1.1 电路及其基本物理量
1.1.1 电路概述
1.电路
电路是由电气设备和元器件按一定方式连接起来的整体，它是电流所通过的路径。电路一般由电源、负载以及中间环节等部分组成。电路中供给电能的设备或器件称为电源，用电设备或元器件称为负载，中间环节如开关、导线等在电路中起到传输、分配和控制电能或电信号的作用。图1-1所示为汽车行李箱照明电路，它由蓄电池、行李箱照明灯、开关和连接导体等组成。
在日常生活和工业控制中存在各式各样的电路，如随处可见的照明电路，汽车中的温度、压力、光照、位置角度等传感器检测电路。根据实现功能的不同，电路可分为两种类型：电力电路和信号电路。电力电路用于实现能量的转换、传输和分配，如电力系统电路等；信号电路用于实现电信号的处理与传递，如汽车中的传感器电路。
电工在生活中的应用
电力系统示意图
图1-1 汽车行李箱照明电路图
2.理想元件和电路模型
实际电路中的元器件种类繁多，但在电磁现象方面一些元器件却有共同之处，如各种电阻器、照明灯、汽车扬声器等元件主要的电磁特性是消耗电能；各种电感线圈（如变压器线圈、点火线圈等）存储磁场能量；各种类型的电容器存储电场能量；而蓄电池、干电池等部件提供电能。为了便于探讨电路的一般规律，简化电路的分析，在工程上通常将实际的电路元件用理想电路元件替代，即在一定的条件下，突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把实际元件近似地看作理想电路元件，用一个理想电路元件或由几个理想元件的组合来代替实际的电路元件。因此，各类用电设备或元器件在工作时表现出的电磁现象可以用下面3个理想元件及其组合来反映。
电阻元件——用来等效消耗电能并转换成其他形式能量的实际元件，用字母R表示，简称电阻。
电感元件——用来等效存储磁场能量的实际元件，用字母L表示，简称电感。
电容元件——用来等效存储电场能量的实际元件，用字母C表示，简称电容。
电路的组成及各部分功能
此外，不考虑内阻的电源可用“理想电压源”“理想电流源”等效。理想电压源、理想电流源分别用字母US、IS表示。实际电源可用多个理想元件组合表示，如实际电压源可用理想电压源与电阻元件串联等效，实际电流源可用理想电流源与电阻元件并联等效。
理想元件电阻（R）、电感（L）、电容（C）、电压源（US）、电流源（IS）的图形符号如图1-2所示。
图1-2 理想元件图形符号
电路模型就是指用理想电路元件及其组合来代替实际电路元件构成的理想电路。图1-1所示为电路模型，电压源US与电阻Ri串联表示实际电压源，电阻R为负载。今后书中未加特殊说明，分析的电路都是指电路模型。
提示
● 电阻元件是耗能元件，电感、电容是储能元件。电感元件储存磁场能，电容元件储存电场能。
● 在不同工作条件下，实际元件可等效为不同理想元件组合。如电感线圈，在低频下，可等效为电感元件与电阻元件的串联组合，在高频下，还要考虑其电容效应。
1.1.2 电路的基本物理量
下面分别对电路的电流、电压、电位、电动势、电能以及电功率等物理量进行分析。
电流形成示意图
1.电流
电荷的定向运动形成电流，通常将正电荷移动的方向规定为电流正方向。电流的大小用电流强度来衡量，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。根据定义有
式中，i为电流强度（简称电流），单位为安培（A）。
根据电流大小和方向随时间变化的情况，把电流分为两大类。一类是电流的大小和方向都不随时间而变化，称为恒定电流，简称直流，用大写字母 I 表示。另一类是电流大小和方向都随时间变化，称为变动电流，变动电流用小写字母i表示，其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流，称为交变电流，简称交流。
电流物理量定义
交流电中，应用最广泛的是随时间按正弦函数变化的电流，称为正弦交流电。目前电力工程中所采用的电压、电流几乎都是按正弦函数变化的。
电流的方向是客观存在的。但在电路分析中，一些较为复杂的电路，有时电流的实际方向难以判断，因此在电路分析时，引入参考方向这一概念。
在一段电路上可以任意选定一个方向作为电流的流动方向，这个方向就是电流的参考方向。如图1-3所示，电流参考方向用箭头表示。当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（I＞0）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（I＜0）。例如，流经电阻的实际电流大小为5A，在不同的参考方向下，电流的表达式相差一个负号。在图1-3（a）所示参考方向下，电流I= 5A，而在图1-3（b）所示参考方向下，电流I= −5A。
图1-3 电流的参考方向
除了用箭头来表示电流的参考方向外，还可用双下标表示，如Iab表示电流参考方向从a点指向b点。
因此在分析电路时，应先确定电流参考方向，再进行电路分析计算，最后根据计算出的电流数值，就可以确定电流的实际方向。不明确电流参考方向，而谈论其正负值显然毫无意义。
电流参考方向
提示
● 在电路图上标注的电流参考方向可随意选择，而实际电流是客观存在的。
● 电流是个代数量，反映了电流的大小与实际方向。
● 同一个元件的电流参考方向选择不同，则数值相差一个负号，即Iab=−Iba。
2.电压
如图1-4所示，在导体内电荷定向运动是由于电场力的作用形成的。电压就是表征电场力对电荷做功的物理量。电路中a、b两点间电压的大小就等于电场力将单位正电荷由a点移动到b点所做的功，用符号u表示。
在直流电路中电压用大写字母U表示。电压的单位为伏特（V）。
电压的概念
两点之间电压的实际方向是由高电位点指向低电位点，所以电压也常称为电压降。为分析电路方便，与电流一样，引入电压的参考方向。当电压实际方向与其参考方向一致时，电压值为正，即U＞0；反之，当电压实际方向与其参考方向相反时，电压值为负，即U＜0。
对电压参考方向的标注除了用箭头外，还可用双下标和正（+）、负（−）极性表示。如Uab表明电压参考方向从a指向b。若用正负极性表示，电压参考方向从正极指向负极。
提示
● 同一个元件的电压参考方向选择不同，则数值相差一个负号，即Uab=−Uba。
● 一个元件上的电流与电压参考方向相同，如图1-5所示，则称为关联参考方向，否则为非关联方向。
图1-4 电压与电动势
图1-5 电压电流关联参考方向
3.电位
电压的表示方法和方向
为了方便分析电压这个物理量，电路中引入了电位的概念。在电路中任选参考点O，则电路中某点a到参考点O的电压就称为a点的电位。换言之，即电路中某点的电位实际上就是某点相对于参考点的电压，即
电位用V表示。电路参考点本身的电位VO= 0，参考点也称为零电位点。
在电路中有a、b、O三点，任选O点为参考点，则a、b两点的电位分别为Va=UaO、Vb=UbO。按照做功的定义，电场力把单位正电荷从a点移到b点所做的功，等于把单位正电荷从a点移到O点，再从O点移到b点所做的功的和，即
即
式（1-4）表明，电路中a、b两点间的电压等于a、b两点的电位差，因而电压也称为电位差。
电路中参考点用符号“⊥”表示。电力系统中，通常以大地作为参考点；电子电路中，一般选择电子设备的金属机壳或某公共点作为参考点。在汽车电路中，蓄电池负极直接或间接地通过导线连接在车身金属或车架上，即俗称“搭铁”。通常汽车中的搭铁点就是电路的参考点，电路中任一点的电位就是相对于搭铁点的电压。
【例1-1】 如图1-6所示电路，已知UAO=3V,UOB=7V。若选择O点为电位参考点，求A、B两点的电位。若选择B点为参考点，则求A、O两点的电位。
图1-6 电压与电位分析
解：（1）若选择O点为参考点，则
（2）若选择B点为参考点，则
电位的概念对实际电路的测量十分重要。对于一个实际的复杂电路，往往需要用万用表、示波器等仪器进行电压值测量，通过测量来确定其工作状态。在汽车电路中，某照明电路出现断路故障，需查找电路在何处出现断路，就可以通过测各点电位的方法来判定。测量电位时，用万用表两个表笔中的黑表笔固定接在被测电路选定的参考点（汽车搭铁）上，红表笔搭在测量点，即可测量该点电位，进而得出任意两点间的电压。这种测量方法既方便又安全。
提示
● 选择不同的参考点，同一点的电位数值不同。
● 两点间的电压大小与参考点选择无关，即电位的高低是相对的，而电压值是绝对的。
4.电动势
衡量电源力克服电场力对电荷做功能力的物理量称为电动势，用符号e表示。如图1-4所示电路中，电动势在数值上等于电源力将单位正电荷由低电位（b点）移到高电位（a点）所做的功。电动势的方向规定为在电源内部由负极板指向正极板，即从低电位点指向高电位点。直流电路中电动势用E表示，单位为伏特（V）。
电源的电动势
提示
● 电动势的实际方向从低电位点指向高电位点，即电位升。而电压的实际方向从高电位点指向低电位点，即电位降。
● 一个元件的电动势和电压是大小相等，方向相反的一对物理量，对外部电路而言，二者没有区别。
在今后的叙述中，电源常常用电压来等效表示电动势对外电路的作用。不同的电源具有不同的电压，如一般汽车蓄电池的电压通常为12V，干电池的电压为1.5V。
5.电能和电功率
在图1-5所示的电路中，a、b 两点间电压为U，电路中的电流为I，电压、电流为关联方向，由电压定义可知，在t时间内，电场力所做的功，即元件消耗（或吸收）的电能为
单位时间内消耗的电能称为电功率（简称功率），直流电路中用字母P表示，即
若在电压、电流非关联方向下，则
在我国法定计量单位中，电能的单位是焦耳（J）；功率的单位是瓦特（W）。在实际应用中，有时电能的单位用千瓦时（kW·h）表示，1kW·h俗称一度电。
提示
● 电功率是代数量，可以为正值或负值。
● P =± UI，根据参考方向关联与否，选择不同的公式，若P＞0就表示元件实际为吸收功率，P＜0表示元件实际为发出功率。
● 还可根据元件的实际电压、电流方向，判断元件是否发出或吸收功率。若实际电压、电流方向相同，元件吸收功率；若方向相反，则元件发出功率。
【例1-2】 如图1-7所示电路，已知US1= 12V,US2= 2V,I= 1A,U1= 6V,U2= 4V。求各元件的功率，并说明元件是发出功率还是吸收功率。
图1-7 例1-2电路图
解：根据功率式（1-6）和式（1-7）得
= −12W + 2W + 6W + 4W = 0，说明电路的功率平衡。
1.1.3 电路的开路和短路
1.开路状态
电路的工作状态
开路状态又称断路或空载状态，如图1-8所示，它是电路中开关断开或连接导线折断引起的一种极端运行状态。
电路空载时，外电路所呈现的电阻可视为无穷大，电路中的电流为零，即I = 0。电源的端电压等于电源电压，即U1= US，此电压称为空载电压或开路电压，用U0表示。
2.短路状态
由于电源线绝缘损坏、操作不当等引起电源的两输出端相接触，造成电源被直接短路，如图1-9所示。
图1-8 电路的开路状态
图1-9 电路的短路状态
当电源直接短路时，外电路所呈现的电阻可近似为零，此时电源中的短路电流（IS）最大，因为在一般供电系统中，电源的内电阻（Ri）很小，
，故短路电流（IS）很大。由于电路负载被短接，负载的端电压为零，负载R上无电流流过。
开路和短路是汽车电路的常见故障。汽车开路故障如图1-10所示，电路可能在1点～4点中某一点开路。例如，电路在3点处开路，则通过电位测量可知，靠近元件C处电位V3C=0V，靠近元件 B 处电位V3B=12V（蓄电池电压值）。汽车开路故障可导致电路不能正常工作，但只要排除故障，电路即可恢复正常。
图1-10 汽车开路故障
汽车中各种短路故障如图1-11所示。若元件短接可能会使电路产生过高的短路电流，从而烧毁电路，造成不可逆转的破坏。例如，在图1-11（a）所示电路中，若元件 A 和元件C是开关，元件B是负载，B被短接直接导致电源短路而烧毁。在图1-11（b）所示电路中，元件B和元件C一端短接，使元件B和元件C所在支路的开关失去应有的作用，可能导致元器件损坏。在图1-11（c）所示电路中，元件C被短路，若元件C是开关，则开关C失去作用，若元件C是负载灯泡，元件A、B是开关，则电路电源被短接。因此实际电路中必须设置短路保护装置，最常用的是安装熔断器作短路保护。
图1-11 汽车短路故障
【例1-3】 图1-12所示为某汽车门灯电路图，蓄电池电压US= 12V，内阻Ri= 0.2Ω，灯泡为12V、6W，试求：
图1-12 门灯电路图
（1）空载电压（U0）；
（2）短路电流（IS）；
（3）忽略内阻压降，正常工作时的电流（I）。
解：（1）U0= US= 12V
（3）忽略内阻压降，则
由上述计算可知，短路电流远远大于正常工作电流，很容易烧毁电源与设备，同时短路时电流产生强大的电磁力会造成机械上的损失。
提示
汽车电路常见检测工具包括跨接线、试灯、试电笔、万用表等。