1.8 直流電路

直流電路就是電壓或電流的大小和方向不隨時間變化的電路。

1.8.1 基本概念

1. 電壓

河水之所以能夠流動，是因為有水位差，水總是從高水位流向低水位。電荷之所以能夠流動，是因為有電位差。電路中，任意兩點間的電位差，稱為兩點間的電壓。電壓是形成電流的主要條件。在電路中，電壓常用U表示。電壓的單位是伏（V），大的計量單位可用千伏（kV）表示，小的計量單位常用毫伏（mV）或者微伏（μV）做單位。它們之間的關系為

1kV=1000V

1V=1000mV

1mV=1000μV

我國規定的標準電壓等級很多，如直流安全電壓12V、24V、36V，工業用電直流110V、220V等；民用市電電壓為交流220V，工業動力用電電壓為交流380V；高壓配電電壓6kV、10kV；高壓輸電電壓110kV；遠距離超高壓輸電電壓330kV和500kV。

電壓可以用電壓表測量。測量時，把電壓表并聯在電路上。選擇電壓表量程時如果電路上的電壓值估計不出來，就先選擇大一點的量程，粗略測量后再選用合適的量程。這樣可以防止由于電壓過大而損壞電壓表。

2. 電位

放在電場里某點的電荷的位能與它的電量之比，就是該點的電位。如用U 表示電位，A表示電荷q的位能，則

式中，U的單位為V；A的單位為J（焦耳）；q的單位為C（庫侖）。

在指明電路中某點電位時，必須首先確定參考點，設其電位為零，則電路中某點的電位在數值上就等于該點到參考點的電壓。因此，電位的數值將與參考點的選擇有關。一般選大地或機殼作為電位參考點，用接地符號（┻）表示，這樣可方便于計算。

3. 電源

把其他形式的能轉換成電能的裝置叫做電源。如發電機能把機械能轉換成電能，干電池能把化學能轉換成電能。干電池、發電機等都叫做電源。

通過整流電路把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源，能提供信號的電子設備叫做信號源。晶體三極管能把前面來的信號加以放大，又把放大了的信號傳送到后面的電路中去，晶體三極管對后面的電路來說也可以看作是信號源。整流電源、信號源有時也叫做電源。

4. 電動勢

電動勢是反映電源把其他形式的能轉換成電能的本領的物理量，電動勢使電源兩端產生電壓。在電路中，電動勢常用E來表示。電動勢的單位是伏（V）。

5. 電位差

電位差就是兩點之間的電位之差。如a、b兩點的電位分別為10V和5V，則兩點之間的電位差為Uab=10V-5V=5V。反之，Uba=5V-10V=-5V。

6. 電流

電荷的定向移動叫做電流。在電路中，電流常用I表示。電流分直流和交流兩種。電流的大小和方向不隨時間變化的叫做直流電；電流的大小和方向隨時間變化的叫做交流電。電流的單位是安（A），也常用毫安（mA）或者微安（μA）做單位。它們之間的關系是：

1kA=1000A

1A=1000mA

1mA=1000μA

直流電流的方向是從電源的正極流到電源的負極。

電流可以用電流表測量。測量時，把電流表串聯在電路中，要選擇電流表指針接近滿偏轉的量程。如果電路中的電流大小估計不出來，要先用大的量程，粗略測量后再用合適的量程。這樣可以防止電流過大而損壞電流表。

7. 負載

把電能換成其他形式的能的裝置叫做負載。電動機能把電能轉換成機械能，電燈泡能把電能轉換成熱能和光能，揚聲器能把電能轉換成聲能。電動機、電阻、電燈泡、揚聲器等都叫做負載。后級的晶體三極管對于前級來說，也可看作負載。

8. 電阻

電路中對電流通過有阻礙作用并且造成能量損耗的器件叫電阻。電阻常用R（r）表示。電阻的單位是歐（Ω），也常用千歐（kΩ）或者兆歐（MΩ）做單位。它們之間的關系是：

1kΩ=1000Ω

1MΩ=1000000Ω

導體的電阻由導體的材料、橫截面積、長度和溫度決定。

一般導線的電阻可由下式求得：

式中，L——導線長度（m）；

S——導線的橫截面積（mm2）；

ρ——電阻率，單位為（Ω·mm2/m）。

電阻率ρ是電工計算中的一個重要物理數，不同材料物體的電阻率各不相同，它的數值相當于用這種材料制成長1m、橫截面積為1mm2的導線在溫度+20℃時的電阻值。電阻率直接反映著各種材料導電性能的好壞。材料的電阻率越大，表示它的導電能力越差；電阻率越小，則表示導電性能越好。

電阻可以用萬用電表歐姆擋測量。測量時，要選擇電表指針偏轉量程一半的歐姆擋。如果被測電阻焊接在電路中，則應將其斷開一端后進行測量，人體不能與電阻引線接觸。

常用金屬的電阻率如表1-1所示。

例1 100m長的銅導線，導線直徑D為1mm，求它在20℃時的電阻R。

【解】 導線的橫截面積

查表1-1得銅導線的電阻率ρ=0.0175Ω·mm2/m，則

例2 一根直徑D為1mm的康銅導線，它的電阻R=11.2Ω，求它的長度L。

【解】 導線的橫截面積

查表1-1得康銅導線的電阻率ρ=0.44Ω·mm2/m，則

9. 電容

電容是衡量導體儲存電荷能力大小的物理量。在兩個相互絕緣的導體上，加上一定的電壓，它們就會儲存一定的電量。其中一個導體儲存著正電荷，另一個導體儲存著大小相等的負電荷。加上的電壓越大，儲存的電量就越多。儲存的電量和加上的電壓是成正比的，它們的比值叫做電容。如果電壓用U表示，電量用Q表示，電容用C表示，那么

電容的單位是法（F），也常用微法（μF）或者皮法（pF）做單位。它們的關系是：

1F=106μF

1F=1012pF

電容可以用電容測試儀測量，也可以用萬用電表歐姆擋粗略估測。

10. 電感

電感是衡量線圈產生電磁感應能力大小的物理量。給一個線圈通入電流，線圈周圍就會產生磁場，線圈就有磁通量通過。通入線圈的電流越大，磁場就越強，通過線圈的磁通量就越大。實驗證明，通過線圈的磁通量和通入的電流是成正比的，它們的比值叫做自感系數，也叫做電感。如果通過線圈的磁通量用Φ表示，電流用I表示，電感用L表示，那么

電感的單位是亨（H），也常用毫亨（mH）或者微亨（μH）做單位。它們的關系是：

1H=1000mH

1mH=1000μH

11. 電能

當電流流過電路時，將發生能量轉換。在電源內部，外力不斷克服電場力驅使正、負電荷分別向電源兩極移動而做功，把其他形式的能轉換為電能。通過外電路，電荷不斷地被送到負載，把電能轉換為其他形式的能。

負載消耗的電能等于端電壓與電荷的乘積，電荷又等于電流與時間的乘積，即

式中，A——電能，單位為J；

U——端電壓，單位為V；

Q——電荷，單位為C。

12. 電功

電流做功等于電路消耗的電能，而電路里消耗的電能又等于使電荷在電路里移動所做的功。計算電功的公式為

13. 電功率

在單位時間內電路產生或消耗的電能稱為電功率，簡稱功率，用 P 表示，單位為W（瓦）。

式中，P——電功率（W，1W=1J/s）；

t——時間（s）。

例3 5A的電流通過4Ω的電阻，經過10s后，計算電流在這段時間內所做的功A和功率P。

【解】

A=I2Rt=52×4×10=1000（J）

P=I2R=52×4=100（W）

例4 有一8W、400Ω的線繞電阻，求它的額定電流和最大耐壓值各是多少？

【解】

該線繞電阻的最大耐壓值取50V。

1.8.2 電路的三種狀態

1. 開路狀態（斷路狀態）

當電路的開關斷開時，稱為開路，其特征是電流為零，電源端電壓值就是電源兩端的電動勢。檢修線路應在開路狀態下進行，此時電路不工作也不產生熱量。

2. 短路狀態

當電路中有電壓的兩點被電阻為零的導體連接時，稱為短路，其特征是電流很大。根據電流的熱效應，導體所消耗的電能為

若電阻消耗的電能全部轉換成熱能（Q=I2Rt），則會燒壞絕緣，損壞設備。為了防止短路，在電路中接有保險絲。有時利用短路電流產生的高溫進行金屬焊接等。

3. 額定工作狀態

對用電設備一般都規定有額定電流。額定電流是指電氣設備長時間工作所允許通過的最大電流，用IN表示。實際電流小于IN時稱為輕載；等于IN時稱為滿載，滿載就是額定工作狀態；大于IN時稱為過載，過載是不允許的。有些設備不標出額定電流而標出額定電壓（UN）或額定功率（PN）。