电路的基本概念
1.1 什么是电？
初中物理课上我们学过摩擦生电。用梳子梳干头发时，经常会听到“噼里啪啦”的声音，如果是暗色系，还能看到一些细小的火花。把梳子放在一堆小纸片附近，小纸片就会被梳子吸起来。什么是电？电是一种特殊的能量，叫做电能。
世界是物质的，自然界的一切物质都是由分子构成的，分子又由原子构成，每个原子的中心是原子核，原子核周围有若干个电子，它们沿着一定的轨道高速旋转。原子核带正电，电子带负电。原子在不受外力作用时，原子核所带的正电荷与外层电子所带的负电荷相等，原子与外界处于平衡状态，不表现出电性质。
不同的原子，原子核不同，原子核周围电子数也不同。例如，铜、铝原子的原子结构如图1-1所示。铜原子核有29个带正电的质子，29个带负电的中子，原子核外电子分布四层，最外层只有一个电子，如图1.1（a）所示。铝原子核有13个质子，13个中子，与原子核外质子数相等，最外层只有一个电子，如图1.1（b）所示。
（a）铜原子结构示意图（b）铝原子结构示意图
图1 原子结构示意图
最外层轨道的电子距离原子核较远，受原子核的束缚较少，当受到外界因素（如热、光、机械力）作用时，它们很容易脱离原有轨道，成为自由电子。铜、铝等金属的外层电子不稳定，常温下会脱离轨道成为自由电子（如每cm3铜含有8×1032个自由电子）。
如果一个原子失去一个或多个外层电子，它的电平衡就被破坏，正电荷大于负电荷，这个原子就带正电；同样：如果飞出轨道的电子被另一个原子吸收，另一个原子就会带负电。这就是电的本质。
我们用的电都是由发电厂的发电机组发出的，经过高压输变电送到千家万户，目前发电的方式有很多种，有火力发电、水力发电、太阳能发电、风力发电、核能发电等。
1.1.2 什么是电路？
电路是电流所走的路径。
1 电路结构
电路是由元器件按照一定的方式组合而成的。图1.2所示的电路是手电筒最简单的物理连接电路，由电源（干电池）、负载（灯泡）和中间环节（包括连接线和开关）三部分组成。在电路中，随着电流的流动，进行着不同形式能量之间的转换。
电源是将非电能转换成电能的装置。例如，干电池和蓄电池将化学能转换成电能，而发电机则将热能、水能或原子能转换成电能。因此，电源是电路中的能量源，是驱动电流运动的源头。非电能到电能的转换是在它内部进行的。
图2 手电筒简单物理连接电路
负载是将电能转换成非电能的设备，如灯泡把电能转换成光能，电炉把电能转换成热能，电动机把电能转换成机械能。所以，负载是电路中的接收器，是取用电能的设备，从电能到非电能的转换都是在它内部进行的。
中间环节是连接电源与负载的部件，起着传输和控制电能的作用。
2.2 简单电路
图3为电路图，电路元件有干电池E、灯泡HL、开关S和导线。灯泡HL为电阻元件R；E为电源，其内阻为R0；干电池与灯泡之间的中间环节为开关S，其电阻可忽略，可认为是无电阻的理想导体。
3 电路功能
图3 简单电路图
（1）传输和处理信号电路的功能之一就是传输和处理信号。一个常见的例子就是扬声器。麦克风先把语言或音乐（通常称为信息）转换成相应的电压和电流，也就是电信号，再通过电路传输给扬声器，把电信号还原为语言或音乐。由于麦克风输出的龟速信号比较弱，不足以推动扬声器发音，所以中间要用放大器进行放大。这种对信号的转换和放大就叫做信号处理。
（2）信号传输与转换
供电系统中的电源电路起着实现电能的传输和转换的作用。发电厂发出的高压电通过高压线路输送到各地，再通过变压器转换成低压电。这类电路一般要求在传输和转换过程中尽可能减少能量损耗，以提高效率。
1.2 直流电路
直流电路中电压和电流的大小和方向不随时间而改变。
1.2.1 基本概念
1.电压
河水之所以能流动，是因为有水位差，水总是从高水位流向低水位。电荷之所以能流动，是因为有电位差，电路中任意两点间的电位差称为两点间的电压。电压是电流形成的主要条件。电路中电压常用U表示，单位为伏特（V）。大单位可用千伏（kV）表示，小单位常用毫伏（mV）或微伏（μV）表示。它们之间的关系如下。
1千伏=1000伏
1伏=
lmV=1000μV
我国规定的标准电压等级有很多，如直流安全电压有12V、24V、36V，工业直流电压有110V、220V，民用市电电压有220V交流，工业电源电压有380V交流，高压配电电压有6kV、10kV，高压输电电压有110kV，长距离超高压输电电压有330kV、500kV等。
电压可用电压表测量。测量时，将电压表并联到电路中，选择电压表指针接近全偏的量程。如果无法估计电路中的电压，请先使用较大的量程，进行粗略测量，然后再使用合适的量程。这样可以防止电压过大而损坏电压表。
2. 潜力
电场中某一点电荷的势能与其电荷之比为该点的电位。若U代表电位，A代表电荷q的势能，则
乌兹别克斯坦
其中，U的单位为V，A的单位为J，q的单位为C。
在指定电路中某点的电位时，必须先确定参考点。如果其电位为零，则电路中某点的电位在数值上等于该点到参考点的电压。因此，电位的大小与参考点的选择有关。所有用于电位计算的参考点都用地符号（上图）表示。这种选择便于计算，计算器不需要自由选择参考点。
3. 电源
把其他形式的能量转换成电能的装置称为电源。例如，发电机可以把机械能转换成电能，电池可以把化学能转换成电能。干电池、发电机等都称为电源。
通过整流电路把交流电变成直流电的装置叫整流电源。能提供信号的电子设备叫信号源。晶体管能把前面来的信号放大，并把放大后的信号传送给后面的电路。晶体管也可以看作后面电路的信号源。整流电源和信号源有时也叫电源。
4. 电动势
电动势是反映电源将其他形式的能量转换成电能的能力的物理量。电动势在电源两端产生电压。在电路中，电动势常用E表示，单位为伏特（V）。
5. 电位差
电位差就是两点之间的电位差，若a、b点电位分别为10V、5V，则两点之间的电位差Uab=10V-5V=5V；反之，Uba=5V-10V=-5V。
6. 当前
电荷的定向运动叫做电流。在电路中，电流常用J表示。电流有两种：直流电和交流电。大小和方向不随时间变化的电流称为直流电，大小和方向随时间变化的电流称为交流电。电流的单位是安培（A），也常用毫安（mA）或微安（μA）作为单位。它们之间的关系是
1kA=1000A
1A=
1毫安=1000微安
直流电流的方向是从电源正极流向电源负极。
电流可用电流表测量。测量时，将电流表串联在电路中，选择电流表指针接近全偏的量程。如果无法估计电路中的电流，先用较大的量程，粗略测量，然后再用合适的量程。这样可以防止电流过大而损坏电流表。
7. 加载
把电能转换成其他形式能量的设备称为负载。例如，电动机可以将电能转换成机械能，灯泡可以将电能转换成热能和光能，扬声器可以将电能转换成声能。电机、电阻、灯泡、扬声器等都称为负载。后级的晶体管也可以看作是前级的负载。
8.抵抗
在电路中，阻碍电流通过而造成能量消耗的元件称为电阻器。电阻常用R表示，单位为欧姆（Ω），也常用千欧姆（kΩ）或兆欧姆（MΩ）作为单位。它们之间的关系是
1kΩ=1000Ω
1MΩ=Ω
导体的电阻由导体的材质、截面积、长度及温度所决定，一般导体的电阻可利用下列公式计算：
R=ρL/S
式中L为导体长度（m）；S为导体截面积（mm2）；ρ为导体电阻率（Q·mm2/m）。
电阻率ρ是电学计算中的一个重要物理常数。不同材料制成的物体，其电阻率是不同的。其值相当于在温度为+20℃时，用这种材料制成的长度为1米、截面积为1mm2的导线的电阻值。电阻率的大小直接反映了各种材料导电性能的好坏。材料的电阻率越大，其导电性能越差；电阻率越小，其导电性能越好。
电阻可用万用表的欧姆档测量。测量时，选择万用表指针偏出一半的欧姆档。如果被测电阻焊接在电路中，测量前应将一端断开，且人体不要接触电阻引线。
常用金属材料的电阻率如表1-1所示。
表1-1 常见金属材料电阻率（20℃）
9.电容器
电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。当在两根绝缘导体上施加一定的电压时，它们会储存一定的电荷。一根导体储存正电荷，另一根导体储存等量的负电荷。施加的电压越大，储存的电荷越多。储存电荷的数量与施加的电压成正比，它们的比值称为电容。如果用U表示电压英语作文，用Q表示电荷，用C表示电容，则
问题=UC
电容的单位是法拉（F），也有常用微法拉（μF）或皮法拉（pF）作为单位的。它们的关系是
1F=106μF
1楼=
电容可以用电容测试仪测量，也可以使用万用表的欧姆范围粗略估计。
10.电感
电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。当电流通过线圈时，线圈周围就会产生磁场，有磁通量穿过线圈。通过线圈的电流越大，磁场越强，通过线圈的磁通量也越大。实验证明，通过线圈的磁通量与通过线圈的电流成正比。它们的比值称为自感系数，也叫电感。设通过线圈的磁通量用Si表示，电流用I表示，电感量用L表示，则
比例尺=Q/I
电感的单位是亨利（H），也有常用毫亨利（mH）或微亨利（μH）作为单位的。它们的关系为
1H=
1毫亨=1000微亨
11. 电力
当电流流过电路时，就会发生能量的转换。在电源内部，外力不断克服电场力，驱使正负电荷向电源两极移动做功，把其他形式的能量转换成电能。通过外电路，电荷不断被送到负载，把电能转换成其他形式的能量。
负载所消耗的电能等于端电压与电荷的乘积，电荷等于电流与时间的乘积，即
A=UQ=IUt (1-5)
式中，A为电能，单位为J；U为端电压，单位为V；Q为电荷，单位为C。
1 2. 电气工作
电流所做的功等于电路所消耗的电能，电路中消耗的电能等于电路中移动电荷所做的功。
答：U2/Rt
一氧化碳
1 3. 电力
电路在单位时间内产生或消耗的电能叫做电功率，简称功率，用P表示，单位为W。
P=A／t=IUt／t=IU (1-8)
P=U2/R（1-9）
P=I2R（1-10）
其中P为电功率（W，1W=lJ/s）；t为时间（s）。
14. 指挥
能良好地传导电流的物体称为导体。由导体制成的电工材料称为导电材料。金属是常用的导电材料。除金属外，其他物质如大地、人体、自然界的水、酸、碱、盐及其溶液等都是导体。
金属之所以能很好地传导电流，是由其原子结构决定的。金属原子的最外层电子与原子核的结合较松散，因此这些电子很容易脱离自己的原子核而与其他原子核结合。失去电子的原子又有新的电子可以与之结合，这一系列过程就是导电的过程。银的电阻率最低，导电性最好，但由于价格昂贵，只在极少数地方使用，如开关触点等。一般电器设备中，铜和铝的使用最为广泛。
还有一些材料虽然能导电，但电阻率却很大磁通量与电压的关系，人们常常用它们作为某些电器中的电阻材料或电热材料，如电炉或电烤箱中的加热丝等。
1 5. 绝缘子
不能导电或导电性很差的物体称为绝缘体。常见的绝缘体有木材、石材、橡胶、玻璃、云母和瓷器等。绝缘体的原子结构与导体不同，绝缘体的电子与原子核结合紧密，难以分离。当这类物质接上电源后，流过它们的电流极小（几乎接近于零）。其绝缘作用可用来隔离电位不同的带电物体。
一般来说，对绝缘材料的要求是极高的绝缘电阻和电气强度、良好的耐热性和耐湿性、较高的机械强度和易于加工。
空气是我们大家非常熟悉的，在自然界中被广泛用作天然绝缘材料磁通量与电压的关系，纸、矿物油、橡胶、陶瓷等都是应用广泛的绝缘材料。近年来，由于有机合成工业的兴起，各种绝缘材料不断被推出，为制造新型电气设备提供了良好的条件。
绝缘材料在长期的电、热作用下，特别是在化学腐蚀的情况下，会逐渐老化，降低其原有的电气性能和机械性能，有时甚至会完全丧失绝缘性能。因此，定期检查绝缘性能是电气设备维护中的主要工作之一。绝缘电阻是绝缘材料的主要技术指标。常用兆欧表测量设备的绝缘电阻。一般低压电器设备的绝缘电阻应大于0.5MΩ。对于移动电器和在潮湿场所使用的电器，绝缘电阻应稍大一些。
16. 半导体
所谓半导体，顾名思义，就是导电性介于导体和绝缘体之间的物质，硅、锗、硒以及大部分金属氧化物、硫化物都是半导体。
半导体的电导率在不同条件下差别很大。例如有些半导体（如钴、锰、镍等的氧化物）对温度特别敏感，当环境温度升高时，它们的电导率就增大很多。各种热敏电阻就是利用这种特性制成的。又例如有些半导体（如镉、铅等的硫化物和硒化物）在光照下，导电性就很强；没有光照时，就变得像绝缘体一样不导电。各种光敏电阻就是利用这种特性制成的。．
更重要的是，如果在纯半导体中加入微量的某些杂质，可使电导率提高数十万甚至数百万倍。例如在纯硅中加入百万分之一的硼后，硅的电阻率由约2×103Ω·m降低至约4×10_3Ω·m。利用这一特性可制作各种用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管、场效应管和晶闸管等。
1.2.2 电路的几种状态
（1）开路状态（断路状态）
当电路的开关断开时，称为断路。其特点是电流为零，电源端的电压值为电源两端的电动势。电路维修时应在断路状态下进行。此状态下，电路不工作，也不发热。
（2）短路状态
当电路中带电压的两点用一根电阻为零的导体连接起来时，就称为短路。它的特点是电流很大。根据电流的热效应，导体所消耗的电能为
A=IUt=I2Rt (1.11)
如果电阻所消耗的电能全部转化成热能（Q=I2Rt），就会烧坏绝缘元件，损坏设备。为了防止短路，在电路中接有保险丝。有时可以利用短路电流产生的高温进行金属焊接等。
（3）额定工作状态
额定电流是电气设备一般都会规定的数值，额定电流是指电气设备在长期运行过程中，允许流过的最大电流。
大电流用In表示，当实际电路中小于In时，称为轻载；等于In时，称为满载，满载为额定工作状态；大于In时，称为过载，不允许过载。有的设备不标额定电流，而标出额定电压即Un，标出额定功率Pn。
1.3 串联和并联电路
1.3.1 电阻串联/并联电路
在电路中，元器件按顺序首尾相连，每个元器件通过相同的电流，这种连接关系称为元器件的串联。串联电路具有分压作用，回路中电流处处相等，如图1-4所示。
如果元器件是首尾相连，且处于同一电压下，这种连接关系称为元器件并联，如图1-5所示。
图1.4 电阻串联电路
图1.5 电阻并联电路
1.串联电阻的参数计算
电阻R1和R2串联，总电阻计算如下：
R=R1+R2+···+Rn（1-12）
例1 如图1-4所示，RI=IOQ，Q=20Q，计算总电阻
解：R = R1 + RE = 10 + 20 = 30 （Q）
2.并联电阻的参数计算
电阻R1、R2并联，其总阻值R的计算公式为：
R总=（R1R2）/（R1+R2）
例2：如图1-5所示，R1=20Ω，R2=40Ω，求并联后的总电阻。
解决方案：R = (R1R2) / (R1+R2) = 13
并联电路的特点：并联电路有分流作用，各支路电压处处相等。 3、混合电路的计算，可按元器件布置方式计算，也可采用先串（并）后并（串）的方法计算。
1.3.2 电容器串联/并联电路。
电容器的串联/并联连接形式与电阻器的串联/并联连接形式相同，只是计算公式不同。
1.并联电容器参数计算
如图1-6所示，当电容器C1和C2并联时，它们的总电容C为
碳原子数=Cl+C2
2. 电容器的串联
如图1-7所示，当电容器C1和C2串联时，它们的总电容C为
C=(C1*C2)/(C1+C2)
图1-6 电容并联电路
图1-7 电容串联电路
1.4 电路基本定律
1.4.1 欧姆定律
我们知道，当在电阻（如灯泡或电阻器）两端加上电压U时，会有电流I流过。那么电阻R与电压、电流之间有什么定量关系呢？德国物理学家欧姆进行了大量的实验，得出了一条基本定律——欧姆定律。导体中的电流I与导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比，即
我=U/R
这个定律叫做欧姆定律。如果你知道电压、电流和电阻三个量中的两个，你就可以利用欧姆定律来计算第三个量，即
我=U/R
在交流电路中，欧姆定律同样成立，但电阻应改为阻抗z，即
我=U / Z
从公式中可以看出，当外加电压U一定时，电阻（Z）越大，电流越小。显然电阻具有阻碍电流的物理性质。在国际单位制中，电阻的单位是欧姆（Q）。当电路两端的电压为1V，通过的电流为1A时，这个电路的电阻为1Q。测量高电阻时，单位为千欧姆（kQ）或兆欧姆（Mfl）。，。
由电压和电流的定义可知，电阻器中电流的方向与电压的方向一致，都是从高电位端指向低电位端。
欧姆定律不仅适用于线性电阻，也适用于随时间变化的电压和电流。也就是说，任何时刻的电流一定等于该时刻的电压除以电阻。
电阻在电路中消耗功率。它所消耗的功率为
P=IU（电功率的定义） （1.19） 公式（1.19）是计算电阻器所消耗功率的公式。可以看出，对于电阻器，如果已知电压、电流、功率和电阻四个量中的任意两个，则可以确定另外两个量。
例1：一个100W的灯泡接在220V的电源上，求该灯泡的电阻和电流。
解：I = P / U = 100 / 220 = 0.4（A）
R=U/I=220/0.4=550(Q)。'
1.4.2 节点电流规律
电路中，一定有一个元件相互连接的地方。我们把元件连接的地方称为节点。图 1.8 中有 6 个节点：a、b、c、d、e 和 f。但习惯上把两个或多个元件连接的地方（或电流汇聚和分流的地方）称为节点。因此，图 1.8 中只有 4 个节点。
节点可以看作是一条没有被元件隔开的线。例如，在图1.8中，上方的节点是连接E、C、R1和R2的正极的线。
节点电流定律：流入节点的电流等于流出节点的电流。例如，对于上面的节点，
图 1.8
I=I1+I2
例2 图1.8所示为电路中节点a，I1=10A，I2=20A，求I？'
解：根据节点电流定律，我们有
我=11+12=10+20=30（A）
需要指出的是，节点电流定律对任何电路、任何节点、任何时间都有效，对直流电和交流电都有效。
1-4.3 电压规律
在电路中，两个节点之间的电流路径称为支路。如图 1.9 所示，共有 4 个支路：E 和 r 为一个支路，C 为一个支路，R1 和 R2 为一个支路，R3 为一个支路……，
节点电压定律：电路中任意两节点间的电压（比如a与b/Jab间的电压）等于沿任意路径从高电位到低电位的电压降的代数和。
图1-9 电压规律电路
1.4.4 叠加原理
叠加原理是分析线性电路常用的原理，支流法列出的方程都是线性代数方程，根据线性代数方程的叠加，可以推导出电路的叠加原理，电路如图1.10所示。
图1.10 叠加原理电路
使用叠加原理时应注意以下问题。
（1）当假设一个电源单独作用时，应将其他电源置零。理想电压源应视为短路，理想电流源应视为开路，但必须保留电源的内阻。
（2）各电源单独作用时产生的电流前面的符号不能忽略，叠加时应取它们的代数和。
（3）叠加原理只能用来求解线性电路的电压或电流，而不能用来叠加功率，更不能用于非线性电路。
1.4.5 等效功率定理
（1）在复杂电路中，如果我们要求某支路中的电流，可以把电路的其余部分看作一个有源二端网络。利用戴维南定理和诺顿定理，把这个有源二端网络用电压源或电流源代替，可以大大简化问题的分析。
（2）的定理指出，用电动力E代替电压源代替主动的两端网络的条件和电压r的内部电阻R：电压源的电动力E等于主动两端网络的开放电路电压，电压源的内部电阻均等于两个端动的抗性。
（3）诺顿定理指出，有效的两端网络可以用相等值的电流和相等值的内部电阻代替。
（4）当将特殊的主动两末端网络转换为相应的被动两末端网络时，应注意的是，所有恒定电压源都是短路的，所有恒定电流源都是敞开的，并且应保留内部电阻。
（5）当应用等效电源定理时，可以与恒定电压源并联连接的电路，并且可以在更复杂的情况下逐渐消除与恒定电流源连接的电阻，可以使用叠加原理或可以使用定理。