第二章 電路的基礎(chǔ)知識與基本測量

第二章電路的基礎(chǔ)知識與基本測量主講：孫超第二章電路的基礎(chǔ)知識與基本測量2.1電路與電路圖2.2電流及其測量2.3電壓及其測量2.4電阻及其測量2.5部分電路歐姆定律2.6全電路歐姆定律2.7電能與電功率2.1電路與電路圖2.1.1電路及其工作狀態(tài)

電路是電流的通路，是由一些電器元件按一定的方式連接而成。一個(gè)完整的電路至少包含電源、負(fù)載（用電器）和傳輸環(huán)節(jié)三部分。1.電源：把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。2.負(fù)載：把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。3.傳輸環(huán)節(jié)：連接電源和負(fù)載，形成電流通路。圖1-1

簡單的直流電路電路的三種狀態(tài)(1)通路(閉路)：電源與負(fù)載接通，電路中有電流通過，電氣設(shè)備或元器件獲得一定的電壓和電功率，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。(2)開路(斷路)：電路斷開，電路中沒有電流通過，又稱為空載狀態(tài)。(3)短路(捷路)：電源兩端或電路中某些部分被導(dǎo)線直接相連，輸出電流過大對電源來說屬于嚴(yán)重過載，如沒有保護(hù)措施，電源或電器會被燒毀或發(fā)生火災(zāi)，所以通常要在電路或電氣設(shè)備中安裝熔斷器、保險(xiǎn)絲等保險(xiǎn)裝置，以避免發(fā)生短路時(shí)出現(xiàn)不良后果。2.1.2電路模型與電路圖由理想元件構(gòu)成的電路稱為實(shí)際電路的電路模型，也稱為實(shí)際電路的電路原理圖，簡稱為電路圖。例如手電筒的電路如圖所示。理想元件電路是由電特性相當(dāng)復(fù)雜的器件組成的，為了便于使用數(shù)學(xué)方法對電路進(jìn)行分析，可將電路實(shí)體中的各種電器設(shè)備和元器件用一些能夠表征它們主要電磁特性的理想元件(模型)來代替，而對它的實(shí)際結(jié)構(gòu)、材料、形狀等非電磁特性不予考慮。常用元器件圖形符號2.2電流及其測量2.2.1電流的概念及大小、方向電路中電荷沿著導(dǎo)體的定向運(yùn)動(dòng)即形成電流，其方向規(guī)定為正電荷流動(dòng)的方向(或負(fù)電荷流動(dòng)的反方向)，其大小等于在單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，電流用符號I或i(t)表示，討論一般電流時(shí)可用符號i

。

設(shè)在

t=t2－t1時(shí)間內(nèi)，通過導(dǎo)體橫截面的電荷量為

q=q2－q1，則在

t時(shí)間內(nèi)的電流強(qiáng)度可用數(shù)學(xué)公式表示為式中，

t為很小的時(shí)間間隔，時(shí)間的國際單位制單位為s(秒)，電荷量

q的國際單位制為庫侖(C)。電流i(t)的國際單位制為A(安培)。

常用的電流單位還有mA（毫安）、

A（微安）、kA（千安）等，它們與安培的換算關(guān)系為1mA=10-3A；1

A=10-6

A；

1kA=103A直流電路如果電流的大小及方向都不隨時(shí)間變化，即在單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量相等，則稱之為穩(wěn)恒電流或恒定電流，簡稱為直流

(DirectCurrent)，記為DC或dc，直流電流要用大寫字母I表示。直流電流I與時(shí)間t的關(guān)系在I－t坐標(biāo)系中為一條與時(shí)間軸平行的直線。交流電路如果電流的大小及方向均隨時(shí)間變化，則稱為變動(dòng)電流。對電路分析來說，一種最為重要的變動(dòng)電流是正弦交流電流，其大小及方向均隨時(shí)間按正弦規(guī)律作周期性變化，將之簡稱為交流(AlternatingCurrent)，記為AC或ac，交流電流的瞬時(shí)值要用小寫字母i或i(t)表示。電壓1.大小

電壓是測量電場力做功本領(lǐng)大小的物理量。A、B兩點(diǎn)間的電壓U在數(shù)值上等于電場力把正電荷由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所做的功W與被移動(dòng)電荷的電荷量的比值。2.方向

規(guī)定電壓的方向?yàn)橛筛唠娢恢赶虻碗娢?，即電位降低的方向。因此，電壓也常被稱為電壓降。在電路計(jì)算時(shí)，若事前無法確定電壓的真實(shí)方向，常事先選定電壓的參考方向。如果電壓的計(jì)算結(jié)果為正值，則電壓的真實(shí)方向與參考方向一致；如果電壓的計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，則電壓的真實(shí)方向與參考方向相反。電荷q在電場中從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，電場力所做的功WAB與電荷量q的比值，叫做AB兩點(diǎn)間的電勢差（AB兩點(diǎn)間的電勢之差，也稱為電位差），用UAB表示，則有公式：

其中，WAB為電場力所做的功，q為電荷量。電阻1.電阻原件電阻元件是對電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件，例如燈泡、電熱爐等電器。2.電阻定律

——制成電阻元件的材料電阻率，國際單位制單位為

·m(歐·米)；

l——繞制成電阻的導(dǎo)線長度，國際單位制為m(米)；S——繞制成電阻的導(dǎo)線橫截面積，國際單位制為m2(平方米)；R——電阻值，國際單位制為

(歐)。

經(jīng)常用的電阻單位還有k

(千歐)、M

(兆歐)部分電路歐姆定律1.部分電路歐姆定律

電阻元件的伏安關(guān)系服從歐姆定律，即導(dǎo)體中的電流，與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。只含有負(fù)載而不包含電源的一段電路稱為部分電路。2.線性電阻與非線性電阻如果以電壓為橫坐標(biāo)，電流為縱坐標(biāo)，可畫出電阻的U/I關(guān)系曲線，即伏安特性曲線。

電阻元件的伏安特性曲線是直線時(shí)，稱為線性電阻，其電阻值可認(rèn)為是不變的常數(shù)。如果不是直線，則稱為非線性電阻。全電路歐姆定律全電路是含有電源的閉合電路。電源內(nèi)部的電路稱為內(nèi)電路。電源內(nèi)部的電阻稱為內(nèi)電阻，簡稱內(nèi)阻。電源外部的電路稱外電路，外電路中的電阻稱為外電阻。內(nèi)容： 閉合電路中的電流與電源的電動(dòng)勢成正比，與電路的總電阻（內(nèi)電路電阻與外電路電阻之和）成反比。全電路歐姆定律又可表述為：

電源電動(dòng)勢等于U外和U內(nèi)之和。電源的外特性電源端電壓U與電源電動(dòng)勢E的關(guān)系為：

U=E－Ir

可見，當(dāng)電源電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r一定時(shí)，電源端電壓U將隨負(fù)載電流I的變化而變化。電功和電功率1.電功電流所做的功，簡稱電功（即電能），用字母W表示。 電流在一段電路上所作的功等于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I和通電時(shí)間t三者的乘積，即：W=UIt

式中W、U、I、t的單位分別用J、V、A、s。電能的另一個(gè)常用單位是千瓦時(shí)（kW·h）,即通常所說的1度電，它和焦耳的換算關(guān)系為

1kW·h=3.6×106J2.電功率