第一章 电工基础知识
第一节 电路的基本概念
一、电路
电路就是电流通过的路径，通常由电源、负载和中间环节组成。一个简单的电路如图1—1（a）所示，电路是有一干电池、灯泡、刀开关和连接导线组成的，当开关闭合时，电路中有电流通过，灯泡发光。图1—1（b）是用代表实际电路元件的图形符号绘制的原理电路图（简称电路图），图中电源内部的电路称为内电路，电源外部的灯泡（即负载）、连接导线和开关组成外电路
（a）实物电路 （b）简化电路
图1—1 最简单的电路
由此可知，要构成一电路，至少需要三部分：
（1）电源
电源是是指电路中提供给电能的设备，它将非电能转换成电能，如干电池和蓄电池将化学能转换成电能；发电机将热能、水能、核能等转换成电能，它们是推动电路中电流流动的原动力。常用的电源有电池、发电机、整流电源、变频电源等。
（2）负载
负载是取用电能的设备和器件，它的作用是将电能转换成其他形式的能量。例如：电灯将电能转换成光能，电（磁）炉将电能转换成热能，电动机将电能转换成机械能等。
（3）中间环节
中间环节是电路中连接电源和负载的部分，起着传输、控制和分配电能的作用。图1—1所示电路的中间环节由连接导线和开关组成，它与电源和负载一起构成电流的流通路径，将电能传给负载。
电源、负载和中间环节构成一个完整的电路。对电路而言，把电源内部的电流通路称为内电路，把负载和中间环节构成的电流通路称为外电路。
电路有两个主要功能：其一是电力电路，用于实现电能的传送、转换和分配。其二是信息电路，用于实现信息的传递、处理和转换。如电话、电视、广播等系统。
二、电路的基本物理量
1、电流
电路中的电流是电荷有规律地做定向运动形成的。 导体中形成电流的内部条件是导体内有可以移动的自由 电荷，外部条件是导体两端必须有电场。电场对电荷产 生作用力，使其形成定向运动。
如图1-2所示，a端为电源正极，b端为电源负极， 电源在导线中施加从a指向b的电场，在电场力的作用
下，正电荷从a经过外电路运动到b，从而形成电流。
这就象公路上有大量的汽车朝一个方向行驶而形成的“车流”一样。 图1—2 电荷的运动
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电流的方向规定为正电荷运动的方向，与负电荷运动的方向相反。所以，在外电路中电流由电源正极流向负极，在内电路中则由负极流向正极，形成一闭合回路，如图1—2所示。
电流的大小用单位时间内通过导体横截面的电荷量来衡量。其中，大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流，简称直流（dc或DC），一般用符号“I”表示，即
I? 式中 I———电流（A）； Q———电荷量（C）；
t———时间（S）。
大小和方向都随时间变化的电流称为变动电流，一般用符号i表示。一个周期内平均值为零的变动电流称为交变电流，简称交流（ac 或AC），也用符号“i”表示，即 i?式中 ?q————电荷的变化量（C）；
Q （1—1） t?q （1—2） ?t?t————时间的变化量（S）。 电流的单位是“安培”，符号为“A”，常用的单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）等，
它们之间的关系为：
1kA ＝ 1000A
1A ＝ 1000mA 1mA ＝ 1000μA
在分析电路时，为了确定电路中各电流的实际方向，常常需要事先选定一个电流的方向，称为电流的参考方向。参考方向可以任意选定，用箭头标注在电路图上或用双下标表示。若电流实际方向与参考方向相同 ，则电流I取正值（I＞0）；若电流实际方向与参考方向相反 ，则电流I取负值（I＜0）。这样，根据电流的参考方向和电流的正负，就可以确定出电流的实际方向，如图1—3所示。图中1—3a、b中电流的参考方向也可用双下标表示为Iab和Iba,对于同一电流，有Iab＝－Iba,。
图1—3电流参考方向与实际方向
实际应用中，电流的大小可以用电流表来测量，使用时应将电流表串联在被测电路中，电流从表的“＋”端流入，“－”端流出，如图1—4所示。
2、电阻
在如图1—5所示电路中，如果希望灯泡变暗， 可以在电路中增加一个元件——电阻器。为什麽在 电路中增加了电阻器后，灯泡会变暗呢？是因为电 阻器对电流有一定的阻碍作用，从而使流过灯泡的 电流减少，灯泡就会变暗。
电阻器对电流的阻碍作用称为电阻。电阻通常 用“R”表示，其单位名称为欧姆（简称欧）， 符号为“Ω”，比“欧”大的电阻单位有“千欧（kΩ）、 图1—5 电流的测量
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兆欧（MΩ）”，它们之间的关系为
1 MΩ ＝ 1000 kΩ
1 kΩ ＝ 1000Ω
图1—5 含电阻器的电路图
3、电位、电压和电动势
电位、电压和电动势对相电流、电阻来说比较难理解。下面通过图1—6所示的水流示意图来说明这些术语，首先来分析图1—5所示的流水过程。
图1—6 水流示意图
水泵将河里的水抽到山顶的A处，水达到A处后再流向B处，水到达B处后流向C处（河里），然后水泵又将河里的水抽到A处，这样使水不断地循环流动。水为什么能从A处流到B处，又从B处流到C处呢？这是因为A处水位较B处水位高，B处水位较C处水位高。要测量A处和B处的水位，必须先要找一个基准点（零点），就象测量人的身高要选择脚底为基准点一样，在这里以河的水面（C处）为基准。AC之间的垂直长度HA为A处水位的高度，BC之间的垂直长度HB为B处水位的高度，由于A处和B处水位高度不一样，所以它们之间存在着水位差，该水位差用HAB表示，它等于A处水位高度HA与B处水位高度HB之差，即HAB=HA－HB。为了让A处源源不断地有水往B、C处，需要水泵将低水位的河里水抽到高处的A点，这样做水泵是需要消耗能量的（如耗油）。 1） 电位
电路中的电位、电压和电动势与上述水流情况很相似。如图1—7所示，电源的正极输出电流，流到A点，再经过R1流到B点，然后经过R2流到C点，最后回到电源的负极。与图1—5所示的水流示意图相似，图1—6中A、B点也有高低之分，只不过不是水位，而称作电位，A点电位较B点电位高。为了计算电位的高低，也需要找一个基准点，为了表明某点为基准点，通常在该点处画出“⊥”或“ ”符号，该符号称为接机壳或接地符号，接地符号处的电位规定为0，电位的单位是伏特（简称伏，符号为V）。在图1—6所示的电路中，以C点为基准点，其电位为0（该点标有接地符号），A点的电位为3V（表示为UA=3v），B点的电位为1V（表示为 UB=1v）。
图1—7 电路中的电动势、电位和电压
2） 电压
图1—7所示电路中的A点和B点的电位是不同的，有一定的差距，这种电位之间的差值称为电位
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差，又称电压。A点和B电之间的电位差用UAB表示，它等于A点电位UA与B点电位UB的差，即
UAB＝UA—UB＝3v－1v＝2v
因为A点和B点的电位差实际上就是电阻器R1两端的电位差（电压），而R1两端的电位差用UR1表示，所以UAB= UR1。
电压是形成电流的必要条件之一。在电路中，任意两点之间的电位差，称为该两点间的电压。所谓电压就是指两点之间的电压，它是以认定的某一点作为参考点。所谓某点上的电压，就是指该点与参考点之间的电位差。
电压分直流电压和交流电压。电池上的电压为直流电压，它是通过化学反应维持电能量的，电池电位差示意如图1—8所示。交流电压是随时间周期变化的电压，发电厂的电压一般为交流电压，这种电压就是我们通常用的交流电。
图1—8 电池电压
电压用字母U来表示，其单位是伏特，用符号V来表示。大的单位可用千伏（kV）表示，小的单位用毫伏（mV）表示，它们之间的换算关系如下：
1kV ＝ 1000V
1V ＝ 1000mV
我国规定标准电压有许多等级。安全电压为12V、36V，民用市电单相电压220V，低压三相电压380V，城乡高压配电电压10KV和35KV，输电电压110KV和220KV，长距离超高压输电电压330KV和500KV。
3） 电动势
为了让电路中始终有电流流过，电源需要在内部将流到负极的电流源源不断地“抽”到正极，使电源正极具有较高的电位，这样正极才会输出电流。当然，电源内部将负极的电流“抽”到正极需要消耗能量（如干电池会消耗掉化学能）。电源内部将其他形式的能量转换成电能，并在两极间建立的电位差称为电动势，电动势的单位也为伏，图1—7所示电路中电源的电动势为3V。
由于电源内部的电流方向是由负极流向正极，故电源的电动势方向规定为从负极指向正极。
三、电路的三种状态
电路有三种状态：通路、开路和短路，如图1—9所示
图1—9 电路的三种状态
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