第1章-直流电路

由天下分享时间：2024/12/26 14:37:29 加入收藏我要投稿点赞

第一章直流电路

第一节电路的基本概念

一、电路的作用与组成

电路就是电流流过的闭合路径。它是许多电器元件或电器设备为实现能量的传输和转换，或为了实现信息的传递和处理而连接成的整体。在现代化生产和生活中，电路随处可见，例如电网系统、各种电器控制系统；收音机、电视机等家用电器电路。总之，实际电路都是由一些最基本的部件组成的。最常见的手电筒电路就是一个最简单的电路，如图1-1所示。它的组成，体现了所有电路的共性。组成电路的最基本部件是：电源、负载和中间环节。

1.电源：提供电能或发出电信号的设备称为电源。它把其他形式的能量转换成电能或者把某种电能转换成另一种电能或电信号的一种设备。例如发电机、话筒等。

2.负载：用电的设备称为负载。它将电能转换成机械能、热能或光能等其他形式的能量。例如电动机、电炉、电灯等。

3.中间环节：它是连接电源和负载的桥梁，起传输和分配电能或者传递和处理信号的作用。例如电网输电线路、扩音机系统等等。

根据电路中电源的种类不同，电路可分为直流电路和交流电路。直流电路由直流电源供电，其电压、电流的大小和方向都不随时间而变化；交流电路由交流电源供电，其电压、电流的大小和方向都随时间而变化。本章将介绍直流电路的基本概念、基本定律和基本分析方法，在第二章和第三章再介绍单相交流电路和三相交流电路。

二、电路的主要物理量

图1-1是最简单的直流电路。图中电压U和电流I是电路的基本物理量，在电路分析时需要弄清它们的方向或极性。而电压和电流均有实际方向和参考方向，我们需要加以区分。

1.电流

电荷在电场力作用下有规则的运动形成电流。把单位时间内通过某一导体横截面的电荷．．．．．．．．．．．．．．．．．．．量定义为电流强度（简称电流），用I来表示。它是衡量电流强度弱的物理量。．．．．

电流的单位是安培（Ａ），还有毫安（mＡ）或微安（μA）。它们的关系是：

1Ａ＝103mＡ＝106μA

习惯上，把正电荷运动的方向作为电流的实际方向，并在电路中用箭头标注；但在分析一些较复杂的电路时，难以确定电流实际方向。为此，在电路分析时常任意假定某个方向作为电流的流向。这个假定的方向称为参考方向（也叫正方向）。在电路中所标出的电流方向都．．．．

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是参考方向。

电流的参考方向可能与实际方向不一致。当电流的实际方向与参考方向一致时，其值为正；当实际方向与参考方向相反时，其值为负。只有在参考方向确定后，电流才有正负之分。

2.电压

如上所述，电荷在电场力作用下运动形成电流，在这个过程中，电场力推动电荷运动做功。为了表示电场力对电荷做功的本领，引入了“电压”这个物理量，用U来表示。在数值上电压就是电场力把单位正电荷从一点移到另一点所做的功。

电压的单位是伏特（V），还有千伏（KV）、毫伏（mV）和微伏（μA）。它们的关系是：

1V＝10-3KＶ＝103mV ＝106μV

有时还用电位这个概念。它是表示电场中某一点性质的物理量，而且是相对于确定的参考点来说的。电场中某点的电位在数值上等于电场力将单位正电荷自该点沿任意路径移到参考点所做的功。Ａ点电位用ＵＡ表示。将电位与电压进行比较，可以得出，电场中某点就是该点到参考点之间的电压。电位的单位也是伏特。且规定参考点的电位为零，所以参考点也叫零电位点。

在同一个电路中，当选定不同的参考点时，同一点的电位是不同的。参考点一经选定，各点的电位就是唯一确定的值。没有选定电路的参考点，讲某点的电位则无意义。

电压的实际就是电场的方向。也就是正电荷移动的方向。是由高电位点指向低电位点，沿着电压的方向，电位是逐点降低的。正电荷沿着这个方向运动时，将失去电能，并转换成为其它形式的能量。

在进行电路分析时，如果电压的实际方向难以确定。也可任意假定某个方向作为电压的参考方向。这个参考方向可能与电压的实际方向不一致，当电压的实际方向与参考方向一致时，其值为正；当电压的实际方向与参考方向相反时，其值为负。例如图1-2中：可以分析得知当电源电压为12V时，电压U的参考方向与实际方向一致，U＞0；电压U /的参考方向与实际方向相反，U /＜0，而且U = －U /。

图1-1手电筒的电路模型图1-2 电压的参考方向

电压的参考方向可以用三种方法表示。

用“＋”、“－”符号分别表示电压参考方向的高电位端和低电位端。

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用箭头的指向来表示，它由电压参考方向的高电位端指向低电位端。

用双下标字母来表示。如用Uab 表示电压的参考方向，则第一个字母表示是高电位端，第二个字母表示低电位端。参考方向是从a指向b。

3.电动势

电动势是表示电源性质的物理量。电动势常用E来表示，其单位也是伏特（V）。电源的E在数值上等于电源力把单位正电荷从低电位端经电源内部移到高电位端所做的功。它的实际方向是在电源内部由低电位端指向高电位端，是电位升高的方向。和电流、电压一样也应引入参考方向的概念。在电路中，其参考方向的标注同电压一样，有极性标注、箭头标注和双下标标注。如参考方向与其实际方向一致，其数值为正，否则为负值。通常情况下电源的电动势常用端电压来表示。

4.电功率与电能

使用电路的目的就是为了进行电能与其它能量之间的转换，亿以在电路分析与计算中还常用到电功率与电能这两物理量。

单位时间内电场力所做的功就是电功率。用P表示。在SI单位制中功率的单位是瓦特（W），简称瓦。也可用千瓦（KW）或毫瓦（mW）作单位，关系是

1KW ＝103W 1W＝ 103mW

除了功率之外，有时还要计算一段时间内电路所消耗（或产生）的电能，用W表示

W＝Ｐ.t

工程上，电能的单位经常用千瓦时来表示。千瓦时又称为“度”。平时所讲的一度电，就是额定功率为1千瓦的用电设备，在额定状态下工作一小时，所消耗的电能。

5.使用参考方向需要注意的几个问题

（1）电压和电流的方向是客观存在的。参考方向是人为规定的方向，在分析电路时需要先规定参考方向，然后根据这个规定的参考方向列写方程式。

（2）参考方向一经确定，在整个分析计算过程中就必须以此为准，不能再改变。（3）不标明参考方向，则说某个电压或电流的值为正、为负就没有意义。（4）参考方向可以任意选取而不影响结果。

（5）电压和电流的参考方向可以分别单独的选取。但为了分析方便，同一段电路的电流和电压参考方向要尽量一致（电流的方向从电压的＋极性流入，电压的－极性流出）。

【例1-1】图1-3（a）中U=8V；图1-3（b）中Uab=－6 V，试分别比较a、b两点的电位高低。

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【解】图1-3（a）中参考方向，a点为负，b点为正，因U=8V＞0，所以电压的实际方向与参考方向一致。则b点电位高于a点电位。图1-3 例1-1的图

图1-3（b）中Uab是从a点到b点的电压，而Uab=－6V＜0，所以电压的实际方向与参考方向相反，则b点电位高于a点电位。

三、电路元件和电路模型 1.电路元件

电路是由许多电器元件组成的。研究表明，实际电路元件的工作过程与其电磁现象有关。根据各元件的电磁关系和它在电路中所起的主要作用不同（忽略其次要作用），现把它们划分为三大类：电阻元件，电感元件和电容元件。

图1-4 电阻元件

（1）电阻元件

电阻元件是一种最常见的二端电路元件。它的特性可以用元件两端的电压U和通过元件的电流I的关系来表示，这种关系和为电压电流特性。由于电压的单位是伏特，电流的单位是安培，故又自然数伏安特性。如果在U-I直角坐标平面上做出表示这一关系的曲线则称此曲线为伏安特性曲线。根据电阻元件性质的不同，分为线性电阻和非线性电阻。线性电阻元件的伏安特性曲线是通过坐标原点的直线，如图1-4（b）。伏安特性曲线不是直线的电阻元件称为非线性电阻。除有说明外，一般都是线性电阻。电路图形符号如图1-4（a），电压和电流参考方向一致时，线性电阻元件的伏安特性表达式为：

U?IR （1-1）

式中R为电阻元件的电阻值，称为电阻，它是表示电阻元件特性的参数。

电阻的SI单位是Ω（欧[姆]）。大的单位是千欧（KΩ）或兆欧（MΩ）。其换算关系是

1MΩ＝103KΩ＝106Ω

习惯上称电阻元件为电阻，所以“电阻”既表示电路元件，又表示元件的参数。它取用．．的电功率为：

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U2 p?UI?IR? （1-2）

R2上式表示：不论U、I是正值还是负值，P总是大于零，电阻元件总是取用电功率，所以电阻元件是一种消耗电能，并把电能转变为热能的元件。

工程上常利用电阻器来实现限流、分压，如各种碳膜电阻、金属膜电阻及绕线式电阻等。对各种电热器件如电烙铁、电阻炉及白炽灯等，常忽略其电感、电容的性质，而认为它们是只具有消耗电能特性的电阻元件。

（2）电感元件

电感元件是实际电感器的理想化模型，它表征电感器的主要物理性能。其图形符号如图1-5所示。

用导线绕制成线圈便构成一个电感器，通常又称为电感线圈。当给一个电感线圈L通以电流i时，就会在线圈周围产生磁场，当电流变化时，磁场也随之变化，并在线圈中产生自感电动势eL。如图1-5所示，在各电量参考方向一致的情况下