第二章模块一电路基础知识
自从爱迪生发明了电灯以来，现代生活都离不开电，电是人们生活中不可缺少的东西。在日常生活和生产中，人们要用电就离不开电路。要使电灯发光照明、电炉发热、电动机转动等都必须用导线将电源和负载连接起来，组成电路。随着科学技术的发展，电的应用也越来越广泛，电路的形式也是多种多样，例如，电力系统供电电路、照明电路、通信电路、仪表电路、机床电路、电子电路等。这些电路的形式和功能各不相同，但都是由一些最基本的元器件组成的。
电路是电工技术的主要研究对象，电路理论是电工基础的主要部分，电路的基本概念与基本定律是分析与计算电路的基础。
本章的主要内容：电路的组成及作用，电路的基本物理量，电压、电流的参考方向，电位的基本概念，电路的基本定律及简化分析电路的方法等。学好本章内容会为以后深入分析各章电路问题打下基础。
1.1电路的基本组成及作用
1.1.1电路的基本组成
电路其实就是电流流通的路径，它是由各种元器件或设备按一定的方式连接起来组成的总体。一个完整的电路一般由电源、负载、导线、控制装置四部分组成。图1-1所示为由电池、灯泡、开关和导线组成的电路。电路最基本的作用：一是进行电能的传输和转换，如照明电路、动力电路等。二是进行信息的传输和处理，如测量电路、扩音机电路、计算机电路等。
1．电源
电源的作用是将其他形式的能转换成电能，它是为电路提供电能的一种设备。常见的电源有干电池、蓄电池、发电机等。图1-2所示为干电池，它把化学能转化成电能。
2．负载
负载又称用电器，指连接在电路中的电源两端的用电设备，其作用是把电能转换成其他形式的能量，是应用电能的装置。比如，电灯把电能转换成光能，扬声器把电能转换成声能，电动机把电能转换成机械能等。图1-3所示为常见的各种负载。
3．导线
导线把电源、负载和其他设备连接成闭合回路，起到输送和分配电能的作用。常见的导线一般由铜或铝制成，如图1-4所示。
4．控制装置
控制装置主要作用是控制电路的通断，如开关、继电器等。此外，有些电路还装有保护装置，以确保电路安全可靠地运行，如熔断器、热继电器等，如图1-5所示。
1.1.2电路的作用
电路的基本作用是进行电能与其他形式能量之间的转换。根据其侧重点的不同，主要有以下两方面的功能。
1．电能的传送、分配与转换
图1-6所示为供电系统应用电路。发电厂中发电机发出的电能通过变压器、输电线等送到用电单位，并通过负载将电能转换成其他形式的能量。
2．传递和处理信号
图1-7所示为电子技术应用电路。通过电路将输入的信号进行转换、传送或加工处理，使之成为满足一定要求的输出信号。电子自动控制设备、测量仪表、电子计算机及收音机、电视机等电子线路都属于这类应用电路。
另外，我们经常用到“网络”这个名词，它和“电路”既通用又有区别，网络是电路的泛称。当讨论普遍规律及复杂电路的问题时，常常把电路称作网络，讨论比较简单或者是某一具体电路时，通常不用“网络”，而用“电路”。
1.2电路的无源元件
1.2.1电阻元件
1．概述
电阻元件是实际电路中耗能特性的抽象与反映。耗能是指元件吸收电能转换为其他形式能量的过程，是不可逆的。电阻元件只能吸收和消耗电路中的能量，不可能给出能量，故电阻元件属于无源二端元件。
电学中的电阻元件意义更加广泛，除了电阻器、白炽灯、电热器等可视为电阻元件外，电路中导线和负载上产生的热损耗通常也归结于电阻元件。
因此，电阻元件是反映对电流呈现的阻力、消耗电能的一种理想元件。它的突出作用是耗能。当电流通过电阻元件时，电阻两端沿电流方向会产生电压降，将电能全部转换为热能、光能、机械能等。
自然界中的各种物质，按其导电性能来分，可分为导体、绝缘体、半导体三大类，如图1-8所示。
其中，导电性能良好的物质叫做导体，如图1-9所示的硅、锗等，半导体在一定条件下可以导电。
2．电阻与电阻率
金属导体中有大量自由电子，因而具有导电的能力。但这些自由电子在受电场力作用而做定向移动时，不可避免要与导体内的原子发生碰撞和摩擦，这些碰撞阻碍了自由电子的定向移动，即表现为导体对电流的阻碍作用，这种对电流的阻碍作用称为电阻。
电阻用R表示，单位为欧姆，符号为Ω。比较大的电阻单位还有千欧，它们之间的换算关系为
1kΩ＝10
1MΩ＝10
实验证明：在一定温度下，截面均匀的导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的截面面积成反比，还与导体的材料有关，如图1-10所示，这就是著名的电阻定律。
式中，ρ为导体的电阻率，单位为欧·米；S为导体的横截面积，单位为平方米（m
导体的电阻是由它本身的性质所决定的，任何物体都有电阻，且它不随导体两端电压大小而变化，即使没有加上电压，导体仍有电阻。
电阻率只与导体材料的性质和所处的条件有关，而与导体的几何尺寸无关。
3．电阻与温度的关系
几乎所有导体的电阻值都随温度的改变而发生变化，通常情况下几乎所有金属材料的电阻率都随温度的升高而增大，因此当导体温度很高时，电阻的变化也是很显著的；另外，也有些材料在温度升高时，导体的电阻值反而减小，利用这种特性可以制成热敏电阻，在一些电气设备中可以起自动调节和补偿的作用；而有些合金，如锰铜合金和镍铜合金的电阻几乎不受温度变化的影响，常用来制作标准电阻。
已知一电炉的炉丝是长度为0.5m，直径为0.5mm的镍铬丝，试计算该镍铬丝的电阻为多少？
解：查表得镍铬丝的电阻率ρ=1.1×10
由
答：该镍铬丝的电阻为2.8Ω。
1.2.2电感元件
1．概述
电感元件是实际电路中建立磁场、储存磁能特性的抽象和反映。电感元件在电路中只进行能量交换，不消耗能量，也属于无源二端元件。
实际电感线圈的绕组是由导线绕制的，除了具有电感外，总有一定的电阻。其理想化电路模型称为电感元件简称电感，它的图形符号如图1-11所示。
日常生活中常见的电机、变压器等电气设备内部都含有电感线圈，收音机的接收电路、电视机的高频头也都含有电感线圈。表征电感线圈储存磁场能量大小的参数称电感量也称电感。电感L的标准单位是亨利。它们的换算关系是：
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1H=10
空心电感线圈的电感量L为常数，可视为线性电感；铁心线圈的电感量L不为常数，可视为非线性电感。本书仅讨论线性电感。
线性电感元件其电流、电压为关联方向时，图形符号如图1-11所示。
2．电感元件的伏安关系
电感元件两端的电压和通过电感元件的电流为关联参考方向时其伏安关系如下。
电感元件的伏安关系说明，当通入电感元件的电流为稳恒直流电时，电感两端的电压为零，故直流电流作用下电感元件相当于短路；当电压u为有限值时，电流的变化率也为有限值，即电感元件的电流只能连续变化，不能跃变。电流变化时必有自感电压产生，且自感电压产生的电流总是阻碍原电流的的变化，故电感元件又称为动态元件。电感线圈具有通直流隔交流的特性。
3．电感元件的储能
电感线圈是电路中的储能元件，电感线圈中磁场能量可用下式表示：
式中，电感L的单位是亨利，磁场能W
电感元件总是向电路吸收电能，并把吸收的电能转换成磁场能的形式储存于电感元件周围。
4．电感元件吸收的功率
在电压和电流关联参考方向下，电感元件吸收的功率为
线圈的电感反映了它所能储存磁场能量的能力。
1.2.3电容元件
1．概述
电容元件是实际电路中建立电场、储存电能特性的抽象与反映。与电感元件相似，电容元件在电路中只进行能量交换，不消耗能量，也属于无源二端元件。
凡是两块导体中间夹着绝缘介质构成的整体就是电容器，不同的绝缘介质可构成不同的电容器。电子设备或仪器中有许多电容器，电力系统中也有许多电力电容器。实际电容器的理想化电路模型称为电容元件，它的图形符号如图1-12所示。
电容元件的参数用电容量C表示作单位，它们之间的换算关系为
若电容器的电容量为常数，这样的电容称为线性电容。忽略损耗的电容器可视为线性电容。若电容器的电容量不为常数，这样的电容称为非线性电容。本书仅讨论线性电容。
2．电容元件的伏安关系
当电容元件两端的电压与其支路的电流取关联参考方向时，其充、放电电流与极间电压的关系为
电容元件的伏安关系说明，在关联参考方向下电容支路的电流与电容两端电压的变化率成正比。当电容元件两端加直流电压时，电容支路的电流为零，电容元件相当于开路；当电流i为有限值时，电压的变化率也为有限值，即电容元件的电压只能连续变化，不能跃变。电压变化时必有电流产生，故电容元件又称为动态元件。电容元件具有通交流隔直流的特性。
3．电容元件的储能
电容元件吸收的电能为
式中，电容C的单位是法拉，电场能W
电容元件总是向电路吸收电能，并把吸收的电能转换成电场能的形式储存于电容器中。
4．电容元件吸收的功率
在电压和电流关联参考方向下，电容元件吸收的功率为
电源是电路中能量的来源，它将其他形式的能转换为电能。实际使用的电源种类繁多，经过分析、归纳及科学抽象，可以得到两种电源模型，即电压源和电流源。
1.3.1电压源
1．理想电压源
理想电压源是从实际电源中抽象出来的一种理想电路元件，以电压方式对外电路供电，它两端的电压是一定时间的函数u
理想直流电压源的特点
理想直流电压源输出的电压恒定，与流经它的电流大小、方向无关，总保持为给定的值，即U=U
电压源输出的电流由它和外电路的情况共同决定。当外电路断开时，电流的大小为零；当外电路短路时，电流为无穷大。理论上，电流的大小可以是零和无穷大之间的任意值，但无穷大的电流使电源输出功率为无穷大，这是不可能的。因此，理想电压源的外电路绝不允许短路。
理想直流电压源及其伏安特性曲线
理想直流电压源及其伏安特性曲线如图1-13所示，其端电压与电流的大小和方向无关。根据电压源所连接电路的不同，电流的实际方向既可以从它的负极流向正极，也可以从它的正极流向负极，前者起电源的作用，发出功率；后者起负载的作用，吸收功率。
当电压源的电压值为零时，其伏安特性曲线与横轴重合，电压源不起作用。
图1-14所示为两个电压源串联电路的等效电压源。
2．实际电压源
实际直流电压源的电路模型
恒压源是一种理想情况。实际电压源随着输出电流的加大，其端电压有所下降，这说明电源内部存在一定的内阻R。当接上负载时，电源中就有电流通过，在电源内阻上必将产生电压降IR，则电源两端的实际输出电压必将下降，电流越大，电源端电压下降越多。因此，干电池、蓄电池及直流发电机等实际直流电压源可以用一个理想电压源E所示。
实际直流电压源的伏安关系
实际直流电压源的伏安特性
图1-15所示。其端电压U是随电流I的增加呈下降变化趋势的直线。内阻R越小，越接近理想情况，当R=0时，就是恒压源。
1.3.2电流源
1．理想电流源
理想电流源是从实际电路中抽象出来的一种理想电路元件，以电流方式对外电路供电，其输出电流是一定时间的函数i
理想直流电流源的特点
理想直流电流源输出的电流恒定，与其两端电压的大小、方向无关，总保持为给定的值，即I=I
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