1.2 电路的基本概念

1.电路的结构形式

电路就是电流所通过的路径。

电路是由元器件按一定方式组合而成的。图1-4所示为一个最简单的手电筒实物连接电路，由电源（干电池）、负载（电灯泡）和中间环节（包括连接导线和开关）三部分组成。在电路中，随着电流的流动，迸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，干电池和蓄电池是将化学能转化成电能，而发电机是将热能、水能或核能等转换成电能。所以，电源是电路中的能量来源，是推动电流运动的源泉，在它的内部迸行着由非电能到电能的转换。

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，负载是电路中的受电器，是取用电能的装置，在它的内部迸行着由电能到非电能的转换。

中间环节是把电源与负载连接起来的部分，起传递和控制电能的作用。

图1-5所示为图1-4的电路图。电路元件有电源E、电灯泡HL、开关S和导线。电灯泡HL可理解为一电阻元件R；E是电源，内电阻为R₀；连接干电池与电灯泡的中间环节是开关S，其电阻可以忽略不计，认为是一无电阻的理想导体。

图1-4 手电筒实物连接电路

图1-5 简单的电路图

2.电路的作用

电路的作用主要包括以下两点：

1）传递和处理信号：电路的作用之一是传递和处理信号，常见的如扩音机，先由传声器把语言或音乐（通常称为信息）转换为相应的电压和电流，即电信号，而后通过电路传递到扬声器，把电信号还原为语言或音乐。由于传声器输出的电信号比较微弱，不足以推动扬声器发音，因此中间还要用放大器来放大。信号的这种转换和放大，称为信号的处理。

2）传输和转换信号：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，然后通过变压器把高压电转换成低压电。这类电路，一般要求在传输和转换过程中，尽可能地减少能量损耗以提高效率。

3.电压与电流

（1）电压

河水之所以能够流动，是因为有水位差。水总是从高水位流向低水位。电荷之所以能够流动，是因为有电位差。在电路中，任意两点间的电位差，均被称为两点间的电压。电压是形成电流的主要条件。在电路中，电压常用U表示，单位是伏特（V），简称伏，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

1kV＝1000V

1V＝1000mV

1mV＝1000μV

我国规定的标准电压等级很多，如直流安全电压为12V、24V、36V，工业用电直流为110V、220V等，民用市电电压为交流220V，工业动力用电为交流380V，高压配电电压为6kV、10kV，高压输电电压为110kV，远距离超高压输电电压为330kV和500kV。

电压可以用电压表测量。测量时，把电压表并联在电路上，要选择电压表指针接近满偏转的量程。如果电路中的电压大小估计不出来，要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程，这样可以防止由于电压过大而损坏电压表。

（2）电流

电荷的定向移动叫做电流。在电路中，电流常用I表示。电流分直流（DC）和交流（AC）两种。电流的大小和方向不随时间变化的叫做直流，电流的大小和方向随时间变化的叫做交流。电流的单位是安培（A），简称安，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＝1000mA

1mA＝1000μA

直流电流的方向是从电源的正极流到电源的负极。

电流可以用电流表测量。测量时，把电流表串联在电路中，要选择电流表指针接近满偏转的量程。如果电路中的电流大小估计不出来，则要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程，这样可以防止电流过大而损坏电流表。

4.电阻与导体材料

（1）电阻

电路中，对电流通过有阻碍作用并巨造成能量消耗的元件叫电阻。电阻常用R表示，单位是欧姆（Ω），简称欧，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＝1000kΩ

导体的电阻由导体的材料、横截面积、长度和温度决定。一般导线的电阻可由以下公式求得，即

R＝ρL/S

式中，L为导线的长度（m）；S为导线的横截面积（mm²）；ρ为导线的电阻率（Ω·mm²/m）。

电阻率ρ是电工计算中的一个重要物理常数。不同材料物体的电阻率各不相同。它的数值相当于用这种材料制成长1m、横截面积为1mm²的导线，在温度为+20℃时的电阻值。电阻率直接反映着各种材料导电性能的好坏。材料的电阻率越大，表示它的导电性能越差；电阻率越小，则表示导电性能越好。

电阻可以用万用表欧姆挡测量。测量时，要选择万用表指针偏转量程一半的欧姆挡。如果被测电阻焊接在电路中，则应将其断开一端后迸行测量，人体不能与电阻引线接触。

常用金属材料的电阻率见表1-1。

表1-1 常用金属材料的电阻率（20℃）

（2）导体

能良好传导电流的物体叫做导体。用导体制成的电气材料叫做导电材料。金属是常用的导电材料。除了金属以外，其他如大地、人体、天然水和酸、碱、盐类及它们的溶液都是导体。

金属之所以能够良好地传导电流，是由其原子结构决定的。金属原子最外层的电子与原子核结合得比较松散，因此这部分电子很容易脱离自己的原子核与别的原子核去结合，失去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。银的电阻率最小，导电性能最好但由于其价格昂贵，只在极少数的地方采用，如开关触头等，一般电气设备中应用最广泛的是铜和铝。

还有一些材料虽然能导电，但电阻率较大，人们常常把它用作电阻材料或电热材料，如电炉或电烤箱中的电热丝等。

（3）绝缘体

不能导电或者导电能力极差的物体叫做绝缘体。常见的绝缘体有木头、石头、橡皮、玻璃、云母及瓷器等。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，而巨极难分离，将此类物质接上电源时，流过的电流极小（几乎接近零）。可以利用它的绝缘作用把电位不同的带电体隔离开来。

一般来讲，对绝缘体材料的要求是具有极高的绝缘电阻和耐电强度、较好的耐热和防潮性能、较高的机械强度及工艺加工方便等。

空气作为一种自然界的天然绝缘材料而被人们广泛地加以利用。纸、矿物油、橡胶和陶瓷都是应用非常广泛的绝缘材料。近年来，由于有机合成工业的兴起，各种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长期作用下，特别是在有化学腐蚀的情况下，会逐步老化，降低它原有的电气和机械性能，有时甚至可能完全丧失绝缘性。所以，经常检查绝缘性能是电气设备维修中的主要工作之一。绝缘电阻是绝缘材料的主要技术指标。常用绝缘电阻表来测量设备的绝缘电阻。一般低压电气设备的绝缘电阻应大于0.5MΩ。对于移动电器和在潮湿地方使用的电器，其绝缘电阻还应再大一些。

（4）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硫化物都是半导体。

半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别，如有些半导体（如钻、锰、镍等的氧化物）对温度的反应特别灵敏，当环境温度增高时，它们的导电能力要增强很多。利用这种特性就做成了各种热敏电阻。又如有些半导体（如铜、铅等的硫化物与硒化物）受到光照时，它们的导电能力变得很强；当无光照时，又变得像绝缘体那样不导电。利用这种特性就做成了各种光敏电阻。

更重要的是，如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，则导电能力就可增加几十万甚至几百万偌。例如，在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从大约2×10³Ω·m减小到4×10^-3Ω·m左右。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、晶体管、场效应晶体管及晶闸管等。

5.电路的开路、短路和额定工作状态

（1）开路状态（断路状态）

当电路的开关断开时，称为开路。其特征是电流为零，电源端的电压值就是电源两端的电动势。检修线路时应在开路状态下迸行。在这种状态下，电路不工作也不产生热量。

（2）短路状态

当电路中有电压的两点被电阻为零的导体连接时，称为短路。其特征是电流很大。根据电流的热效应，导体所消耗的电能为

W＝IUt＝I²Rt

若电阻消耗的电能全部转换成热能（Q＝I²Rt），则会烧坏绝缘元件，损坏设备。为了防止短路，在电路中接熔丝。有时利用短路电流产生的高温可迸行金属焊接等。

（3）额定工作状态

对用电设备一般都规定额定电流。额定电流是指电气设备长时间工作所允许通过的最大电流，用I_n表示。实际电路小于I_n时称为轻载；等于I_n时称为满载，满载就是额定工作状态；大于I_n时称为过载，过载是不允许的。有些设备不标出额定电流而标出额定电压，即U_n，标出额定功率P_n。