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1.1 电路的基本概念 1. 电路的组成 电路是由电工设备和元器件按一定方式联接起来的总体，为电流流通提供了路径。图2-1所示电路是一个手电筒电路，它由电源、负载和中间环节（包括联接导线和开关）三部分组成。其中，干电池为电源，灯泡为负载，连接导线和开关为中间环节。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：电路中供给电能的设备和器件称为电源，它是将非电能转换为电能的装置。如发电机、干电池等。 负载：电路中使用电能的设备和元件称为负载，它是将电能转换成非电能的装置。 中间的环节：是把电源与负载联接起来的部分，起传递和控制电能的作用。 对于一个完整的电路来说，电源（或信号源）、负载和中间环节是三个基本组成部分，它们缺一不可。 电路模型 在实际应用中，通常用电路图来表示电路。在电路图中，各种电器元件都不需要画出原有的形状，而是采用国家统一规定的图形符号来表示。图2-2为图2-1所示的手电筒的电路图。这种用理想元件构成的电路也称为实际电路的“电路模型”，我们在进行理论分析时所指的电路，就是这种电路模型。 2. 电路的作用 电路按其功能可分为两类：一类是电力电路，它主要起实现电能的传输和转换作用，因此，在传输和转换过程中，要求尽量减少能量损耗以提高效率。另一类是信号电路，其主要作用是传输和处理信号等（例如语言 、音乐、图像、 温度等）。在这种电路中，一般所关心的是信号传递的质量，如要求不失真、 准确 、灵敏、 快速等。 1.1.2 电路的基本物理量 1、电流 电流是一种物理现象，是带电粒子（电荷）的定向运动形成的。电流的大小用电流强度来衡量。电流强度是指单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度习惯上又常被称为电流。 大小和方向均不随时间改变的电流叫做恒定电流，简称直流，其强度用符号I表示。如果电流的大小和方向都随时间变化，则称为变动电流。其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流则称为交变电流，如正弦波电流等，其强度用符号i来表示。 对于直流电流，单位时间内通过导体横截面的电荷量是恒定不变的，其电流强度 I=Q/T (1-1) 对于变动电流，在很小的时间间隔内，通过导体横截面的电荷量为，则该瞬间电流强度为 (1-2) 电流的单位是安培，国际符号为A。它相当于1秒内通过横截面的电荷为1库仑(C)。有时也会用到千安(KA)，毫安(mA)或微安（µA）。. 习惯上，我们规定正电荷移动的方向为电流的方向。 电流的方向是客观存在的，但在电路分析中，有时某段电流的实际方向难以判断，甚至实际方向在不断改变，为了解决这一问题，需引入电流的参考方向概念。 一段电路中任意选定一个方向就叫电流的参考方向，在电路图中用实线箭头表示，有时也用双下标表示，如iAB，其参考方向是由A指向B。 选定的参考方向不一定就是电流的实际方向。当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（I > 0）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（I < 0）。这样，在选定的电流参考方向下，根据电流的正负，就可以确定电流的实际方向，如图2-3所示。 电流的参考方向是电路分析计算的一个重要概念。不规定参考方向而谈电流乃是讨论一个不确定的事物。今后在分析电路时，首先要假定电流的参考方向，并以此为准去分析计算，最后从答案的正负来确定电流的实际方向。本书后面电路图上所标出的电流方向都是参考方向。 2．电压与电位 在物理学的电磁学中已经知道：电荷在电场中受到电场力的作用，当将电荷由电场中的一点移至另一点时，电场对电荷作功。处在电场中的电荷具有电位（势）能。恒定电场中的每一点有一定的电位，由此引入重要的物理量电压与电位。 电场中某两点A、B间的电压（或称电压降）UAB等于将单位正电荷由A点移至B点所做的功。它的定义式为 在国际单位制中能量的单位名称是焦（耳），符号是J，电荷的单位名称是库（仑），符号是C，电压的单位名称是伏（特），符号是V。将1库(C)的电荷由一点移至另一点，电场力所做的功等于1焦(J)，此两点间的电压便等于1伏(V)。度量大电压有时用千伏(KV,103V) ,度量小电压有时用毫伏(mV,10-3)、微伏(µV,10-6V)等单位。 在电场中可取一点，称为参考点，记为P，设此点的电位为零。电场中的一点A至参考点P的电压 规定为A点的电位，记为φA，即 φA=UAP 在电路中可以任选一点作为参考点，例如取“地”作为参考点。两点间的电压不随参考点的不同而改变。用电位表示A，B两点间的电压，就有 UBA=φB—φA (1-4) 又显然有 UBA=φB—φA= —UAB (1-5) 即两点间沿两个相反方向（从A至B与从B至A）所得的电压符号相反。 两点之间电压的实际方向是由高电位点指向低电位点，描述这一电压必须先取定一参考方向。其选取常用三种表示法，如图2-4所示。 （1）在A点标以“+”号，在B点标以“—”号，或B点标以“+”号，在A点标以“—”号； （2）用从A指向B的箭头表示，或B指向A的箭头表示； （3）用双下标表示，如UAB表示电压从A指向B。 电压参考方向的选取是任意的。在图2-4中，若A点的电位高于B点的电位，即φA>φB，则沿此参考方向的电压为正值，U>0，即电压的实际方向与此参考方向相同；反之，若A点的电位低于B点的电位，即φΑ<φB，则沿此参考方向的电压为负值，U<0，即电压的实际方向与此参考方向相反。所以凡提到电压必须先指明它的参考方向。 3．电动势 电路中，正电荷在电场力作用下，由高电位移动到低电位，形成了电流。要维持电流，还必须要有非电场力（如化学力、电磁力等）把正电荷从低电位处经电源内部转移到高电位，这就是电源的作用。在电源内部，非电场力克服电场力做了功。电源的做功能力用电动势度量。 电源的电动势的数值等于将单位正电荷从负极经电源内部移到正极电源所做的功。 电动势用E表示，它的单位与电压相同，也是伏特（V）。电动势的实际方向规定为由低电位端指向高电位端。 在电路中电压源两端A、B间的电动势与其电压关系如下： (1-6) 即由B点至A点的电动势等于由A至B的电压降。 负载所消耗的电能，就是电流通过用电器所做的功WL为 (1-8) 式中 P——负载功率(W)； t——持续时间(S)。 实际中常用（千瓦小时）作为衡量电能的单位。即 (1-9) 电功率表示电气设备作功的能力，即电能量对时间的变化率。电功率又简称为功率，单位为W或KW，对电源来说，单位时间内产生的电能即电源电功率，表示为 1.1.3 电路的工作状态根据电源与负载之间连接方式及工作要求的不同，电路有开路（断路）、短路、通路等不同的状态。 1、开路（断路） 2、短路 3、通路 1、开路（断路）
当开关S打开，电源没有与外电路接通，如图2-5所示，此时，电源的输出电流为零，这就称为电路处于开路状态。开路时，可能是电源开关未闭合，也可能是某地方接触不良、导线断开或熔断器熔断所造成。前者称正常开路，后者属于事故开路。 开路时相当于电源接入一个无穷大的负载电阻，故输出电流 I=0，输出功率P=0 ，此时，电源为空载状态，其输出电压称为开路电压，它等于电源的电动势。 可见，开路时的特征可用下列各式表达：
（1-11） 2、短路 当电源两端的两根导线由于某种事故而直接相连，如图2-6所示，这称为短路。由于短路处电阻为零，且电源内阻很小，故短路电流Is极大；电能全部消耗在内阻上；对外端电压为零。
可见，短路时的特征可用下列各式表达：
(1-12) 式中Pe电源内阻消耗的功率（W），P电源供给负载的功率（W）。 电源短路是危险的，常见的保护措施是在电源后面安装熔断器，即图2-6中FU。一旦发生短路，大电流立即将熔断器烧断，迅速切断故障电路，电气设备就得到保护。 3．通路
将图2-7中的开关合上，使电源与负载接通，电路处于通路状态，电路中有电流，有能量转换。 电路通路时，电源电动势等于负载端电压与电源内阻压降之和，由于内阻有压降，电流越大，负载端电压下降得越多。同时，电源产生的功率等于负载消耗的功率与电源内阻损耗的功率之和，符合能量守恒定律。 二 电路的基本定律欧姆定律 欧姆定律是表示电路中电压、电流和电阻这三个物理量之间关系的定律。它指出：导体中的电流I与加在导体两端的电压U成正比，与导体两端的电阻R成反比，它可以用下式表示：
（1-13） 式中 R——该段电路的电阻（Ω）。 上式是通过实验得出的，遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻。国际单位制中，电阻的单位是欧姆（Ω），简称欧。它表示：当电路两端的电压为1伏特，通过电流为1安培时，该段电路的电阻为1欧姆。 基尔霍夫定律是电路的基本定律之一，它包括第一、第二两个定律 ，分别称为 1.基尔霍夫电流定律 (KCL) 该定律又叫节点电流定律。它指出：电路中任一节点处，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。所谓节点，就是三条或三条以上支路的汇合点，用数学式表达为
（1-14） 如果规定流入节点的电流为正时，则流出节点的电流为负。则基尔霍夫电流定律表达为
（1—15） 上式表明:电路的任一节点上，电流的代数和永远等于零。基尔霍夫电流定律反映了电流的连续性，它表明在任一节点上，电荷既不会产生和消失，也不会积聚。
该定律不仅适用于电路中的一个实际节点，而且可以推广到电路中所取的任意封闭面。即通过电路中任一假想闭合面的各支路电流的代数和恒等于零。该假想闭合面称为广义节点。 必须指出，基尔霍夫电流定律反映了电路中任一节点处各支路电流必须服从的约束关系，与各支路上是什么元件无关。 2.基尔霍夫电压定律 (KVL) 该定律是反映电路中任一回路上各支路电压之间的关系。它指出：任一瞬时，作用于电路中任一回路各支路电压的代数和恒等于零。 所谓回路，就是由若干支路所组成的闭合路径。用数学式表达为
（1-16） 该定律用于电路的某一回路时，必须首先假定各支路电压的参考方向并指定回路的循环方向（顺时针或逆时针），当支路电压与回路方向一致时取“+”号，相反时取“－”号。 图2-9 是某电路的一部分，现在让我们来考察其中的一个回路ABCFA。在如图所示的各支路电压的参考方向和回路循环方向下，则有
或者
上式表明，基尔霍夫电压定律实质是能量守恒的体现。对于电阻电路，把电阻上的电压、电流关系代入，得到基尔霍夫电压定律的另一种表达式。
上式指出：在任意一个闭合回路中，各段电阻上的电压降代数和等于各电源电动势的代数和。 列写此方程时，把回路中所有的电源电动势写在等号一边，而把所有电阻上的电压降写在等号的另一边。至于电动势和电阻上的电压降的正负号，由回路的绕行方向来确定。当电动势的参考方向与回路的绕行方向一致时，取正号；反之，取负号。
基尔霍夫电压定律不仅可以应用于闭合回路，还可以推广到任一不闭合的电路上，但要将开口处的电压列入方程。现在以图2—10为例，根据
得
在应用
时，电源两端用电压来代替电动势，电压的大小等于电动势E，方向由正极指向负极。 同样，基尔霍夫电压定律反映了电路中任一回路上各支路电压必须服从的约束关系，而与构成回路的各支路上是什么元件无关。 |
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