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1、第五章电气常识第一节 直流电路【学习目标】1、掌握直流电路中各物理量的概念；2、掌握欧姆定律的内容。【学习内容】一、 电路和电流（一）电路电流所流过的路径叫做电路。它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合而成的。如图5-1（a）所示为一个简单电路的实物接线图。为了绘图方便和便于分析，国家规定了各种电气元件的图形符号，用图形符号画成的图称为电路图。所以图5-1（a）所示电路可以画成图5-1（b）所示的电路图。（a） （b）图5-1 最简单的电路电路所完成的任务是多种多样的，所以电路的形式、复杂程度各不相同，但电路一般总是由电源、负载、连接导线和控制设备四个基本部分组成。电源是电能的提供
2、者，它是将其它形式的能（如化学能、机械能、原子能等）转变为电能的装置。如干电池、蓄电池、发电机等都是常见的电源。负载是电能的消耗者，它是将电能转变为其它形式能量的装置。如电灯、电动机、扬声器等都是电路中的负载。连接导线在电路中起传输电能的作用。最常用的是铝导线和铜导线。控制设备起控制电路通、断，以及控制电能分配的作用。电路分为内电路和外电路。一般地把电源内部的电流通路称为内电路，如电池两极之间的电路就是内电路。电源以外部分的电流通路称为外电路。电路的作用一是用来输送、分配和转换电能。如电力系统。它将发电厂产生的电能通过变压器、传输导线等送到用电单位，并通过负载把电能转换成机械能、光能、热能等。
3、电路的另一个作用是信号的传递和处理。如收音机、电视机等电路，它将从天线接收下来的信号，进行传递和处理，送到扬声器或显像管还原成原始信息。（二）电流电荷有规则的定向移动称为电流。在金属导体中，电流是电子在外电场作用下有规则地定向运动形成的，在某些液体或气体中，电流则是正负离子在外电场作用下有规则运动形成的。电流的强弱用电流强度表示，其符号为I。它在数值上等于单位时间通过导体某一横截面S的电荷量。对于恒定电流来说，若以Q表示在时间t内通过导体截面上的总电量，则电流强度I就可用下式表示： I=Q/t (1一1）电流强度的单位是安培，简称安，用符号A表示。电量Q的单位为库仑（C），时间t的单位为秒（s
4、）。实用中，电流强度还用千安（kA）、毫安（mA）、微安（A）为单位。它们之间的换算关系是： 1kA=103A lmA10-3A 1A=10-6A为了叙述上的方便，人们把电流强度简称为电流。这样，电流既指一种物理现象，也表示一个物理量。电流分交流电流和直流电流两大类。凡方向不随时间变化的电流称为直流电流，而大小和方向都不随时间变化的电流称为稳恒电流；凡大小和方向都随时间变化的电流称为交流电流。二、电压、电位和电动势（）电压电压又称电压差，是衡量电场力做功大小的物理量，用U表示，其大小为电场力将电荷从A点移到B点所做的功WAB和电量Q的比值： （12）图5-1-2 电压的概念A、B两点间的电压，
5、在数值上等于电场力把单位正电荷从A点移到B点所做的功。在国际单位制中，电压的单位是伏特，简称伏，用符号V表示。若电场力把1库仑（C）的正电荷从A点移到B点所做的功为1焦耳(J)，则A、B之间的电压为1伏特。较高的电压常以千伏为单位，较小的电压常以毫伏或微伏为单位。 1千伏（k）103 伏（V） 1毫伏（mV）103伏（V） l微伏（V）10-6伏（V）电压不但有大小而且有方向。电压总是对电路中的两点而言，因而用双下标表示，其中前一个下标代表正电荷的起点，后一个下标表示正电荷运动的终点，电压的方向则由起点指向终点。在电路图中，电压的方向也称做电压的极性，用“、”两个符号表示。和电流一样，电路中任
6、意两点之间的电压的实际方向往往不能预先确定，因此同样可以任意设定该段电路电压的参考方向，并以此为依据进行电路分析和计算。若计算电压结果为正值，说明电压的设定参考方向与实际方向一致，若计算电压结果为负值，说明电压的设定参考方向与实际方向相反。（二）电位电路中某点相对于参考点的电压称为该点的电位，用V表示。如Va表示a点的电位。电位的单位也为伏特（V）。参考点的电位规定为零电位。通常选用大地为参考点，在电子仪器中，常把金属机壳或电路的公共接点作为参考点。有时为了计算方便，也可以设定某一点为参考点。电路中a、b两点间的电位之差，称为该两点的电位差（电压），即（13）需要注意的是，当参考点改变时，各点
7、的电位也随之改变，但任意两点的电位差不变，即电压的大小和参考点的位置无关。（三）电动势在电流通过电路的同时，电路内发生了能量的转换，电源力不断地克服电场力对正电荷做功，从而使正电荷的电位能升高。正电荷在电源内获得了能量，把非电能转换成电能。我们把电源力移送单位正电荷从负极到正极的过程中所做的功定义为电源的电动势，用E表示，即： （14）式中WAB表示电源力移动正电荷q从B到A所做的功。电动势的方向规定为在电源内部从负极指向正极，在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向。对于一个电源来说，在外部不接负载时，电源两端电压大小等于电源电动电动势的大小，但方向相反。三、电能和电功率（一）电能在外电路
8、中，正电荷在电场力的作用下，不断地通过负载，从而使正电荷的电位能降低。正电荷在外电路中放出能量把电能转换成其它形式的能。由此可见，在电路中，电荷只是一种转换和传输能量的媒介物，电荷本身并不产生或消耗任何能量。通常所说的用电，就是指取用电荷所携带的能量。由电压的定义式（1一2）知，在时间t内，外电路取用的电能为 （15）电荷在内电路中移动时把一部分能量变成不能利用的热能，称为内电路的能量损失。根据以上公式得 式中E-U通常用U0表示，称为电源内部电压降。于是 （16）由此可得电路的能量平衡方程式为 等式两边除以It，则得 （17）上式称为电路的电压平衡方程式。其意义是：电动势等于外电路上的总电压
9、降（称为路端电压或电源端电压）与电源内部电压降之和。电能的单位是焦耳，简称焦，用符号表示。（二）电功率在某段时间内，电路中产生或损耗的电能与该段时间的比称为电功率，用字母P表示，即 将式（1一4）、（15）、（16）代入上式，可得在闭合电路中电源产生的电功率为 （18）负载取用的电功率为 （19）内电路路损耗的功率为 （110） 这三者间的关系是 上式称为功率平衡方程式。电功率的单位是瓦特，简称瓦，用符号W表示。较大的功率常用千瓦（KW）做单位，较小的单位是毫瓦（mW）。 1KW103W lmW103W四、电阻和欧姆定律（一）电阻当电流通过金属导体时，作定向运动的自由电子会与金属中的带电粒子发
10、生碰撞。可见，导体对电流有阻碍作用。导体对电流的阻力小，说明它的导电能力强，导体对电流的阻力大它的导电能力就差。电阻就是反映导体对电流起阻碍作用大小的一个物理量。电阻用字母R或r表示。电阻的单位是欧姆，简称欧，用字母表示。当导体两端的电压是1伏特，导体内通过的电流是1安培时，这段导体的电阻就是1欧姆，即 1欧姆1伏特/1安培较大的电阻可用千欧（K）或兆欧（M）作单位，它们之间的换算关系是 IR=UA-UF导体的电阻是客观存在的，即使没有加上电压，导体仍然有电阻。实验证明，导体的电阻决定于材料的性质，几何尺寸和导体的温度等因素。在一定温度下，截面积为S，长度为L的导体，其电阻可用下式表示 式中的
11、是比例常数，它与导体的材料有关，称为电阻率或电阻系数。当L用米作单位，S用平方米作单位，R用欧姆作单位时，的单位是欧米（m）。 利用材料的随温度而变化的性质，可以制成金属电阻温度计、半导体温度计等。某些感温式火灾报警器也是利用电阻的这一特性设计的。（二）欧姆定律导体中要形成电流，导体两端必须有一定的电压，而导体的电阻又要影响电流的强弱。欧姆定律反映了电流、电压、电阻之间的依存关系，是电路的基本定律之一，应用非常广泛。1.一段电路的欧姆定律现在我们进一步研究一段含有电源的电路两端间的路端电压。下图表示从整个电路中任取的一段含源电路。若需求此电路上两点A、B间的路端电压，则从始端A沿着电路ACDE
12、FB到终端B的循行方向，凡电阻上的电流流向与循行方向一致者，电势降低，相反者，电势升高（即负的降低）；凡电源上电动势的指向与循行方向一致者，电势升高，相反者，电势降低(即负的升高)。因而，我们可用电势升、降来计算含源电路的路端电压。一般的我们可以写成这样的形式 来计算A、B两端的路端电压，即：上式表明，在一段含源电路中，其路端电压等于电流与电阻（包括外电阻和电源的内阻）的乘积之代数和减去 该段电路中电动势之代数和。这一结论称为一段含源电路的欧姆定律。从上式看出，如果这段电路中没有电源，仅有一个纯电阻R，则该式变成这就是一段均匀电路的欧姆定律。具体应用上式时，如果电流的流向未给出或暂时无法判断时
13、，可以先任意假定一个电流流向，倘使根据这个假定的流向算出的电流是负值,表明电流实际的流向与假定的流向相反。2.全电路欧姆定律全电路就是含电源的闭合的直流电路。如图所示，就是一个简单的全电路。为了分析方便且表达清楚，常将具有内阻为r、电动势为E的实际电源表示为一个内阻为零、电动势为E的理想电源与一个电阻为r的串联电路。实际上，内电阻是在电源内部，与电动势是分不开的。全电路欧姆定律的内容是：在一个闭合电路中，电流强度与电源电动势成正比，与整个电路的电阻成反比。其数字表达式为：也可表示为： 或 式中U是外电路的路端电压，也可称为电源的端电压；Ir是电源内部的电压降。此式说明了E、U、R、r四者之间的关系，其中E与r是电源本身的参数，一般可以认为是常量。由可知，只要r不等于零，电源供给的电流越大，其端电压越低；反之，I越小，U就越大。当I=0，端电压U就等于电源的电动势E。五、电阻的连接（一）电阻的串连把阻值分别为的n个电阻一个接一个地串接起来，就成为如图所示的串联电路。设起点A和终点F的电势分别为和，且。由于串联电路中没有支路，故而经过任一电阻的电流强度I均应相等。若每个电阻两端的电压分别为则对每个电阻来说，按欧姆定律有 (A)将它们看作一个整体，则其两端的电压为，通过的电流
