1.1電路的基本概念

1.1.1 什么是電

在中學(xué)物理學(xué)中，我們曾學(xué)習(xí)過摩擦生電。用梳子梳理干燥的頭發(fā)時，常常會聽到“噼噼、啪啪”的響聲，如果在黑夜里，還會看到一些細(xì)小的火花。將這把梳子放到一撮小紙屑的近旁，小紙屑會被梳子吸起來。電是什么呢？電是一種特殊的能量，稱為電能。

世界是物質(zhì)的。自然界的一切物質(zhì)都是由分子組成的。分子又是由原子組成的。每一種原子都有一個處在中心的原子核，在原子核周圍有若干個電子沿著一定的軌道做著高速度的旋轉(zhuǎn)運動。原子核是帶正電的，而電子是帶負(fù)電的。在原子未受外力的作用時，原子核所帶的正電荷與外層電子所帶的負(fù)電荷相等。原子對外界處于平衡狀態(tài)，不顯電性。

不同的原子，其原子核的質(zhì)量及其周圍的電子數(shù)目是不同的。如銅原子和鋁原子，它們的原子結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。銅原子核內(nèi)有29個帶正電的質(zhì)子，核外有29個帶負(fù)電的中子。電子呈四層分布，最外層只有一個電子，如圖1-1（a）所示。鋁原子核內(nèi)有13個質(zhì)子，核外有與質(zhì)子數(shù)相等的13個中子，最外層只有一個電子，如圖1-1（b）所示。

那些處在最外層軌道上的電子，由于它們距離原子核比較遠，受到原子核的束縛力比較弱，在受到外界因素（如熱、光、機械力）影響時，很容易脫離自己的軌道，擺脫原子核的束縛，成為自由電子。銅、鋁等金屬物質(zhì)都具有不穩(wěn)定的外層電子，在常溫下就會脫離軌道成為自由電子（如每cm3銅中包含8×1032個自由電子）。

如果原子失掉一個或幾個外層電子，則它的電平衡就被破壞了，正電荷多于負(fù)電荷，這個原子就帶正電；同理，飛出軌道的電子被另外的原子所吸收，另外的那個原子就帶負(fù)電。這就是電的本質(zhì)。

我們使用的電是由發(fā)電廠發(fā)電機組發(fā)出的，經(jīng)高壓輸電、變電送到千家萬戶。目前，發(fā)電的方式很多，如火力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電及核能發(fā)電等。

1.1.2 什么是電路

電路就是電流所通過的路徑。

1．電路的結(jié)構(gòu)形式

電路是由元器件按一定方式組合而成的。圖1-2所示的電路是一個最簡單的手電筒實物連接電路，由電源（干電池）、負(fù)載（電燈泡）和中間環(huán)節(jié)（包括連接導(dǎo)線和開關(guān)）三部分組成。在電路中，隨著電流的流動，進行著不同形式能量之間的轉(zhuǎn)換。

電源是將非電能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。例如，干電池和蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，而發(fā)電機是將熱能、水能或原子能等轉(zhuǎn)換成電能。所以，電源是電路中的能量來源，是推動電流運動的源泉，在它的內(nèi)部進行著由非電能到電能的轉(zhuǎn)換。

負(fù)載是將電能轉(zhuǎn)換成非電能的裝置，如電燈泡將電能轉(zhuǎn)換成光能、電爐將電能轉(zhuǎn)換成熱能、電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能等。所以，負(fù)載是電路中的受電器，是取用電能的裝置，在它的內(nèi)部進行著由電能到非電能的轉(zhuǎn)換。

中間環(huán)節(jié)是把電源與負(fù)載連接起來的部分，起傳遞和控制電能的作用。

2．簡單的電路

圖1-3是圖1-2的電路圖。電路元件有干電池E、電燈泡HL、開關(guān)S和導(dǎo)線。電燈泡HL是電阻元件R；E是電源，內(nèi)電阻為Ro；連接干電池與電燈泡的中間環(huán)節(jié)是開關(guān)S，其電阻可以忽略不計，認(rèn)為是一無電阻的理想導(dǎo)體。

3．電路的作用

（1）傳遞和處理信號

電路的作用之一是傳遞和處理信號，常見的如擴音機，先由話筒把語言或音樂（通常稱為信息）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓和電流，即電信號，而后通過電路傳遞到揚聲器，把電信號還原為語言或音樂。由于話筒輸出的電信號比較微弱，不足以推動揚聲器發(fā)音，因此中間還要用放大器來放大。信號的這種轉(zhuǎn)換和放大，稱為信號的處理。

（2）傳輸和轉(zhuǎn)換信號

供電系統(tǒng)中的電力電路起著實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換的作用。把發(fā)電廠發(fā)出的高壓電通過高壓線路傳輸?shù)礁鞯?，然后通過變壓器把高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電。這類電路，一般要求在傳輸和轉(zhuǎn)換過程中，盡可能地減少能量損耗以提高效率。