小彩灯，经常被用来装饰店堂、居室，烘托欢乐的气氛，其中的几十只彩色小灯泡就是串联的。在我们的家庭中，像电灯、电风扇、电冰箱、电视机等用电器，都是并联在电路中的，如图1-6所示。

有了串联电路和并联电路的知识，就可以根据实际需要来连接电路了，如果要使几个电器总是同时工作（只要有一个开路，其他的就停止工作），可以把它们串联在电路中，如果要求几个用电器可以分别控制，就应该把它们并联在电路中，并且分别装上开关。

1.1.2 电路基本物理量

1. 电流

（1）电流的定义

水管中的水流有大有小，在相同的时间内，从水管中流出的水越多，水流就越大。导体中的电流也有大小，但是电流看不见、摸不着，怎样才能知道它的大小呢？

人们发现，电流通过导体时会产生各种效应。我们可以根据产生的效应的大小来判断电流的大小。电流通过灯泡时，灯丝变热而发光，这是电流的热效应。电流还可以产生磁效应，我们将在以后相关章节中学习，下面我们做以下实验，来判断电流的大小。

实验时，把一只小灯泡用导线跟一节干电池连通，再把这只小灯泡跟两节干电池连通，注意观察这两种情况下灯泡的发光亮度。

从实验可以看出，用一节干电池时，小灯泡发光较暗，用两节干电池时，小灯泡发光较亮。对同一小灯泡，越亮就表示通过它的电流产生的效应越大，也就是电流越大。电流是由电荷的移动形成的，在一定时间内，通过导体某一横截面的电荷越多，即电量越多，电流就越大。

电流的大小用电流强度（简称电流）表示，电流强度等于1秒内通过导体横截面的电量，国际上通常用字母I表示电流，如果用q表示通过导体横截面的电量，t表示通电时间，那么：

如果上式中q的单位用库，时间t的单位用秒，电流I的单位就是安培，简称安，符号是A。如果在1秒钟内通过导体横截面的电量是1库，导体中的电流就是1安。

1安=1库/1秒

如果10秒内通过导体横截面的电量是20库，那么导体中的电流：

I=q/t=20库/10秒=2安

常用的电流单位还有毫安（mA）和微安（μA），电流单位的换算关系如下：

1A=1000mA

1mA=1000μA

（2）电流的方向

电流不但有大小，而且还有方向，习惯规定正电荷运动的方向或负电荷（自由电子）运动的反方向为电流的实际方向。电路中电流数值的正与负与参考方向密切相关。

参考方向是计算复杂电路时任意假定的电流或电压的方向，并不一定是它们的实际方向，所以，参考方向仅仅是计算电流或电压值和确定其实际方向的依据。

引入参考方向这个概念的目的在于，可以用代数量说明电流的大小和方向，代数量的绝对值表示电流的大小，正值和负值可以判定它们的实际方向。

引入参考方向解决了电路中电流值的计算及实际方向的确定问题，那么参考方向怎样设置，代数量怎样表示电流的大小和方向呢？

参考方向是任意假定的电流的方向，如图1-7（a）、（b）所示，电流的方向不是a到b，就是b到a，可以任意选定一个方向。

若电流的计算值为正，表示实际方向与参考方向相同，见图1-7（a）。

若电流（或电压）的计算值为负，表示实际方向与参考方向相反，见图1-7（b）。

注意事项：电流的实际方向是客观存在的，与参考方向的设置无关。参考方向假定的电流的方向，是计算的唯一依据，一经选定，在电路计算中就要以此为标准，不能随意变动。在不注明参考方向时，电流的正负值均无意义。对同一电流，若参考方向选择不同，计算结果数值相同，正负相反。

（3）电流的分类

电流可分为直流电流和交流电流两大类。

直流电流是大小和方向不随时间变化的恒定电流，如图1-8所示。

交流电流是大小和方向均随时间变化的电流，常见的交流电流主要有正弦交流电流（如图1-9所示）和锯齿波电流（如图1-10所示）等，交流电流一般用小写字母i表示。

为便于理解和记忆，现将电流小结如下（如表1-1所示）。

2. 电压

（1）电压的定义

为了衡量电场力做功的大小，引入了电压这个物理量。从电场力做功概念出发，电压就是将单位正电荷从电路中一点移至电路中另一点时，电场力做功的大小，如图1-11所示。

电压类似于我们生活中常说的水压，其定义为：a、b两点间的电压Uab在数值上等于把单位正电荷从a点移到b点时，电场力所做的功，用公式表示为：

电压的单位是伏特，简称伏，符号是V，一节干电池的电压U=1.5V，家庭电路的电压U=220V。比伏大的单位有千伏（kV），比伏小的单位有毫伏（mV）、微伏（μV）等。它们的换算关系如下：

1kV＝1000V

1V＝1000mV

1mV＝1000μV

（2）电压的方向

电压不但有大小，而且还有方向，电压的实际方向规定由实际高电位指向实际低电位。在不知道电压实际方向时，可以先假定一个参考方向。

参考方向是任意假定的电压的方向。如图1-12（a）、（b）所示，电压的方向不是a到b，就是b到a，你可以任意选定一个方向。

若电压的计算值为正，表示实际方向与参考方向相同，见图1-12（a）。

若电压的计算值为负，表示实际方向与参考方向相反，见图1-12（b）。

在电路图中，一般用“+”“-”号标出电压的参考方向。“+”号为高电位，“-”号为低电位，由高电位指向低电位的方向是电压的参考方向。文字叙述时，多用字母加双下标表示参考方向。例如，在图1-12所示的电路中，电压的参考方向由a到b，可用Uab表示。

（3）电压的分类

电压可分为直流电压和变动电压两大类。

直流电压是指大小和方向均不随时间变化的电压，也称为恒定电压，一般用大写符号U表示，如图1-13所示。

大小和方向均随时间变化的电压，称为变动电压，图1-14所示的方波电压即为变动电压。

周期性变化且平均值为零的变动电压称为交流电压，常见正弦交流电压如图1-15所示。

为便于理解和记忆，现将电压小结如下，如表1-2所示。

3. 电位

在电路分析中，经常用到“电位”这个物理量，那么“电位”是什么呢？在电路中任选一参考点，计算或测量其他各点对参考点的电压降，所得的结果就是节点的电位。

对于“电位”，需要说明以下几点。

（1）电位是相对物理量，如果不确定参考点，讨论电位的高低无意义。

（2）在同一电路中，参考点不同时，各点电位值不同。

（3）在同一电路中，参考点确定后，电路中各点电位有唯一确定数值（电位单值性原理）。

（4）常选大地或设备机壳作为参考点。

（5）电位的单位与电压单位相同。

为便于理解和记忆，现将电位小结如下，如表1-3所示。

4. 电动势

电源是把其他形式的能量转化成电势能的一种装置，它能克服静电力做功，迫使正电荷从低电势处经电源内部移向高电势处，电源的作用就好像水泵的作用，水泵可以使水由水位低处经水泵移动到水位高处。

每一电源都有正、负两极（电势高的为正极），通常把电源内部正、负两极之间的电路称为内电路。正电荷由正极流出，经过外电路流入负极，然后，正电荷再靠非静电力从负极经内电路流到正极，内、外电路构成闭合电路。在电源作用下，电荷在闭合电路中往复循环流动，形成恒稳电流。

实验证明，在结构一定的电源内部，当恒稳电流通过时，其他形式的能量转变为电能的量正比于所迁移的电量；不同的电源，当一定量的电荷从电源内部通过时，其他形式的能转变为电能的多少是不同的。这表明，在不同的电源内部，非静电力移送单位电量所做的功是不同的。为了表明电源非静电力做功本领的大小，以便比较各种不同的电源，我们引入电源电动势这个概念。

电源电动势是电源中非静电力做功能力大小的标志，它在数值上等于电源内部非静电力移送单位正电荷从负极到正极所做的功。电源电动势的大小只取决于电源本身的结构和所处状态，而与外电路无关。从电动势定义知，它的单位与电压单位相同，也是焦耳/库仑（伏特）。电动势是电源特有的物理量，其值始终是正的。为便于应用，常给电动势规定一个方向：从电源的负极指向正极。

为便于理解和记忆，现将电动势小结如下，如表1-4所示。

重点提示：电动势是表示非静电力把单位正电荷从负极经电源内部移到正极所做的功，一般而言，电源的电动势越大，将其他能量转化为电能的能力越强。而电压（电势差）则表示静电力把单位正电荷从电场中的某一点移到另一点所做的功，它们是完全不同的两个概念。电动势与电压二者最明显的联系是单位相同，此外，对于一般的电源，在没有接入电路中时，其内电路的电压在数值上与电动势相同。

5. 电功

水流可以做功，例如水流可以推动水轮机做功，电流也可以做功吗？当然可以，例如，电风扇通电后，风扇电机转动起来，说明在电流通过电动机做功的过程中，电能转化为机械能。电流不仅通过电动机时做功，通过电灯、电炉等电器时都要做功，电流通过电炉时发热，电能转化为热能；电流通过电灯时，灯丝灼热发光，电能转化为光能。

电流做功的过程，实际就是电能转化为其他形式能量的过程。电流做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能量。

电流做功的多少跟什么因素有关系呢？研究表明：电流所做的功跟电压、电流和通电时间成正比。电流所做的功叫作电功，如果电压U的单位用伏特，电流I的单位用安培，时间t的单位用秒，电功W的单位用焦耳，那么计算电功的公式是：

W＝UIt（适用条件：I、U不随时间变化）

这就是说，电流在某段电路上所做的功，等于这段电路两端的电压、电路中的电流和通过时间的乘积。

通过手电筒灯泡的电流，每秒做的功大约是1J；通过普通电灯的电流，每秒做的功一般是几十焦；通过洗衣机中电动机的电流，每秒钟做的功是200J左右。

重点提示：焦耳这个单位很小，用起来不方便，生活中常用“度”作电功的单位。“度”在技术中叫作“千瓦时”，符号是“kW·h”。是指用电设备功率为1千瓦，运转1小时所耗用的电能，即为1千瓦小时或1度电的用电量。比如，一只25瓦的电灯用1个小时，其耗电为0.025度，使用40小时才耗电1千瓦小时或1度。同样，对发电设备来说，其发电量也用千瓦小时来表示，即发电设备功率为1千瓦，运转1小时所发出的电能称为1千瓦小时或1度电的发电量。度和焦耳的换算关系如下：

1度＝3.6×106焦，即1kW·h=3.6×106J

6. 电能表

电功通常用电能表，俗称电度表来测定，图1-16所示是普通电能表的实物图。把电能表接在电路中，电能表的计数上前后两次读数之差，就是这段时间内用的度数，例如，家中电能表在月初的读数是180.4度，月底的读数是202.6度，这个月家用电就是22.2度。

普通电能表的表盘上，会标出电能表的一些参数，主要包括以下几个。

（1）电压参数：表示适用电源的电压。我国低压工作电路的单相电压是220V，三相电压是380V。标定220V的电能表适用于单相普通照明电路。标定380V的电能表适用于使用三相电源的工农业生产电路。

（2）电流参数：一般电流表的电流参数有两个。如30（100）A，一个是反映测量精度和启动电流指标的标定工作电流Ib（30A），另一个是表示在满足测量标准要求情况下允许通过的最大电流Imax（100A）。如果电路中的电流超过允许通过的最大电流Imax，电能表会计数不准，甚至会损坏。

（3）电源频率：表示适用电源的频率。电源的频率表示交流电流的方向在1s内改变的次数。我国交流电的频率规定为50Hz。

（4）耗电计量参数：不同的电能表，表达方式不同。转盘式感应系电能表标的计量参数是xxx r/kW·h，其含义是用电器每消耗1kW·h的电能，电能表的铝转盘要转过xxx转。2000r/kW·h就是使用1kW·h（1度）电能会转2000圈。

图1-17所示是电能表与外电路的连接示意图。

另外，应用较多的还有电子式电能表，如图1-18所示。

电子式电能表的计量参数标注的是xxx imp/kW·h，表示用电器每消耗1kW·h的电能，电能表脉冲计数产生xxx个脉冲。3200ipm/kW·h就是使用1kW·h电能会产生3200个脉冲。

目前，国内电力主要由火电、水电、核电等发电厂提供，其中火电约占73%，水电约占17%，核电仅占4%。

7. 电功率

（1）电功率的定义

在相同的时间内，电流通过不同用电器所做的功一般并不相同。例如，在相同的时间内，电流通过电力机车的电动机所做的功，要显著地大于通过电扇的电动机所做的功，为了表示电流做功的快慢，引入了电功率的概念。

电流在单位时间内所做的功叫作电功率，电功率用P来表示，P＝W/t，而W＝UIt，所以：

P=UI

上式表明，电功率等于电压与电流的乘积。

在上式中，若电压U的单位为伏特，电流I的单位为安培，则电功率P的单位为瓦特。

电功率的单位还有千瓦，1千瓦＝1000瓦。

（2）额定值

为使电气设备安全、经济运行和保证一定的使用期限，生产部门要对产品的电压、电流、功率等值的使用范围做一定的限制，额定值就是制造厂对产品使用参数的规定。

额定值通常标注在设备的铭牌上（机壳上的一块小金属牌），所以额定值又叫铭牌数据，额定值一般用带下标N的符号表示：额定电压UN、额定电流IN、额定功率来PN。

如灯泡上标着“pZZ220-100”，表示额定电压是220V，额定功率是100W；使用时应将其接在220V电源上，此时灯泡消耗的功率是100W。若将其接在110V电源上，灯泡就很暗；若接在380V电源上，灯泡就会强烈发光，甚至造成损坏。一般情况下应按铭牌数据的规定范围使用电器。

同样，我们在电烙铁上看到的铭牌数据“36V100W”或“220V60W”，也是指的额定电压和额定功率。

1.1.3 电路的三种状态

电路在使用时，可能出现的状态有三种。

一是通路，也称闭路。是指电路中的开关闭合后构成的闭合回路，电路中有电流流过。在通常情况下，电源产生的功率等于负载消耗的功率与电源内部消耗的功率之和，符合能量守恒定律。

二是断路，也称开路。是指开关或电路中某处断开，电路中无电流流过。此时，电源输出的电压为开路电压，其值等于电源的电动势，输出功率等于零，即电源不输出功率，此时称电源处于空载状态。

三是短路，也称捷路。是指电路中的某两点直接连通，使电流走捷径。短路分为电源短路和元件短路两种情况，其中电源短路是危险的事故情况，故又称事故短路。由于短路电流很大，超过了电源、连接导线的额定电流值，因而会引起电源或导线绝缘的损坏。为了迅速排除这种事故，通常在电源开关后面安装有熔断器（FU）。一旦发生短路，大电流即刻将熔断器烧断，迅速自动切断故障电路，使电源、导线得到保护。在电工、电子技术中，有时为了某种需要，将一部分电路或某元件两端用导线相连。为了区分事故短路，把这种人为的连接称为短接。