電路的基本概念
1.1 什么是電？
初中物理課上我們學過摩擦生電。用梳子梳干頭發時，經常會聽到“噼里啪啦”的聲音，如果是暗色系，還能看到一些細小的火花。把梳子放在一堆小紙片附近，小紙片就會被梳子吸起來。什么是電？電是一種特殊的能量，叫做電能。
世界是物質的，自然界的一切物質都是由分子構成的，分子又由原子構成，每個原子的中心是原子核，原子核周圍有若干個電子，它們沿著一定的軌道高速旋轉。原子核帶正電，電子帶負電。原子在不受外力作用時，原子核所帶的正電荷與外層電子所帶的負電荷相等，原子與外界處于平衡狀態，不表現出電性質。
不同的原子，原子核不同，原子核周圍電子數也不同。例如，銅、鋁原子的原子結構如圖1-1所示。銅原子核有29個帶正電的質子，29個帶負電的中子，原子核外電子分布四層，最外層只有一個電子，如圖1.1（a）所示。鋁原子核有13個質子，13個中子，與原子核外質子數相等，最外層只有一個電子，如圖1.1（b）所示。
（a）銅原子結構示意圖（b）鋁原子結構示意圖
圖1 原子結構示意圖
最外層軌道的電子距離原子核較遠，受原子核的束縛較少，當受到外界因素（如熱、光、機械力）作用時，它們很容易脫離原有軌道，成為自由電子。銅、鋁等金屬的外層電子不穩定，常溫下會脫離軌道成為自由電子（如每cm3銅含有8×1032個自由電子）。
如果一個原子失去一個或多個外層電子，它的電平衡就被破壞，正電荷大于負電荷，這個原子就帶正電；同樣：如果飛出軌道的電子被另一個原子吸收，另一個原子就會帶負電。這就是電的本質。
我們用的電都是由發電廠的發電機組發出的，經過高壓輸變電送到千家萬戶，目前發電的方式有很多種，有火力發電、水力發電、太陽能發電、風力發電、核能發電等。
1.1.2 什么是電路？
電路是電流所走的路徑。
1 電路結構
電路是由元器件按照一定的方式組合而成的。圖1.2所示的電路是手電筒最簡單的物理連接電路，由電源（干電池）、負載（燈泡）和中間環節（包括連接線和開關）三部分組成。在電路中，隨著電流的流動，進行著不同形式能量之間的轉換。
電源是將非電能轉換成電能的裝置。例如，干電池和蓄電池將化學能轉換成電能，而發電機則將熱能、水能或原子能轉換成電能。因此，電源是電路中的能量源，是驅動電流運動的源頭。非電能到電能的轉換是在它內部進行的。
圖2 手電筒簡單物理連接電路
負載是將電能轉換成非電能的設備，如燈泡把電能轉換成光能，電爐把電能轉換成熱能，電動機把電能轉換成機械能。所以，負載是電路中的接收器，是取用電能的設備，從電能到非電能的轉換都是在它內部進行的。
中間環節是連接電源與負載的部件，起著傳輸和控制電能的作用。
2.2 簡單電路
圖3為電路圖，電路元件有干電池E、燈泡HL、開關S和導線。燈泡HL為電阻元件R；E為電源，其內阻為R0；干電池與燈泡之間的中間環節為開關S，其電阻可忽略，可認為是無電阻的理想導體。
3 電路功能
圖3 簡單電路圖
（1）傳輸和處理信號電路的功能之一就是傳輸和處理信號。一個常見的例子就是揚聲器。麥克風先把語言或音樂（通常稱為信息）轉換成相應的電壓和電流，也就是電信號，再通過電路傳輸給揚聲器，把電信號還原為語言或音樂。由于麥克風輸出的龜速信號比較弱，不足以推動揚聲器發音，所以中間要用放大器進行放大。這種對信號的轉換和放大就叫做信號處理。
（2）信號傳輸與轉換
供電系統中的電源電路起著實現電能的傳輸和轉換的作用。發電廠發出的高壓電通過高壓線路輸送到各地，再通過變壓器轉換成低壓電。這類電路一般要求在傳輸和轉換過程中盡可能減少能量損耗，以提高效率。
1.2 直流電路
直流電路中電壓和電流的大小和方向不隨時間而改變。
1.2.1 基本概念
1.電壓
河水之所以能流動，是因為有水位差，水總是從高水位流向低水位。電荷之所以能流動，是因為有電位差，電路中任意兩點間的電位差稱為兩點間的電壓。電壓是電流形成的主要條件。電路中電壓常用U表示，單位為伏特（V）。大單位可用千伏（kV）表示，小單位常用毫伏（mV）或微伏（μV）表示。它們之間的關系如下。
1千伏=1000伏
1伏=
lmV=1000μV
我國規定的標準電壓等級有很多，如直流安全電壓有12V、24V、36V，工業直流電壓有110V、220V，民用市電電壓有220V交流，工業電源電壓有380V交流，高壓配電電壓有6kV、10kV，高壓輸電電壓有110kV，長距離超高壓輸電電壓有330kV、500kV等。
電壓可用電壓表測量。測量時，將電壓表并聯到電路中，選擇電壓表指針接近全偏的量程。如果無法估計電路中的電壓，請先使用較大的量程，進行粗略測量，然后再使用合適的量程。這樣可以防止電壓過大而損壞電壓表。
2. 潛力
電場中某一點電荷的勢能與其電荷之比為該點的電位。若U代表電位，A代表電荷q的勢能，則
烏茲別克斯坦
其中，U的單位為V，A的單位為J，q的單位為C。
在指定電路中某點的電位時，必須先確定參考點。如果其電位為零，則電路中某點的電位在數值上等于該點到參考點的電壓。因此，電位的大小與參考點的選擇有關。所有用于電位計算的參考點都用地符號（上圖）表示。這種選擇便于計算，計算器不需要自由選擇參考點。
3. 電源
把其他形式的能量轉換成電能的裝置稱為電源。例如，發電機可以把機械能轉換成電能，電池可以把化學能轉換成電能。干電池、發電機等都稱為電源。
通過整流電路把交流電變成直流電的裝置叫整流電源。能提供信號的電子設備叫信號源。晶體管能把前面來的信號放大，并把放大后的信號傳送給后面的電路。晶體管也可以看作后面電路的信號源。整流電源和信號源有時也叫電源。
4. 電動勢
電動勢是反映電源將其他形式的能量轉換成電能的能力的物理量。電動勢在電源兩端產生電壓。在電路中，電動勢常用E表示，單位為伏特（V）。
5. 電位差
電位差就是兩點之間的電位差，若a、b點電位分別為10V、5V，則兩點之間的電位差Uab=10V-5V=5V；反之，Uba=5V-10V=-5V。
6. 當前
電荷的定向運動叫做電流。在電路中，電流常用J表示。電流有兩種：直流電和交流電。大小和方向不隨時間變化的電流稱為直流電，大小和方向隨時間變化的電流稱為交流電。電流的單位是安培（A），也常用毫安（mA）或微安（μA）作為單位。它們之間的關系是
1kA=1000A
1A=
1毫安=1000微安
直流電流的方向是從電源正極流向電源負極。
電流可用電流表測量。測量時，將電流表串聯在電路中，選擇電流表指針接近全偏的量程。如果無法估計電路中的電流，先用較大的量程，粗略測量，然后再用合適的量程。這樣可以防止電流過大而損壞電流表。
7. 加載
把電能轉換成其他形式能量的設備稱為負載。例如，電動機可以將電能轉換成機械能，燈泡可以將電能轉換成熱能和光能，揚聲器可以將電能轉換成聲能。電機、電阻、燈泡、揚聲器等都稱為負載。后級的晶體管也可以看作是前級的負載。
8.抵抗
在電路中，阻礙電流通過而造成能量消耗的元件稱為電阻器。電阻常用R表示，單位為歐姆（Ω），也常用千歐姆（kΩ）或兆歐姆（MΩ）作為單位。它們之間的關系是
1kΩ=1000Ω
1MΩ=Ω
導體的電阻由導體的材質、截面積、長度及溫度所決定，一般導體的電阻可利用下列公式計算：
R=ρL/S
式中L為導體長度（m）；S為導體截面積（mm2）；ρ為導體電阻率（Q·mm2/m）。
電阻率ρ是電學計算中的一個重要物理常數。不同材料制成的物體，其電阻率是不同的。其值相當于在溫度為+20℃時，用這種材料制成的長度為1米、截面積為1mm2的導線的電阻值。電阻率的大小直接反映了各種材料導電性能的好壞。材料的電阻率越大，其導電性能越差；電阻率越小，其導電性能越好。
電阻可用萬用表的歐姆檔測量。測量時，選擇萬用表指針偏出一半的歐姆檔。如果被測電阻焊接在電路中，測量前應將一端斷開，且人體不要接觸電阻引線。
常用金屬材料的電阻率如表1-1所示。
表1-1 常見金屬材料電阻率（20℃）
9.電容器
電容是衡量導體儲存電荷能力的物理量。當在兩根絕緣導體上施加一定的電壓時，它們會儲存一定的電荷。一根導體儲存正電荷，另一根導體儲存等量的負電荷。施加的電壓越大，儲存的電荷越多。儲存電荷的數量與施加的電壓成正比，它們的比值稱為電容。如果用U表示電壓英語作文，用Q表示電荷，用C表示電容，則
問題=UC
電容的單位是法拉（F），也有常用微法拉（μF）或皮法拉（pF）作為單位的。它們的關系是
1F=106μF
1樓=
電容可以用電容測試儀測量，也可以使用萬用表的歐姆范圍粗略估計。
10.電感
電感是衡量線圈產生電磁感應能力的物理量。當電流通過線圈時，線圈周圍就會產生磁場，有磁通量穿過線圈。通過線圈的電流越大，磁場越強，通過線圈的磁通量也越大。實驗證明，通過線圈的磁通量與通過線圈的電流成正比。它們的比值稱為自感系數，也叫電感。設通過線圈的磁通量用Si表示，電流用I表示，電感量用L表示，則
比例尺=Q/I
電感的單位是亨利（H），也有常用毫亨利（mH）或微亨利（μH）作為單位的。它們的關系為
1H=
1毫亨=1000微亨
11. 電力
當電流流過電路時，就會發生能量的轉換。在電源內部，外力不斷克服電場力，驅使正負電荷向電源兩極移動做功，把其他形式的能量轉換成電能。通過外電路，電荷不斷被送到負載，把電能轉換成其他形式的能量。
負載所消耗的電能等于端電壓與電荷的乘積，電荷等于電流與時間的乘積，即
A=UQ=IUt (1-5)
式中，A為電能，單位為J；U為端電壓，單位為V；Q為電荷，單位為C。
1 2. 電氣工作
電流所做的功等于電路所消耗的電能，電路中消耗的電能等于電路中移動電荷所做的功。
答：U2/Rt
一氧化碳
1 3. 電力
電路在單位時間內產生或消耗的電能叫做電功率，簡稱功率，用P表示，單位為W。
P=A／t=IUt／t=IU (1-8)
P=U2/R（1-9）
P=I2R（1-10）
其中P為電功率（W，1W=lJ/s）；t為時間（s）。
14. 指揮
能良好地傳導電流的物體稱為導體。由導體制成的電工材料稱為導電材料。金屬是常用的導電材料。除金屬外，其他物質如大地、人體、自然界的水、酸、堿、鹽及其溶液等都是導體。
金屬之所以能很好地傳導電流，是由其原子結構決定的。金屬原子的最外層電子與原子核的結合較松散，因此這些電子很容易脫離自己的原子核而與其他原子核結合。失去電子的原子又有新的電子可以與之結合，這一系列過程就是導電的過程。銀的電阻率最低，導電性最好，但由于價格昂貴，只在極少數地方使用，如開關觸點等。一般電器設備中，銅和鋁的使用最為廣泛。
還有一些材料雖然能導電，但電阻率卻很大磁通量與電壓的關系，人們常常用它們作為某些電器中的電阻材料或電熱材料，如電爐或電烤箱中的加熱絲等。
1 5. 絕緣子
不能導電或導電性很差的物體稱為絕緣體。常見的絕緣體有木材、石材、橡膠、玻璃、云母和瓷器等。絕緣體的原子結構與導體不同，絕緣體的電子與原子核結合緊密，難以分離。當這類物質接上電源后，流過它們的電流極小（幾乎接近于零）。其絕緣作用可用來隔離電位不同的帶電物體。
一般來說，對絕緣材料的要求是極高的絕緣電阻和電氣強度、良好的耐熱性和耐濕性、較高的機械強度和易于加工。
空氣是我們大家非常熟悉的，在自然界中被廣泛用作天然絕緣材料磁通量與電壓的關系，紙、礦物油、橡膠、陶瓷等都是應用廣泛的絕緣材料。近年來，由于有機合成工業的興起，各種絕緣材料不斷被推出，為制造新型電氣設備提供了良好的條件。
絕緣材料在長期的電、熱作用下，特別是在化學腐蝕的情況下，會逐漸老化，降低其原有的電氣性能和機械性能，有時甚至會完全喪失絕緣性能。因此，定期檢查絕緣性能是電氣設備維護中的主要工作之一。絕緣電阻是絕緣材料的主要技術指標。常用兆歐表測量設備的絕緣電阻。一般低壓電器設備的絕緣電阻應大于0.5MΩ。對于移動電器和在潮濕場所使用的電器，絕緣電阻應稍大一些。
16. 半導體
所謂半導體，顧名思義，就是導電性介于導體和絕緣體之間的物質，硅、鍺、硒以及大部分金屬氧化物、硫化物都是半導體。
半導體的電導率在不同條件下差別很大。例如有些半導體（如鈷、錳、鎳等的氧化物）對溫度特別敏感，當環境溫度升高時，它們的電導率就增大很多。各種熱敏電阻就是利用這種特性制成的。又例如有些半導體（如鎘、鉛等的硫化物和硒化物）在光照下，導電性就很強；沒有光照時，就變得像絕緣體一樣不導電。各種光敏電阻就是利用這種特性制成的。．
更重要的是，如果在純半導體中加入微量的某些雜質，可使電導率提高數十萬甚至數百萬倍。例如在純硅中加入百萬分之一的硼后，硅的電阻率由約2×103Ω·m降低至約4×10_3Ω·m。利用這一特性可制作各種用途的半導體器件，如半導體二極管、三極管、場效應管和晶閘管等。
1.2.2 電路的幾種狀態
（1）開路狀態（斷路狀態）
當電路的開關斷開時，稱為斷路。其特點是電流為零，電源端的電壓值為電源兩端的電動勢。電路維修時應在斷路狀態下進行。此狀態下，電路不工作，也不發熱。
（2）短路狀態
當電路中帶電壓的兩點用一根電阻為零的導體連接起來時，就稱為短路。它的特點是電流很大。根據電流的熱效應，導體所消耗的電能為
A=IUt=I2Rt (1.11)
如果電阻所消耗的電能全部轉化成熱能（Q=I2Rt），就會燒壞絕緣元件，損壞設備。為了防止短路，在電路中接有保險絲。有時可以利用短路電流產生的高溫進行金屬焊接等。
（3）額定工作狀態
額定電流是電氣設備一般都會規定的數值，額定電流是指電氣設備在長期運行過程中，允許流過的最大電流。
大電流用In表示，當實際電路中小于In時，稱為輕載；等于In時，稱為滿載，滿載為額定工作狀態；大于In時，稱為過載，不允許過載。有的設備不標額定電流，而標出額定電壓即Un，標出額定功率Pn。
1.3 串聯和并聯電路
1.3.1 電阻串聯/并聯電路
在電路中，元器件按順序首尾相連，每個元器件通過相同的電流，這種連接關系稱為元器件的串聯。串聯電路具有分壓作用，回路中電流處處相等，如圖1-4所示。
如果元器件是首尾相連，且處于同一電壓下，這種連接關系稱為元器件并聯，如圖1-5所示。
圖1.4 電阻串聯電路
圖1.5 電阻并聯電路
1.串聯電阻的參數計算
電阻R1和R2串聯，總電阻計算如下：
R=R1+R2+···+Rn（1-12）
例1 如圖1-4所示，RI=IOQ，Q=20Q，計算總電阻
解：R = R1 + RE = 10 + 20 = 30 （Q）
2.并聯電阻的參數計算
電阻R1、R2并聯，其總阻值R的計算公式為：
R總=（R1R2）/（R1+R2）
例2：如圖1-5所示，R1=20Ω，R2=40Ω，求并聯后的總電阻。
解決方案：R = (R1R2) / (R1+R2) = 13
并聯電路的特點：并聯電路有分流作用，各支路電壓處處相等。 3、混合電路的計算，可按元器件布置方式計算，也可采用先串（并）后并（串）的方法計算。
1.3.2 電容器串聯/并聯電路。
電容器的串聯/并聯連接形式與電阻器的串聯/并聯連接形式相同，只是計算公式不同。
1.并聯電容器參數計算
如圖1-6所示，當電容器C1和C2并聯時，它們的總電容C為
碳原子數=Cl+C2
2. 電容器的串聯
如圖1-7所示，當電容器C1和C2串聯時，它們的總電容C為
C=(C1*C2)/(C1+C2)
圖1-6 電容并聯電路
圖1-7 電容串聯電路
1.4 電路基本定律
1.4.1 歐姆定律
我們知道，當在電阻（如燈泡或電阻器）兩端加上電壓U時，會有電流I流過。那么電阻R與電壓、電流之間有什么定量關系呢？德國物理學家歐姆進行了大量的實驗，得出了一條基本定律——歐姆定律。導體中的電流I與導體兩端的電壓U成正比，與導體的電阻R成反比，即
我=U/R
這個定律叫做歐姆定律。如果你知道電壓、電流和電阻三個量中的兩個，你就可以利用歐姆定律來計算第三個量，即
我=U/R
在交流電路中，歐姆定律同樣成立，但電阻應改為阻抗z，即
我=U / Z
從公式中可以看出，當外加電壓U一定時，電阻（Z）越大，電流越小。顯然電阻具有阻礙電流的物理性質。在國際單位制中，電阻的單位是歐姆（Q）。當電路兩端的電壓為1V，通過的電流為1A時，這個電路的電阻為1Q。測量高電阻時，單位為千歐姆（kQ）或兆歐姆（Mfl）。，。
由電壓和電流的定義可知，電阻器中電流的方向與電壓的方向一致，都是從高電位端指向低電位端。
歐姆定律不僅適用于線性電阻，也適用于隨時間變化的電壓和電流。也就是說，任何時刻的電流一定等于該時刻的電壓除以電阻。
電阻在電路中消耗功率。它所消耗的功率為
P=IU（電功率的定義） （1.19） 公式（1.19）是計算電阻器所消耗功率的公式。可以看出，對于電阻器，如果已知電壓、電流、功率和電阻四個量中的任意兩個，則可以確定另外兩個量。
例1：一個100W的燈泡接在220V的電源上，求該燈泡的電阻和電流。
解：I = P / U = 100 / 220 = 0.4（A）
R=U/I=220/0.4=550(Q)。'
1.4.2 節點電流規律
電路中，一定有一個元件相互連接的地方。我們把元件連接的地方稱為節點。圖 1.8 中有 6 個節點：a、b、c、d、e 和 f。但習慣上把兩個或多個元件連接的地方（或電流匯聚和分流的地方）稱為節點。因此，圖 1.8 中只有 4 個節點。
節點可以看作是一條沒有被元件隔開的線。例如，在圖1.8中，上方的節點是連接E、C、R1和R2的正極的線。
節點電流定律：流入節點的電流等于流出節點的電流。例如，對于上面的節點，
圖 1.8
I=I1+I2
例2 圖1.8所示為電路中節點a，I1=10A，I2=20A，求I？'
解：根據節點電流定律，我們有
我=11+12=10+20=30（A）
需要指出的是，節點電流定律對任何電路、任何節點、任何時間都有效，對直流電和交流電都有效。
1-4.3 電壓規律
在電路中，兩個節點之間的電流路徑稱為支路。如圖 1.9 所示，共有 4 個支路：E 和 r 為一個支路，C 為一個支路，R1 和 R2 為一個支路，R3 為一個支路……，
節點電壓定律：電路中任意兩節點間的電壓（比如a與b/Jab間的電壓）等于沿任意路徑從高電位到低電位的電壓降的代數和。
圖1-9 電壓規律電路
1.4.4 疊加原理
疊加原理是分析線性電路常用的原理，支流法列出的方程都是線性代數方程，根據線性代數方程的疊加，可以推導出電路的疊加原理，電路如圖1.10所示。
圖1.10 疊加原理電路
使用疊加原理時應注意以下問題。
（1）當假設一個電源單獨作用時，應將其他電源置零。理想電壓源應視為短路，理想電流源應視為開路，但必須保留電源的內阻。
（2）各電源單獨作用時產生的電流前面的符號不能忽略，疊加時應取它們的代數和。
（3）疊加原理只能用來求解線性電路的電壓或電流，而不能用來疊加功率，更不能用于非線性電路。
1.4.5 等效功率定理
（1）在復雜電路中，如果我們要求某支路中的電流，可以把電路的其余部分看作一個有源二端網絡。利用戴維南定理和諾頓定理，把這個有源二端網絡用電壓源或電流源代替，可以大大簡化問題的分析。
（2）的定理指出，用電動力E代替電壓源代替主動的兩端網絡的條件和電壓r的內部電阻R：電壓源的電動力E等于主動兩端網絡的開放電路電壓，電壓源的內部電阻均等于兩個端動的抗性。
（3）諾頓定理指出，有效的兩端網絡可以用相等值的電流和相等值的內部電阻代替。
（4）當將特殊的主動兩末端網絡轉換為相應的被動兩末端網絡時，應注意的是，所有恒定電壓源都是短路的，所有恒定電流源都是敞開的，并且應保留內部電阻。
（5）當應用等效電源定理時，可以與恒定電壓源并聯連接的電路，并且可以在更復雜的情況下逐漸消除與恒定電流源連接的電阻，可以使用疊加原理或可以使用定理。