第2章 直流电路

第2章直流电路【知识目标】1.能识读基本的电气符号和简单的电路图。

2.能掌握电路中的常用物理量的定义、符号、单位和它们之间的关系。

3.能识读电阻器和电位器的外形与结构，能简述其在实际生活中的典型应用。

4.能理解欧姆定律的概念及应用5.会分析电阻串联、并联及混联的连接方式及其电路特点。

6.能理解基尔霍夫定律，会应用KCL、KVL列出电路方程。

【技能目标】1.会用万用表测量直流电路的电流、电压和电位。

2.能识读常见电阻并会用万用表检测电阻。

2.1 电路【话题引入】众所周知，公路是走车辆行人的，水路是走船只的，航线是飞机飞行的路线，那电路是谁通行的路线呢？电路就是电流流过的路径，例如常见的手电筒，它的电路就如图2.1所示，合上开关，电流从电源正极流出，通过导线传输，经过开关、灯泡回到电源负极，形成电流通路，灯泡发光；断开开关，电路不通，电流被阻断，灯泡不亮。

2.1.1电路的组成电路主要是由电源、负载、导线和开关等，按一定的方式连接起来组成的闭合回路。

【电源】电路中把其它形式的能转换成电能的装置，其作用是向负载提供电能。

常见的有干电池、蓄电池和发电机，如图2-2所示。

（a）干电池（b）蓄电池（c）发电机图2-2 常见电源图2-1 手电筒实物电路【负载】负载又称为用电器，它是消耗电能的装置，其作用是把电能转换成其它形式的能，常见的有电灯、电炉、电动机等。

【导线】用来把电源和负载连接成一个闭合回路，在电路中承担电流输送与分配的任务。

常见的导线有铜线和铝线，如图2-3所示。

图2-3 常见导线截面图【开关】用来把电源和负载接通或断开的装置，常见的有按钮、空气开关等。

2.1.2 电路的状态电路通常有三种状态，即通路、开路和短路。

【通路】也称为闭路。

如图2-4a所示，当开关S闭合，电路中有电流流过，即为通路状态。

【开路】也称为断路。

如图2-4b所示，当开关S断开，电路中没有电流流过，即为开路状态。

【短路】如图2-4c所示，a、b两点用导线接通，这时电流不经过负载，只从导线ab 回到电源，即为短路状态。

（a）通路状态（b）开路状态（c）短路状态图2-4 电路的状态【提示】短路时会产生很大的电流，会损坏电源和导线，应尽量避免。

【练一练】找来灯泡、电池、导线和开关，参照图2.1自己连一个电路，并操纵开关观察灯泡的变化。

2.1.3 电路图为简便起见，电路通常不用实物表示，而是用电路图表示，例如图2-5所示即为图2-1 手电筒实物电路的电路图。

在电路图中，电路组成的元器件和连接情况是用国家统一规定的图形和文字符号来表示的，常用的图形及文字符号如表2-1所示。

图2-5 手电筒电路图表2-1 部分电工图形及文字符号【实践活动】翻翻家里的电路图我们家里有各种各样的电器，找出说明书，看看电路图，你认识哪些符号，哪些又是你不认识的。

2.2 电路中的常用物理量【话题引入】我们去买电冰箱，销售员除了介绍电器的外观，材料等特点外，还会介绍它的耗电有多低，有多省电。

那么用什么评价耗电的大小呢？其实就是功率，它是电路中的一个基本物理量。

本节我们就学习电路中常用的物理量电流、电压、电位、电动势、电能和电功率。

2.2.1电流【电流的概念】电荷的定向移动形成电流。

在金属导体中存在大量自由电名称实 物 图图形及文字符号名称实 物 图图形及文字符号电 池电流表开 关电压表灯 泡熔断器电 阻二极管电 容发电机电 感接 地子在做无序不规则的运动，如图2-6a 所示；当有电场存在时，金属导体中的自由电子在电场力作用下定向移动，就形成了电流，如图2-6b 所示。

【电流的大小】表征电流大小的物理量称为电流强度，用单位时间内通过导体横截面的电量多少来衡量，简称电流，用字母I 表示。

若在t 秒内通过导体横截面的电量为Q ，则电流I 可表示为：tQI （2-1）式中，I 表示电流，单位是安[培]，用符号A 表示；Q 表示电量，单位是库[仑]，用符号C 表示；t 表示时间，单位是秒，用符号S 表示。

如果在1s 内通过导体横截面的电量为1C ，则导体中的电流即为1A 。

电流的单位除A 外，还有千安（kA ）、毫安（mA ）、微安（uA ），它们之间的换算关系为： 1 kA=103A=106mA =109uA 。

【电流的方向】人们习惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向，因此，带负电的自由电子移动方向跟电流方向相反，如图2-6b 所示。

2.2.2 电压和电位【电压的概念】如图2-7a 所示，水流从水位高的A 点向水位低的B 点流动，那是因为A 、B 点间有水压。

其实电流就像水流，电压就像水压，电位就像水位，如图2-7b 中，电池就是为电路提供电压的装置。

电池的正极电位高，负极电位低，正、负极之间存在电压，在电压的作用下，电流从正极向负极处流动。

【小知识】生活中的常用电压等级：干电池两极间的电压为1.5V ；手持移动电话的电池两极间的电压约为3.6V ；电脑机箱内部的电压≤20V ；人体安全电压≤36V ；家庭电路的电压为220V ；一a ）水压示意图b ）电压示意图 图2-7 电压及其类比般低压动力线路的电压为380V。

【电压的大小】在电路中电压的大小等于电场力把单位正电荷从高电位点移到低电位点所做的功，即：QWUab（2-2）式中，U ab表示电压，单位为伏〔特〕，用符号V表示；W表示功，单位为焦[耳]，用符号J表示；Q表示电量，单位为库[仑]（C）。

【电压的方向】电压的实际方向由高电位指向低电位。

电压方向有三种表示法：1）箭头法：用带箭头的线段表示电压的方向，如图2-8a所示；2）极性法：在电路的两点或元件两端标上极性表示电压的方向，如图2-8b 所示；3）下标法：用符号U加双下标字母表示，如U ab表示电压方向从a指向b 如图2-8c所示。

【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V a表示a点的电位。

单位也为伏[特]（V）。

参考点的电位规定为零电位。

一般选用大地作为参考点，用符号“”表示；在电子仪器中常把金属机壳或电路的公共节点作为参考点，用符号“”表示。

【电压与电位的关系】电路中两点之间的电压等于这两点的电位之差，即U AB=V A-V B；电路中某一点A的电位，等于该点A与参考点O之间的电压，即V A=V AO=V A-V O。

【电动势】电动势是衡量电源将非电能转化为电能本领的物理量，用符号E表示，单位是伏（V）。

电动势仅存在于电源的内部，它的方向是从低电位端指向高电位端，即从电源的负极指向正极。

电源两端的电位差称之为电源的端电压。

对于一个电源来说，在开路状态下，电源两端的电压与电源的电动势大小相等而方向相反，如图2-9所示。

【练一练】如图2-10所示电路，若V A =5 V，V B =2 V，则U AB =_________V；若V A = 3 V，V B = 5V，则U AB =_________V。

图2-8 电压的方向图2-9 电动势和电压的方向图2-10【实践活动】 找找看，电视机遥控器电池、手机电池，数码照相机电池、汽车蓄电池等常见直流电源的电压都是多少伏？2.2.4 电功和电功率【电功】在一段时间内，电流通过负载时所做的功，称为电功，用W 表示。

在电路中电功的计算公式为：UIt W = （2-3）式中，W 表示电路消耗的电功，单位是焦耳，用符号J 表示；U 表示电路两端的电压（V ）；I 表示流经电路的电流（A ）；t 表示通电时间（S ）。

电功的常用单位为kW ﹒h ，也就是我们常说的“度”，1 kW ﹒h （度）=3.6×106J （焦耳）。

【电功率】单位时间内电流所做的功称为电功率，简称功率。

它是表明电流消耗电能快慢程度的物理量，用字母P 表示，计算公式为tWP = （2-4）代入UIt W =可以得到UI P = （2-5） 式中，P 为电功率，单位是瓦[特]，用符号W 表示；U 表示电路两端的电压（V ）；I 表示流经电路的电流（A ）。

【提示】若电流在1S 内所做的功为1J ，则电功率就是1W 。

【小知识】电器设备的额定值为使电器设备在正常工作条件下可靠工作，并且能充分发挥其性能而规定的参数值叫做额定值。

比如额定电压、额定电流和额定功率等。

如图2-11所示，额定值一般标在机器设备的铭牌上。

如U N 、I N 、P N 等。

【练一练】某电热器上标有“220V ，1000W”字样： ▼其中“220V”表示 ，“1000W”表示 。

▼电热器正常工作时通过的电流强度是 安，电阻是 欧，正常工作2小时消耗电能 度。

图2-11 铭牌▼若实际加在该电热器两端的电压是110伏，它的实际功率是 瓦。

【实践活动】看看家里面的电表，一月能用多少度电，看看家里面的电器设备，它们的功率都是多少？哪个用电多，哪个用电少？2.3 电阻元件与欧姆定律【话题引入】我们用户在每月缴纳电费时，都要加上电损耗的费用。

那么电是怎样损耗掉的呢？如图2-12所示，电能从发电厂输送到千家万户的过程中，由于线路上存在电阻，因此一部分电能转化为热能损耗掉了。

2.3.1 电阻当电流流过导体时，导体会对电流起阻碍作用，这种阻碍作用称为导体的电阻。

用大写字母R 表示，单位为欧〔姆〕，用符号Ω表示。

金属导体的电阻大小可以用以下公式计算：SlR ρ= （2-6）式中，R 表示电阻（Ω）；L 表示导体的长度（m ）；S 表示导体的截面积（m 2）；ρ表示导体的电阻率（Ω﹒m ）。

由此可见，金属导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的截面积成反比，还与导体的材料有关。

【提示】式（2-6）称为电阻定律，式中的电阻率ρ与材料性质有关，也称为电阻系数。

【想一想】绝缘材料有没有电阻？【小知识】超导现象1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K 时，水银的电阻突然下降为零，这种现象就是超导现象。

具有超导性质的材料称为超导材料。

利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MV A ）。

2.3.2 电阻器图2-12在生产实际中，利用导体对电流产生的阻碍作用的特性，专门制造的具有一定阻值的元件，称为电阻元器，简称电阻。

电阻器是电子电路中使用率最高的元件，有固定电阻器和可调电阻器两大类。

【固定电阻器】固定电阻器的阻值是固定不变的，常见的有碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻和水泥电阻等，如图2-13所示。

（a）绕线式电阻器（b）膜式电阻器图2-13 固定电阻器【可变电阻器】可变电阻器是阻值在预定范围内可调节的电阻，常用于调节电路中的电位，故又称做电位器。

常见的可变电阻器如图2-14所示。

【特种电阻】除以上常见的电阻器外，还有一些具有特殊功能的电阻器，比如光敏电阻、压敏电阻、磁敏电阻、热敏电阻等，广泛应用在各种电子设备中，如图2-15所示。