一電路的基本概念
1.1哪些是電
在高中數學學中，我們曾學習過磨擦生電。用木梳梳理干燥的毛發時，經常會看到“噼噼、啪啪”的聲響，假如在黑夜里，就會聽到一些細小的火花。將這把木梳放在一小撮小紙屑的近旁，小紙屑會被木梳吸上去。電是哪些昵?電是一種特殊的能量，稱為電能。
世界是物質的。自然界的一切物質都是由分子組成的。分子又是由原子組成的。每一種原子都有一個處在中心的原子核，在原子核周圍有若干個電子順著一定的軌道做著高速率的旋轉運動。原子核是帶正電的，而電子是帶負電的。在原子未受外力的作用時，原子核所帶的正電荷與內層電子所帶的負電荷相等。原子對外界處于平衡狀態，不顯電性。
不同的原子，其原子核的質量及其周圍的電子數量是不同的。如銅原子和鋁原子，它們的原子結構如圖l—l所示。銅原子核內有29個帶正電的質子，核外有29個帶負電的中子。電子呈四層分布，最內層只有一個電子，如圖1．1(a)所示。鋁原子核內有13個質子，核外有與質子數相等的13個中子，最內層只有一個電子，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
這些處在最內層軌道上的電子，因為它們距離原子核比較遠，遭到原子核的禁錮力比較弱，在遭到外界誘因(如熱、光、機械力)影響時，很容易脫離自己的軌道，甩掉原子核的禁錮，成為自由電子。銅、鋁等金屬物質都具有不穩定的內層電子，在常溫下才會脫離軌道成為自由電子(如每cm3銅中包含8×1032個自由電子)。
假如原子失掉一個或幾個內層電子，則它的電平衡就被破壞了，正電荷少于負電荷，這個原子就帶正電；同理：飛出軌道的電子被另外的原子所吸收，另外的那種原予就帶負電。這就是電的本質。、
我們使用的電是由發電廠發電機組發出的，經高壓輸電、。變電送到千家萬戶。目前，發電的方法好多，如火力發電、水力發電、太陽能發電、風力發電及核能發電等。
1.1.2哪些是電路
電路就是電壓所通過的路徑。
1電路的結構方式
電路是由元元件按一定形式組合而成的。圖1．2所示的電路是一個最簡單的手探照燈實物聯接電路電能電功電功率基礎題目，由電源(干電瓶)、負載(電燈泡)和中間環節(包括聯接導線和開關)三部份組成。在電路中，隨著電壓的流動，進行著不同方式能量之間的轉換。
電源是將非電能轉換成電能的裝置。諸如，干電瓶和蓄電瓶是將物理能轉化成電能，而發電機是將熱能、水能或原予能等轉換成電能。所以，電源是電路中的能量來源，是促進電壓運動的源泉，在它的內部進行著由非電能到電能的轉換。
圖2電筒簡實物聯接電路
負載是將電能轉換成非電能的裝置，如電燈泡將電能轉換成光能、電爐將電能轉換成熱能、電動機將電能轉換成機械能等。所以，負載是電路中的受家電，是取用電能的裝置，在它的內部進行著由電能到非電能的轉換。
中間環節是把電源與負載聯接上去的部份，起傳遞和控制電能的作用。
2.2簡單的電路
圖3是電路圖。電路器件有干電瓶E、電燈泡HL、開關S和導線。電燈泡HL是阻值器件R；E是電源，內內阻為R0；聯接干電瓶與電燈泡的中間環節是開關S，其內阻可以忽視不計，覺得是一無內阻的理想導體。
3電路的作用
圖3簡單的電路圖
(1)傳遞和處理訊號電路的作用之一是傳遞和處理訊號，常見的如音箱，先由麥克風把語言或音樂(一般稱為信息)轉換為相應的電流和電壓，即聯通號，而后通過電路傳遞到麥克風，把聯通號還原為語言或音樂。因為麥克風輸出的龜訊號比較微弱，不足以促使音響發音，因而中間還要用放大器來放大。訊號的這些轉換和放大，稱為訊號的處理。
(2)傳輸和轉換訊號
供電系統中的電力電路起著實現電能的傳輸和轉換的作用。把發電廠發出的高壓電通過高壓線路傳輸到各地，之后通過變壓器把高壓電轉換成低壓電。這類電路，通常要求在傳輸和轉換過程中，盡可能地降低能量耗損以提升效率。
1.2直流電路
直流電路的電流和電壓的大小和方向不隨時間的變化而變化。
1.2.1基本橛念
1．電流
湖水之所以還能流動，是由于有水位差。水總是從高水位流向低水位。電荷之所以還能流動，是由于有電位差。電路中，任意兩點間的電位差，均被稱為兩點間的電流。電流是產生電壓的主要條件。在電路中，電流常用U表示，單位是伏(V)，大的計量單位可用千伏(kV)表示，小的計量單位常用毫伏(mV)或微伏(μV)表示。它們之間的關系為。
lkV=1000V
1V=
lmV=1000μV
我國規定的標準電流等級好多，如直流安全電流為12V、24V、36V，工業用電直流為llOV、220V等，民用市電電流為交流220V，工業動力用電為交流380V，高壓配電電流為6kV、lOkV，高壓輸電電流為110kV，遠距離超高壓輸電電流為330kV和500kV。
電流可以用電流表檢測。檢測時，把電流表并聯在電路上，要選擇電流表表針接近滿偏轉的阻值。假如電路中的電流大小恐怕不下來，要先用大的阻值，簡略檢測后再用合適的阻值，這樣可以避免因為電流過大而毀壞電流表。
2．電位
置于電場里某點電荷的位能與它的電量之比就是該點的電位，如用U表示電位，A表示電荷q的位能，則
U=A/q
式中，U的單位為V，A的單位為J，q的單位為C。
在指明電路中某點電位時，必須首先確定參考點，設其電位為零，則電路中某點的電位在數值上就等于該點到參考點的電流。為此，電位的數值與參考點的選擇有關。凡求電位的參考點都用接地符號(上)表示。這樣的選擇便捷估算，無須估算者自由選取參考點。
3．電源
把其他方式的能轉換成電能的裝置稱作電源。諸如，發電機能把機械能轉換成電能，于電瓶能把物理能轉換成電能。干電板、發電機等都稱作電源。
通過檢波電路把交流電弄成直流電的裝置稱作檢波電源，。能提供訊號的電子設備稱作訊號源。晶體二極管能把上面來的訊號加以放大，又把放大了的訊號傳送到旁邊的電路中去，晶體二極管對前面的電路來說也可以看成是訊號源。檢波電源、信號源有時也稱作電源。
4．電動勢
電動勢是反映電源把其他方式的能轉換成電能能力的數學量，電動勢使電源兩端形成電流。在電路中，電動勢常用E來表示，單位是伏(V)。
5．電位差
電位差就是兩點之間的電位之差。如a、b兩點的電位分別為10V和5V，則兩點之間的電位差為Uab=10V-5V=5V；反之，玩Uba=5V-10V=-5V。
6．電壓
電荷的定向聯通稱作電壓。在電路中，電壓常用J表示。電壓分直流和交流兩種。電壓的大小和方向不隨時間變化的稱作直流，電壓的大小和方向隨時間變化的稱作交流。電壓的單位是安培(A)，也常用毫安(mA)或微安(μA)作為單位。它們之間的關系為
1kA=1000A
1A=
1mA=1000μA
直流電壓的方向是從電源的負極流到電源的正極。
電壓可以用電壓表檢測。檢測時，把電壓表串聯在電路中，要選擇電壓表表針接近滿偏轉的阻值。假如電路中的電壓大小恐怕不下來，則要先用大的阻值，簡略檢測后再用合適的阻值。這樣可以避免電壓過大而毀壞電壓表。
7．負載
把電能轉換成其他方式的能的裝置稱作負載。諸如，電動機能把電能轉換成機械能，電燈泡能把電能轉換成熱能和光能，耳機能把電能轉換成聲能。電動機、電阻、電燈泡、揚聲器等都稱作負載。后級的晶體二極管對于功放來說，也可看為負載。
8．內阻
電路中，對電壓通過有制約作用而且導致能量消耗的器件叫阻值。內阻常用R表示，單位是歐(Ω)，也常用千歐(kΩ)或兆歐(MΩ)作為單位。它們之間的關系為
1kΩ=1000Ω
1MΩ=Ω
導體的內阻由導體的材料、橫截面積、長度和濕度決定。通常導線的阻值可由以下公式求得，即
R=ρL/S
式中，L為導線的寬度(m)；S為導線的橫截面積(mm2)；ρ為導線的阻值率(Q·mm2／m)。
內阻率ρ是焊工估算中的一個重要數學常數。不同材料物體的阻值率各不相同。它的數值相當于用這些材料制成長lm、橫截面積為lmm2的導線，在氣溫為+20℃時的內阻值。內阻率直接反映著各類材料導電性能的優劣。材料的內阻率越大，表示它的導電性能越差；內阻率越小，則表示導電性能越好。
內阻可以用萬用表歐姆擋檢測。檢測時，要選擇萬用表表針偏轉阻值一半的歐姆擋。倘若被測內阻點焊在電路中，則應將其斷掉一端后進行檢測，人體不能與內阻引線接觸。
常用金屬材料的阻值率見表1-1。
表1-1常用金屬材料的阻值率(20℃)
9．電容
電容是評判導體存儲電荷能力的數學量。在兩個互相絕緣的導體上加上一定的電流，它們都會存放一定的電量。其中一個導體存放著正電荷，另一個導體存放著大小相等的負電荷。加上的電流越大，存放的電量就越多。存儲的電量和加上的電流是成反比的，它們的比值稱作電容。假如電流用U表示，電量用Q表示，電容用C表示，這么
Q=UC
電容的單位是法(F)，也常用微法(μF)或皮法(pF)作為單位。它們的關系為
1F=106μF
1F=
電容可以用電容測試儀檢測，也可以用萬用表歐姆擋簡略估測。
10．電感
電感是評判線圈形成電磁感應能力的數學量。給一個線圈通入電壓，線圈周圍還會形成磁場，線圈就有磁路量通過。通入線圈的電壓越大，磁場就越強，通過線圈的磁路量就越大。實驗證明，通過線圈的磁路量和通入的電壓是成反比的，它們的比值稱作自感系數，也稱作電感。假如通過線圈的磁路量用西表示，電壓用I表示，電感用L表示，這么
L=Q/I
電感的單位是亨(H)，也常用毫亨(mH)或微亨(μH)作為單位。它們的關系為
1H=
lmH=1000μH
11．電能
當電壓流過電路時將發生能量轉換。在電源內部，外力不斷克服電場力驅使正、負電荷分別向電源兩極聯通而做功，把其他方式的能轉換為電能。通過外電路，電荷不斷地被送到負載，把電能轉換為其他方式的能。
負載消耗的電能等于端電流與電荷的乘積，電荷又等于電壓與時間的乘積，即
A=UQ=IUt(1-5)
式中，A為電能，單位為J；U為端電流，單位為V；Q為電荷，單位為C。
12．電功
電壓做功等于電路消耗的電能，而電路里消耗的電能又等于使電荷在電路里聯通所做的功。估算電功的公式
A=U2/Rt
A=I2Rt
13．電功率
在單位時間內電路形成或消耗的電能被稱為電功率，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)
式中，P為電功率(W，1W=lJ/s)；t為時間(s)。
14．導體
能良好傳導電壓的物體稱作導體。用導體制成的電氣材料稱作導電材料。金屬是常用的導電材料。不僅金屬以外，其他如大地、人體、天然水和酸、堿、鹽類及它們的氨水都是導體。
金屬之所以還能良好地傳導電壓，是由其原子結構決定的。金屬原子最內層的電子與原子核結合得比較松散，因而這部份電子很容易脫離自己的原子核與別的原子核去結合，喪失電子的原子又有新的電子來結合，這樣一連串的過程就是導電的過程。銀的內阻率最小，導電性能最好氣但因為其價位高昂，只在極少數地方，如開關觸頭等處采用，通常電氣設備中應用最廣泛的是銅和鋁。
還有一些材料似乎能導電，值內阻率較大，人們經常把它作為內阻材料或電熱材料應用于個別家電中，如電爐或電烤爐中的電熱絲等。
15．絕緣體
不能導電或則導電能力極差的物體稱作絕緣體。常見的絕緣體有木頭、石頭、橡皮、玻璃、云母及陶器等。絕緣體的原子結構與導體不同，其電子和原子核結合得很緊密，并且極難分離，將這種物質接上電源時，流過的電壓極小(幾乎接近零)。可以借助它的絕緣作用把電位不同的帶電體隔離開來。
通常來講，對絕緣體材料的要求是具有極高的絕緣內阻和耐電硬度、較好的耐熱和防霉性能、較高的機械硬度及工藝加工便捷等。
空氣是我們你們非常熟悉的，它作為一種自然界的天然絕緣材料而被人們廣泛地加以借助。紙、礦物油、橡膠和陶瓷都是應用十分廣泛盼絕緣材料。近些年來，因為有機合成工業的盛行，各類各樣的絕緣材料不斷問世，為新型電氣設備的制造提供了良好的條件。
絕緣材料在電和熱的常年作用下，非常是在有物理腐蝕的情況下，會逐漸老化，增加它原有的電氣和機械性能，有時甚至可能完全失去絕緣性b所以常常檢測絕緣性能是電氣設備修理中的主要工作之一。絕緣內阻是絕緣材料的主要技術指標。常用兆歐表來檢測設備的絕緣內阻。通常低壓電氣設備的絕緣內阻應小于O.5MΩ。對于聯通家電和在陰濕地方使用的家電，其絕緣內阻還應再大一點。
16．半導體
所謂半導體，顧名思義，就是它的導電能力介于導體和絕緣體之間，如硅、鍺、硒及大多數金屬氧化物和氮化物都是半導體。
半導體的導電能力在不同條件下有很大的差異，如有些半導體(如鈷、錳、鎳等的氧化物)對氣溫的反應非常靈敏，當環境濕度增高時，它們的導電能力要提高好多。借助這些特點就弄成了各類熱敏內阻。又如有些半導體(如鎘、鉛等的硫醇與硒化物)、受到光照時，它們的導電能力顯得很強；當無光照時，又顯得像絕緣體那樣不導電。借助這些特4性就弄成了各類光敏內阻。．
更重要的是，假如在純凈的半導體中摻入微量的某種雜質后，則導電能力就可降低幾十萬甚至幾百萬倍。比如，在純硅中摻入百萬分之一的硼后，硅的內阻率就從大概2×103Ω·m降低到4×10_3Ω·m左右。借助這些特點就弄成了各類不同用途的半導體元件，如半導體三極管、三極管、場效應晶體管及二極管等。
1.2.2電路的幾種狀態
(1)開路狀態(斷路狀態)
當電路的開關斷掉時，稱為開路。其特點是電壓為零，電源端的電流值就是電源兩端的電動勢。檢修線路應在開路狀態下進行。在這些狀態下，電路不工作也不形成熱量。
(2)漏電狀態
當電路中有電流的兩點被內阻為零的導體聯接時，+稱為漏電。其特點是電壓很大。按照電壓的熱效應，導體所消耗的電能為
A=IUt=I2Rt(1．11)
若阻值消耗的電能全部轉換成熱能(Q=I2Rt)，則會燒毀絕緣器件，毀壞設備。為了避免漏電，在電路中接熔斷器。有時借助漏電電壓形成的低溫可進行金屬釬焊等。
(3)額定工作狀態
對用電設備通常都規定額定電壓。額定電壓是指電氣設備長時間工作所容許通過的最
大電壓，用In表示。實際電路大于In時稱為輕載；等于In時稱為滿載，滿載就是額定工作狀態；小于In時稱為過載，過載是不容許的。有些設備不標出額定電壓而標出額定電流，即Un，標出額定功率Pn。
1．3串聯與并聯電路
1．3．1內阻串/并聯電路
在電路中，元元件一一按次序首尾相接，各元元件通過同一電壓，把這些聯接關系稱作元元件的串聯。串聯電路具有分壓作用，回路中的電壓處處相等，如圖1-4所示。
若元元件首．首和尾．尾相接，且在同一電流作用下，則把這些聯接關系稱作元元件的并聯，如圖1-5所示。
圖1．4內阻串聯電路
圖1．5內阻并聯電路
1．內阻串聯的參數估算
內阻R1、R2串聯，其總內阻尺的估算公式為
R=R1+R2+···+Rn(1-12)
例1如圖1-4所示，RI=IOQ，惑=20Q，求總內阻鳳
解：R=Rl+RE=10+20=30(Q)
2．內阻并聯的參數估算
內阻Rl、R2并聯，其總內阻R的估算公式為．
R總=（R1R2）/(R1+R2)
例2如圖1-5所示，R1=20Q，R2=40Q，求并聯后的總內阻尺。
解：R=（R1R2）/(R1+R2)=13
并聯電路的特性：并聯電路具有分流作用，每條環路上電流處處相等。3．混聯電路的估算，可按元元件布局或先串(并)后并(串)的方式進行估算。
1．3．2電容串／并聯電路．
電容串／并聯的聯接方式和內阻串／并聯的聯接方式是一樣的，只是估算公式不一樣。
1．電容并聯的參數估算
如圖1-6所示，電容C1、C2并聯時，其總電容C為
C=Cl+C2
2．電容的串聯
如圖1-7所示，電容C1、C2串聯時，其總電容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電路基本定理
1．4．1歐姆定理
我們曉得，在內阻(如電燈泡、電阻器)器件的兩端加上電流U之后，其中一定會有電壓I通過，這么內阻R和電流、電流之間存在哪些樣的數目關系呢?日本化學學家歐姆做了大量的實驗，得出了一個基本規律——歐姆定理。導體中的電壓I與導體兩端的電流U成反比，與導體的內阻R成正比，即
I=U/R
這個規律稱作歐姆定理。假如曉得電流、電流、電阻三個量中的兩個，就可以按照歐姆定理求出第三個量，即
I=U/R
在交流電路中，歐姆定理同樣創立，但內阻應當改成阻抗z，即
I=U/Z
由式可見，當所加電流U一定時，內阻尺(Z)越大，r則電壓，越小。其實，內阻具有對電壓起制約作用的化學性質。在國際單位制中，內阻的單位是歐姆(Q)。當電路兩端的電流為1V，通過的電壓為1A時，這段電路的內阻就為1Q。計量高內阻時，則以千歐(kQ)或兆歐(Mfl)為單位。，。
從電流和電壓的定義曉得，內阻中電流的方向與電流的方向一致，都是從高電位端指向低電位端。．
歐姆定理不但適用于線性內阻器件，但是對于隨時間變化的電流、電流也適用，也就是說，任何一個時刻的電壓，也一定等于這一時刻的電流乘以內阻尺。
內阻在電路中是消耗功率的。它消耗的功率為
P=IU(電功率的定義)(1．19)式(1．19)是拿來估算內阻消耗功率的公式。可見，j對于內阻器來說，在它的電流、電流、功率和內阻這四個量中，只要曉得任何兩個量，能夠確定出另外兩個量。
例1一個100W的電燈泡接在220V的電源上，求這個燈泡的內阻和電壓。
解：I=P／U=100／220=0．4(A)
R=U／I=220／0．4=550(Q)。’
1．4．2結點電壓定理
在電路中，一定會有元元件與元元件聯接的地方，我們把元元件相接的地方稱作結點。在圖1．8中，有a、b、c、d、e、f6個結點，但習慣上把兩個以上器件相接的地方(或則說電壓匯集與分叉的地方)稱作結點。這樣，圖1．8中只有4個結點。
結點可以看做一條沒有被元元件隔開的線。如在圖1．8中，前面的結點是聯接E的負極、C、R1和R2的線。
結點電壓定理：流入結點的電壓等于流出該結點的電壓。諸如，對前面結點有
圖1．8
I=I1+I2
例2電路中結點a示于圖1．8中，I1=10A，I2=20A，求I?‘
解：由結點電壓定理，得
I=11+12=10+20=30(A)
應當強調，結點電壓定理對任一電路、任何一個結點、任意一個時刻都是創立的，對直流電創立，對交流電也創立。
1-4．3電流定理
在電路中，兩個結點之間的電流通路稱為大道。如圖1．9所示，有4條大道：E和r是一條大道，C是一條大道，R1、R2是一條大道，R3是一條大道。。．，
結點電流定理：電路中任何兩結點之間的電流(如a、。b之間的電流／Jab)等于從高電位順著任何一條路徑到低電位電流降落的代數和。
圖l-9電流定理電路
1．4．4疊加原理
疊加原理是剖析線性電路時普遍應用的原理。由大道電壓法列舉的多項式是線性代數等式。按照線性代數等式的疊加性可導入電路的疊加原理。其電路如圖1．10所示。
圖1.10疊加原理電路
在使用疊加原理時應注意以下幾個問題。
(1)當設某一電源單獨作用時，其余電源應均設為零。理想電流源應視為漏電，理想電壓源應視為開路，但電源電阻都必須保留。
(2)每位電源單獨作用時所形成電壓上面的符號切不可忽略，疊加時應取其代數和。
(3)疊加原理只能用于求解線性電路的電流或電壓，而不能對功率進行疊加，更不能在非線性電路中使用。
1．4．5等效電源定律
(1)在復雜電路中，欲求一條大道電壓，可將其余部份視為_個有源二端網路。借助戴維南定律和諾頓定律將此有源二端網路用電流源或電壓源等值取代，可使問題的剖析大為簡化。
(2)戴維南定律表述了將有源二端網路用一個電動勢為E、內阻為尺。的電流源等值取代的條件：電流源的電動勢～E等于有源二端網路的開路電流砜，電流源的電阻等于將此有源二端網路化為相應無源二端網路的等值內阻。
(3)諾頓定律表述了將有源二端網路用一個電壓為五、內阻為風的電壓源等值取代，電壓源的電壓五等于有源二端網路的漏電電壓，電壓源的電阻民等于將此有源二端網路化為相應無源=端網路的等值內阻。
(4)特有源二端網路化為相應的無源二端網路時，應注意所有的恒壓源漏電，所有的恒流源開路，而電阻應給以保留。
(5)在應用等效電源定律時電能電功電功率基礎題目，可去除與恒壓源并聯的電路，除去與恒流源串聯的阻值。當電路比較復雜時，可以使用疊加原理或兩次運用戴維南定律。