1.1　電路基本理論

1.1.1　什么是電？

電是一種能量形式。除了電之外，其他的能量形式還有熱、光、機(jī)械能、化學(xué)能等。

（1）電的優(yōu)點(diǎn)　可長(zhǎng)距離傳輸大量的能量；電能可便捷地轉(zhuǎn)化為其他形式的能量；由電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量是最環(huán)保的方式。

（2）電的定義　電是電子從一個(gè)原子到另一個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)（圖1-1-1）。

（3）電的三要素：電壓、電流、電阻。

1.1.2　通過哪些方式可以獲取電？

獲取電的方式如圖1-1-2所示。

（1）通過運(yùn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生電壓　導(dǎo)體回路在磁場(chǎng)中來回運(yùn)動(dòng)以及永磁鐵在線圈中來回運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生交流電壓，這種過程稱為運(yùn)動(dòng)感應(yīng)（圖1-1-3）。如發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器。

（2）通過電化學(xué)過程產(chǎn)生電壓

① 原電池。如果將兩種金屬浸入到電解質(zhì)（酸、堿或鹽溶液）中，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)原電池。兩個(gè)電極之間存在直流電壓，其強(qiáng)度取決于電極的材料。電子由負(fù)極流向正極，電解質(zhì)分解，負(fù)極金屬溶解或發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化。

② 蓄電池。對(duì)于蓄電池，可以通過輸入電流的方式使電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程反向進(jìn)行（即充電）（圖1-1-4）。

（3）通過光電元件產(chǎn)生電壓（通過光產(chǎn)生電壓）　如圖1-1-5所示，在金屬基板上涂一層半導(dǎo)體涂層（例如硒），半導(dǎo)體涂層與觸環(huán)相連。光線射入時(shí)，觸環(huán)和基板之間就會(huì)產(chǎn)生直流電壓。如電子控制中的測(cè)量值傳感器。

（4）通過壓電元件的晶體形變產(chǎn)生電壓（圖1-1-6）　壓電元件由壓敏晶體（例如電氣石）和導(dǎo)電的薄膜組成，在晶體上施加壓力，就會(huì)產(chǎn)生電壓。如爆震傳感器和壓電噴嘴。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓電噴嘴應(yīng)用了反向作用。多塊晶體上下層疊在一起，在晶體上加載電壓，利用晶體的膨脹就可以使噴油嘴開啟。

（5）通過熱電元件吸收熱量產(chǎn)生電壓（圖1-1-7）　將兩種金屬互相連接，并加熱連接部位，就會(huì)產(chǎn)生直流電壓，電壓的大小與金屬配對(duì)和溫度有關(guān)。如溫度測(cè)量元件、測(cè)量值傳感器。

1.1.3　什么是電壓？

電壓是電的壓力，由它引起電子在電路中移動(dòng)。電壓工作原理如圖1-1-8所示。

電壓的表示符號(hào)是U，單位是伏特（V）。1V表示通過1Ω電阻移動(dòng)1A電流所需的壓力。

單位換算：1mV=0.001V；1kV=1000V；1MV=10⁶V。

電壓數(shù)值的大小可以通過伏特表測(cè)量。如圖1-1-9所示，使用萬用表選擇電壓擋，黑表筆連接負(fù)極，紅表筆連接正極，測(cè)得的電壓即是電路中的電壓。

（1）直流電壓　又稱直流電或“DC直流電”。直流電壓是指電子持續(xù)以相同的強(qiáng)度沿著同一方向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓（圖1-1-10）。

（2）交流電壓　又稱交流電或“AC交流電”。交流電壓是指在一定的時(shí)間內(nèi)，電子多次改變其方向和電流強(qiáng)度（圖1-1-11）。

電壓波形具有正弦波特征，如圖1-1-12所示。常見波形如圖1-1-13所示。

1.1.4　什么是電流？

電流表示電子流動(dòng)的速率，如圖1-1-14所示。

電流是自由電子的定向運(yùn)動(dòng)（圖1-1-15）。形成電流的原因是電壓。電流只能在閉合的電路中流動(dòng)。電路的組成如圖1-1-16所示。

電流表示符號(hào)為I，單位是安培（A）。1A表示1s內(nèi)有6.25×10¹⁸個(gè)電子流過導(dǎo)體上的一點(diǎn)。單位換算：1mA=0.001A。

電流的測(cè)量方法如圖1-1-17所示。使用萬用表選擇電流擋，紅、黑表筆分別連接線路的兩端，測(cè)得線路中的電流。

1.1.5　什么是電阻？

電阻為導(dǎo)體反對(duì)電子流動(dòng)的能力，是電流在導(dǎo)體中受到的阻礙（瓶頸）電阻的表示符號(hào)是R，單位是歐姆（Ω）。1Ω表示1A電流流過導(dǎo)體時(shí)在其兩端產(chǎn)生1V電壓降。單位換算：1kΩ=1000Ω；1MΩ=10⁶Ω。影響電阻的因素有導(dǎo)線的長(zhǎng)度、導(dǎo)線的截面積、導(dǎo)線的材料、溫度等。

“電阻”這個(gè)概念在電氣技術(shù)中有兩種含義。

① 材料的物理性質(zhì)。導(dǎo)電材料，例如銅、銀等；電阻材料，例如康銅等；絕緣材料，例如陶瓷等。

② 電氣或電子設(shè)備中的部件（圖1-1-18）。

電阻是被動(dòng)部件，它用來將電流限制在一個(gè)電流回路中并構(gòu)成分壓器，以便在特定的點(diǎn)位使電壓可保持恒定的數(shù)值。電阻的作用如圖1-1-19所示。

（1）串聯(lián)電阻　串聯(lián)時(shí)，總電阻都比單個(gè)電阻大。總電阻（R_ges）等于R₁和R₂之和（圖1-1-20）。即：

R_ges=R₁+R₂

串聯(lián)電阻在鼓風(fēng)機(jī)電路圖中的應(yīng)用如圖1-1-21所示。通過串聯(lián)電阻可實(shí)現(xiàn)由新鮮空氣控制鼓風(fēng)機(jī)的速度。

（2）并聯(lián)電阻　總電阻小于最小的分電阻R₁或R₂等（圖1-1-22）。

并聯(lián)電阻的應(yīng)用如圖1-1-23所示，為可加熱的風(fēng)擋清洗噴水嘴的電路。

不同電阻的應(yīng)用如圖1-1-24所示。

電阻測(cè)量方法：使用萬用表電阻擋測(cè)量，將萬用表紅、黑表筆分別連接測(cè)量對(duì)象兩端，測(cè)得數(shù)據(jù)為該測(cè)量對(duì)象的電阻（圖1-1-25）。

1.1.6　歐姆定律

歐姆定律計(jì)算公式如圖1-1-26所示。計(jì)量單位符號(hào)如下：電壓U（V）；電流強(qiáng)度I（A）；電阻R（Ω）。

1.1.7　電功率

電功率計(jì)算公式如圖1-1-27所示。計(jì)量單位符號(hào)如下：功率（W）；電壓（V）；電流強(qiáng)度（A）。

1.1.8　并聯(lián)電路

在并聯(lián)電路中適用下列定律（圖1-1-28）：

① 所有的電阻（用電器）承載相同的電壓。

U=U₁=U₂=…

② 總電流等于所有分電流之和。

I=I₁+I₂+…

③ 總電阻的倒數(shù)等于所有分電阻的倒數(shù)之和。

④ 總電阻總是小于最小的分電阻。

1.1.9　串聯(lián)電路

在串聯(lián)電路中適用下列定律（圖1-1-29）：

① 流經(jīng)所有電阻（用電器）的電流相等。

I=I₁=I₂=…

② 總電壓等于分電壓之和。

U=U₁+U₂+…

③ 總電阻等于分電阻之和。

R=R₁+R₂+…

1.1.10　混聯(lián)電路

如果要確定混聯(lián)電路中的電路等效電阻或總電阻，建議分多個(gè)步驟進(jìn)行計(jì)算。如圖1-1-30所示，計(jì)算并聯(lián)電阻R₂（20Ω）、R₃（20Ω）、R₄（30Ω）、R₅（30Ω）的等效電阻R_p的方法如下。

適用以下公式：

代入數(shù)值，得

即

故 R_p=6Ω