一电路的基本概念
1.1哪些是电
在高中数学学中，我们曾学习过磨擦生电。用木梳梳理干燥的毛发时，经常会看到“噼噼、啪啪”的声响，假如在黑夜里，就会听到一些细小的火花。将这把木梳放在一小撮小纸屑的近旁，小纸屑会被木梳吸上去。电是哪些昵?电是一种特殊的能量，称为电能。
世界是物质的。自然界的一切物质都是由分子组成的。分子又是由原子组成的。每一种原子都有一个处在中心的原子核，在原子核周围有若干个电子顺着一定的轨道做着高速率的旋转运动。原子核是带正电的，而电子是带负电的。在原子未受外力的作用时，原子核所带的正电荷与内层电子所带的负电荷相等。原子对外界处于平衡状态，不显电性。
不同的原子，其原子核的质量及其周围的电子数量是不同的。如铜原子和铝原子，它们的原子结构如图l—l所示。铜原子核内有29个带正电的质子，核外有29个带负电的中子。电子呈四层分布，最内层只有一个电子，如图1．1(a)所示。铝原子核内有13个质子，核外有与质子数相等的13个中子，最内层只有一个电子，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
这些处在最内层轨道上的电子，因为它们距离原子核比较远，遭到原子核的禁锢力比较弱，在遭到外界诱因(如热、光、机械力)影响时，很容易脱离自己的轨道，甩掉原子核的禁锢，成为自由电子。铜、铝等金属物质都具有不稳定的内层电子，在常温下才会脱离轨道成为自由电子(如每cm3铜中包含8×1032个自由电子)。
假如原子失掉一个或几个内层电子，则它的电平衡就被破坏了，正电荷少于负电荷，这个原子就带正电；同理：飞出轨道的电子被另外的原子所吸收，另外的那种原予就带负电。这就是电的本质。、
我们使用的电是由发电厂发电机组发出的，经高压输电、。变电送到千家万户。目前，发电的方法好多，如火力发电、水力发电、太阳能发电、风力发电及核能发电等。
1.1.2哪些是电路
电路就是电压所通过的路径。
1电路的结构方式
电路是由元元件按一定形式组合而成的。图1．2所示的电路是一个最简单的手探照灯实物联接电路电能电功电功率基础题目，由电源(干电瓶)、负载(电灯泡)和中间环节(包括联接导线和开关)三部份组成。在电路中，随着电压的流动，进行着不同方式能量之间的转换。
电源是将非电能转换成电能的装置。诸如，干电瓶和蓄电瓶是将物理能转化成电能，而发电机是将热能、水能或原予能等转换成电能。所以，电源是电路中的能量来源，是促进电压运动的源泉，在它的内部进行着由非电能到电能的转换。
图2电筒简实物联接电路
负载是将电能转换成非电能的装置，如电灯泡将电能转换成光能、电炉将电能转换成热能、电动机将电能转换成机械能等。所以，负载是电路中的受家电，是取用电能的装置，在它的内部进行着由电能到非电能的转换。
中间环节是把电源与负载联接上去的部份，起传递和控制电能的作用。
2.2简单的电路
图3是电路图。电路器件有干电瓶E、电灯泡HL、开关S和导线。电灯泡HL是阻值器件R；E是电源，内内阻为R0；联接干电瓶与电灯泡的中间环节是开关S，其内阻可以忽视不计，觉得是一无内阻的理想导体。
3电路的作用
图3简单的电路图
(1)传递和处理讯号电路的作用之一是传递和处理讯号，常见的如音箱，先由麦克风把语言或音乐(一般称为信息)转换为相应的电流和电压，即联通号，而后通过电路传递到麦克风，把联通号还原为语言或音乐。因为麦克风输出的龟讯号比较微弱，不足以促使音响发音，因而中间还要用放大器来放大。讯号的这些转换和放大，称为讯号的处理。
(2)传输和转换讯号
供电系统中的电力电路起着实现电能的传输和转换的作用。把发电厂发出的高压电通过高压线路传输到各地，之后通过变压器把高压电转换成低压电。这类电路，通常要求在传输和转换过程中，尽可能地降低能量耗损以提升效率。
1.2直流电路
直流电路的电流和电压的大小和方向不随时间的变化而变化。
1.2.1基本橛念
1．电流
湖水之所以还能流动，是由于有水位差。水总是从高水位流向低水位。电荷之所以还能流动，是由于有电位差。电路中，任意两点间的电位差，均被称为两点间的电流。电流是产生电压的主要条件。在电路中，电流常用U表示，单位是伏(V)，大的计量单位可用千伏(kV)表示，小的计量单位常用毫伏(mV)或微伏(μV)表示。它们之间的关系为。
lkV=1000V
1V=
lmV=1000μV
我国规定的标准电流等级好多，如直流安全电流为12V、24V、36V，工业用电直流为llOV、220V等，民用市电电流为交流220V，工业动力用电为交流380V，高压配电电流为6kV、lOkV，高压输电电流为110kV，远距离超高压输电电流为330kV和500kV。
电流可以用电流表检测。检测时，把电流表并联在电路上，要选择电流表表针接近满偏转的阻值。假如电路中的电流大小恐怕不下来，要先用大的阻值，简略检测后再用合适的阻值，这样可以避免因为电流过大而毁坏电流表。
2．电位
置于电场里某点电荷的位能与它的电量之比就是该点的电位，如用U表示电位，A表示电荷q的位能，则
U=A/q
式中，U的单位为V，A的单位为J，q的单位为C。
在指明电路中某点电位时，必须首先确定参考点，设其电位为零，则电路中某点的电位在数值上就等于该点到参考点的电流。为此，电位的数值与参考点的选择有关。凡求电位的参考点都用接地符号(上)表示。这样的选择便捷估算，无须估算者自由选取参考点。
3．电源
把其他方式的能转换成电能的装置称作电源。诸如，发电机能把机械能转换成电能，于电瓶能把物理能转换成电能。干电板、发电机等都称作电源。
通过检波电路把交流电弄成直流电的装置称作检波电源，。能提供讯号的电子设备称作讯号源。晶体二极管能把上面来的讯号加以放大，又把放大了的讯号传送到旁边的电路中去，晶体二极管对前面的电路来说也可以看成是讯号源。检波电源、信号源有时也称作电源。
4．电动势
电动势是反映电源把其他方式的能转换成电能能力的数学量，电动势使电源两端形成电流。在电路中，电动势常用E来表示，单位是伏(V)。
5．电位差
电位差就是两点之间的电位之差。如a、b两点的电位分别为10V和5V，则两点之间的电位差为Uab=10V-5V=5V；反之，玩Uba=5V-10V=-5V。
6．电压
电荷的定向联通称作电压。在电路中，电压常用J表示。电压分直流和交流两种。电压的大小和方向不随时间变化的称作直流，电压的大小和方向随时间变化的称作交流。电压的单位是安培(A)，也常用毫安(mA)或微安(μA)作为单位。它们之间的关系为
1kA=1000A
1A=
1mA=1000μA
直流电压的方向是从电源的负极流到电源的正极。
电压可以用电压表检测。检测时，把电压表串联在电路中，要选择电压表表针接近满偏转的阻值。假如电路中的电压大小恐怕不下来，则要先用大的阻值，简略检测后再用合适的阻值。这样可以避免电压过大而毁坏电压表。
7．负载
把电能转换成其他方式的能的装置称作负载。诸如，电动机能把电能转换成机械能，电灯泡能把电能转换成热能和光能，耳机能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都称作负载。后级的晶体二极管对于功放来说，也可看为负载。
8．内阻
电路中，对电压通过有制约作用而且导致能量消耗的器件叫阻值。内阻常用R表示，单位是欧(Ω)，也常用千欧(kΩ)或兆欧(MΩ)作为单位。它们之间的关系为
1kΩ=1000Ω
1MΩ=Ω
导体的内阻由导体的材料、横截面积、长度和湿度决定。通常导线的阻值可由以下公式求得，即
R=ρL/S
式中，L为导线的宽度(m)；S为导线的横截面积(mm2)；ρ为导线的阻值率(Q·mm2／m)。
内阻率ρ是焊工估算中的一个重要数学常数。不同材料物体的阻值率各不相同。它的数值相当于用这些材料制成长lm、横截面积为lmm2的导线，在气温为+20℃时的内阻值。内阻率直接反映着各类材料导电性能的优劣。材料的内阻率越大，表示它的导电性能越差；内阻率越小，则表示导电性能越好。
内阻可以用万用表欧姆挡检测。检测时，要选择万用表表针偏转阻值一半的欧姆挡。倘若被测内阻点焊在电路中，则应将其断掉一端后进行检测，人体不能与内阻引线接触。
常用金属材料的阻值率见表1-1。
表1-1常用金属材料的阻值率(20℃)
9．电容
电容是评判导体存储电荷能力的数学量。在两个互相绝缘的导体上加上一定的电流，它们都会存放一定的电量。其中一个导体存放着正电荷，另一个导体存放着大小相等的负电荷。加上的电流越大，存放的电量就越多。存储的电量和加上的电流是成反比的，它们的比值称作电容。假如电流用U表示，电量用Q表示，电容用C表示，这么
Q=UC
电容的单位是法(F)，也常用微法(μF)或皮法(pF)作为单位。它们的关系为
1F=106μF
1F=
电容可以用电容测试仪检测，也可以用万用表欧姆挡简略估测。
10．电感
电感是评判线圈形成电磁感应能力的数学量。给一个线圈通入电压，线圈周围还会形成磁场，线圈就有磁路量通过。通入线圈的电压越大，磁场就越强，通过线圈的磁路量就越大。实验证明，通过线圈的磁路量和通入的电压是成反比的，它们的比值称作自感系数，也称作电感。假如通过线圈的磁路量用西表示，电压用I表示，电感用L表示，这么
L=Q/I
电感的单位是亨(H)，也常用毫亨(mH)或微亨(μH)作为单位。它们的关系为
1H=
lmH=1000μH
11．电能
当电压流过电路时将发生能量转换。在电源内部，外力不断克服电场力驱使正、负电荷分别向电源两极联通而做功，把其他方式的能转换为电能。通过外电路，电荷不断地被送到负载，把电能转换为其他方式的能。
负载消耗的电能等于端电流与电荷的乘积，电荷又等于电压与时间的乘积，即
A=UQ=IUt(1-5)
式中，A为电能，单位为J；U为端电流，单位为V；Q为电荷，单位为C。
12．电功
电压做功等于电路消耗的电能，而电路里消耗的电能又等于使电荷在电路里联通所做的功。估算电功的公式
A=U2/Rt
A=I2Rt
13．电功率
在单位时间内电路形成或消耗的电能被称为电功率，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)
式中，P为电功率(W，1W=lJ/s)；t为时间(s)。
14．导体
能良好传导电压的物体称作导体。用导体制成的电气材料称作导电材料。金属是常用的导电材料。不仅金属以外，其他如大地、人体、天然水和酸、碱、盐类及它们的氨水都是导体。
金属之所以还能良好地传导电压，是由其原子结构决定的。金属原子最内层的电子与原子核结合得比较松散，因而这部份电子很容易脱离自己的原子核与别的原子核去结合，丧失电子的原子又有新的电子来结合，这样一连串的过程就是导电的过程。银的内阻率最小，导电性能最好气但因为其价位高昂，只在极少数地方，如开关触头等处采用，通常电气设备中应用最广泛的是铜和铝。
还有一些材料似乎能导电，值内阻率较大，人们经常把它作为内阻材料或电热材料应用于个别家电中，如电炉或电烤炉中的电热丝等。
15．绝缘体
不能导电或则导电能力极差的物体称作绝缘体。常见的绝缘体有木头、石头、橡皮、玻璃、云母及陶器等。绝缘体的原子结构与导体不同，其电子和原子核结合得很紧密，并且极难分离，将这种物质接上电源时，流过的电压极小(几乎接近零)。可以借助它的绝缘作用把电位不同的带电体隔离开来。
通常来讲，对绝缘体材料的要求是具有极高的绝缘内阻和耐电硬度、较好的耐热和防霉性能、较高的机械硬度及工艺加工便捷等。
空气是我们你们非常熟悉的，它作为一种自然界的天然绝缘材料而被人们广泛地加以借助。纸、矿物油、橡胶和陶瓷都是应用十分广泛盼绝缘材料。近些年来，因为有机合成工业的盛行，各类各样的绝缘材料不断问世，为新型电气设备的制造提供了良好的条件。
绝缘材料在电和热的常年作用下，非常是在有物理腐蚀的情况下，会逐渐老化，增加它原有的电气和机械性能，有时甚至可能完全失去绝缘性b所以常常检测绝缘性能是电气设备修理中的主要工作之一。绝缘内阻是绝缘材料的主要技术指标。常用兆欧表来检测设备的绝缘内阻。通常低压电气设备的绝缘内阻应小于O.5MΩ。对于联通家电和在阴湿地方使用的家电，其绝缘内阻还应再大一点。
16．半导体
所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和氮化物都是半导体。
半导体的导电能力在不同条件下有很大的差异，如有些半导体(如钴、锰、镍等的氧化物)对气温的反应非常灵敏，当环境湿度增高时，它们的导电能力要提高好多。借助这些特点就弄成了各类热敏内阻。又如有些半导体(如镉、铅等的硫醇与硒化物)、受到光照时，它们的导电能力显得很强；当无光照时，又显得像绝缘体那样不导电。借助这些特4性就弄成了各类光敏内阻。．
更重要的是，假如在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，则导电能力就可降低几十万甚至几百万倍。比如，在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的内阻率就从大概2×103Ω·m降低到4×10_3Ω·m左右。借助这些特点就弄成了各类不同用途的半导体元件，如半导体三极管、三极管、场效应晶体管及二极管等。
1.2.2电路的几种状态
(1)开路状态(断路状态)
当电路的开关断掉时，称为开路。其特点是电压为零，电源端的电流值就是电源两端的电动势。检修线路应在开路状态下进行。在这些状态下，电路不工作也不形成热量。
(2)漏电状态
当电路中有电流的两点被内阻为零的导体联接时，+称为漏电。其特点是电压很大。按照电压的热效应，导体所消耗的电能为
A=IUt=I2Rt(1．11)
若阻值消耗的电能全部转换成热能(Q=I2Rt)，则会烧毁绝缘器件，毁坏设备。为了避免漏电，在电路中接熔断器。有时借助漏电电压形成的低温可进行金属钎焊等。
(3)额定工作状态
对用电设备通常都规定额定电压。额定电压是指电气设备长时间工作所容许通过的最
大电压，用In表示。实际电路大于In时称为轻载；等于In时称为满载，满载就是额定工作状态；小于In时称为过载，过载是不容许的。有些设备不标出额定电压而标出额定电流，即Un，标出额定功率Pn。
1．3串联与并联电路
1．3．1内阻串/并联电路
在电路中，元元件一一按次序首尾相接，各元元件通过同一电压，把这些联接关系称作元元件的串联。串联电路具有分压作用，回路中的电压处处相等，如图1-4所示。
若元元件首．首和尾．尾相接，且在同一电流作用下，则把这些联接关系称作元元件的并联，如图1-5所示。
图1．4内阻串联电路
图1．5内阻并联电路
1．内阻串联的参数估算
内阻R1、R2串联，其总内阻尺的估算公式为
R=R1+R2+···+Rn(1-12)
例1如图1-4所示，RI=IOQ，惑=20Q，求总内阻凤
解：R=Rl+RE=10+20=30(Q)
2．内阻并联的参数估算
内阻Rl、R2并联，其总内阻R的估算公式为．
R总=（R1R2）/(R1+R2)
例2如图1-5所示，R1=20Q，R2=40Q，求并联后的总内阻尺。
解：R=（R1R2）/(R1+R2)=13
并联电路的特性：并联电路具有分流作用，每条环路上电流处处相等。3．混联电路的估算，可按元元件布局或先串(并)后并(串)的方式进行估算。
1．3．2电容串／并联电路．
电容串／并联的联接方式和内阻串／并联的联接方式是一样的，只是估算公式不一样。
1．电容并联的参数估算
如图1-6所示，电容C1、C2并联时，其总电容C为
C=Cl+C2
2．电容的串联
如图1-7所示，电容C1、C2串联时，其总电容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电路基本定理
1．4．1欧姆定理
我们晓得，在内阻(如电灯泡、电阻器)器件的两端加上电流U之后，其中一定会有电压I通过，这么内阻R和电流、电流之间存在哪些样的数目关系呢?日本化学学家欧姆做了大量的实验，得出了一个基本规律——欧姆定理。导体中的电压I与导体两端的电流U成反比，与导体的内阻R成正比，即
I=U/R
这个规律称作欧姆定理。假如晓得电流、电流、电阻三个量中的两个，就可以按照欧姆定理求出第三个量，即
I=U/R
在交流电路中，欧姆定理同样创立，但内阻应当改成阻抗z，即
I=U/Z
由式可见，当所加电流U一定时，内阻尺(Z)越大，r则电压，越小。其实，内阻具有对电压起制约作用的化学性质。在国际单位制中，内阻的单位是欧姆(Q)。当电路两端的电流为1V，通过的电压为1A时，这段电路的内阻就为1Q。计量高内阻时，则以千欧(kQ)或兆欧(Mfl)为单位。，。
从电流和电压的定义晓得，内阻中电流的方向与电流的方向一致，都是从高电位端指向低电位端。．
欧姆定理不但适用于线性内阻器件，但是对于随时间变化的电流、电流也适用，也就是说，任何一个时刻的电压，也一定等于这一时刻的电流乘以内阻尺。
内阻在电路中是消耗功率的。它消耗的功率为
P=IU(电功率的定义)(1．19)式(1．19)是拿来估算内阻消耗功率的公式。可见，j对于内阻器来说，在它的电流、电流、功率和内阻这四个量中，只要晓得任何两个量，能够确定出另外两个量。
例1一个100W的电灯泡接在220V的电源上，求这个灯泡的内阻和电压。
解：I=P／U=100／220=0．4(A)
R=U／I=220／0．4=550(Q)。’
1．4．2结点电压定理
在电路中，一定会有元元件与元元件联接的地方，我们把元元件相接的地方称作结点。在图1．8中，有a、b、c、d、e、f6个结点，但习惯上把两个以上器件相接的地方(或则说电压汇集与分叉的地方)称作结点。这样，图1．8中只有4个结点。
结点可以看做一条没有被元元件隔开的线。如在图1．8中，前面的结点是联接E的负极、C、R1和R2的线。
结点电压定理：流入结点的电压等于流出该结点的电压。诸如，对前面结点有
图1．8
I=I1+I2
例2电路中结点a示于图1．8中，I1=10A，I2=20A，求I?‘
解：由结点电压定理，得
I=11+12=10+20=30(A)
应当强调，结点电压定理对任一电路、任何一个结点、任意一个时刻都是创立的，对直流电创立，对交流电也创立。
1-4．3电流定理
在电路中，两个结点之间的电流通路称为大道。如图1．9所示，有4条大道：E和r是一条大道，C是一条大道，R1、R2是一条大道，R3是一条大道。。．，
结点电流定理：电路中任何两结点之间的电流(如a、。b之间的电流／Jab)等于从高电位顺着任何一条路径到低电位电流降落的代数和。
图l-9电流定理电路
1．4．4叠加原理
叠加原理是剖析线性电路时普遍应用的原理。由大道电压法列举的多项式是线性代数等式。按照线性代数等式的叠加性可导入电路的叠加原理。其电路如图1．10所示。
图1.10叠加原理电路
在使用叠加原理时应注意以下几个问题。
(1)当设某一电源单独作用时，其余电源应均设为零。理想电流源应视为漏电，理想电压源应视为开路，但电源电阻都必须保留。
(2)每位电源单独作用时所形成电压上面的符号切不可忽略，叠加时应取其代数和。
(3)叠加原理只能用于求解线性电路的电流或电压，而不能对功率进行叠加，更不能在非线性电路中使用。
1．4．5等效电源定律
(1)在复杂电路中，欲求一条大道电压，可将其余部份视为_个有源二端网路。借助戴维南定律和诺顿定律将此有源二端网路用电流源或电压源等值取代，可使问题的剖析大为简化。
(2)戴维南定律表述了将有源二端网路用一个电动势为E、内阻为尺。的电流源等值取代的条件：电流源的电动势～E等于有源二端网路的开路电流砜，电流源的电阻等于将此有源二端网路化为相应无源二端网路的等值内阻。
(3)诺顿定律表述了将有源二端网路用一个电压为五、内阻为风的电压源等值取代，电压源的电压五等于有源二端网路的漏电电压，电压源的电阻民等于将此有源二端网路化为相应无源=端网路的等值内阻。
(4)特有源二端网路化为相应的无源二端网路时，应注意所有的恒压源漏电，所有的恒流源开路，而电阻应给以保留。
(5)在应用等效电源定律时电能电功电功率基础题目，可去除与恒压源并联的电路，除去与恒流源串联的阻值。当电路比较复杂时，可以使用叠加原理或两次运用戴维南定律。