第1章 电工基础知识和电工基本计算

1.1 直流电路

1.1.1 直流电路常用物理量及计算公式

1. 电路的组成

由电源、负载、导线和开关等组成的闭合回路是电流所经之路，称为电路，例如，在日常生活中，把一个灯泡通过开关、导线和电池连接起来，就组成了一个照明电路，如图1-1所示，当合上开关，电路中就有电流通过，灯泡就会亮起来。

电路一般由以下四部分组成：

（1）电源

电源是提供电能的装置，其作用是将其他形式的能量转换为电能，如发电机、蓄电池、光电池等都是电源。

（2）负载

负载是消耗电能的电器或设备，其作用是将电能转换为其他形式的能量，如电灯、电炉、电动机等都是负载。

（3）导线

连接电源与负载的金属线称为导线。导线用于将电路的各种元件、各个部分连接起来，形成完整的电路。导线通过一定的电流，以实现电能或电信号的传输与分配。

（4）开关

开关是控制电路接通和断开的装置。

需要注意的是在电路中，根据需要还装配有其他辅助设备，如测量仪表用来测量电路中的电量；熔断器用来执行保护任务等。

电路的工作状态有三种：通路、断路（开路）和短路。

2. 电流

（1）电流的形成

在正常状况下，原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，所以原子是中性的，不显电性，物质也不显带电的性能。当给予一定外加条件（如接上电源）时，金属中的电子就被迫发生有规则运动。电荷有规则地定向移动称为电流。在金属导体中，电流是电子在外电场作用下有规则地运动形成的。电流不仅有大小，而且有方向，习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向。

（2）电流的大小

为了比较准确地衡量某一时刻电流的大小或强弱，引入了电流这个物理量，符号为I。电流的大小等于通过导体横截面的电荷量与通过这些电荷量所用时间的比值。如果在时间t内通过导体横截面的电荷量为q，那么电流I为

式中，电流I的单位是安培，简称安，用字母A表示；电量q的单位是库仑，简称库，用字母C表示；时间t的单位为秒，用字母s表示。

如果在1秒（1s）内通过导体横截面的电量为1库仑（1C），则导体中的电流就是1安培（1A）。除安培外，常用的电流单位还有千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）等，其换算关系如下：

1kA=103A

1A=103mA

1mA=103μA

3. 电压

电压又称电位差，是衡量电场力做功的物理量。

水要有水位差才能流动，与此相似，要使电荷有规则地移动，必须在电路两端有一个电位差，也称为电压。电压用符号U表示（直流电压用大写字母U表示，交流电压用小写字母u表示）。

电压的单位是伏特，简称伏，用字母V表示，例如干电池两端电压一般是1.5V，电灯电压为220V等。有时也会采用比伏更大或更小的单位，如千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等。这些单位之间的换算关系如下：

1kV=103V

1V=103mV

1mV=103μV

电压和电流一样，不仅有大小，而且有方向，即有正负。对于负载来说，规定电流流进端为电压的正端，电流流出端为电压的负端。电压的方向由正指向负。

电压的方向在电路图中有两种表示方法，一种用箭头表示，如图1-2a所示；另一种用极性符号表示，如图1-2b所示。

在正常工作时，对于电阻负载来说，没有电流就没有电压，有电压一定有电流。电阻两端的电压被称为电压降。

4. 电动势

电动势是衡量电源将非电量转换成电量本领的物理量。电动势的定义为：在电源内部，外力将单位正电荷从电源的负极移动到电源的正极所做的功。

一个电源（例如发电机、电池等）能够使电流持续不断地沿电路流动，就是因为它能使电路两端维持一定的电位差，这种使电路两端产生和维持电位差的能力就叫作电源的电动势。电动势常用符号E表示（直流电动势用大写字母E表示；交流电动势用小写字母e表示）。

电动势的单位与电压相同，也是伏特（V）。电动势的方向规定是：在电源内部由负极指向正极。直流电动势的两种图形符号如图1-3所示。

对于一个电源来说，既有电动势，又有端电压，电动势只存在于电源内部，而端电压则是电源加在外电路两端的电压，其方向由正极指向负极。一般情况下，电源的端电压总是低于电源内部的电动势，只有当电源开路时，电源的端电压才与电源的电动势相等。

5. 电阻与电导

（1）电阻

电流在导体中通过时所受到的阻力称为电阻。电阻是反映导体对电流起阻碍作用大小的一个物理量。不但金属导体有电阻，其他物体也有电阻。

电阻常用字母R或r表示，其单位是欧姆，简称欧，用字母Ω表示。若导体两端所加的电压为1V，导体内通过的电流是1A，这段导体的电阻就是1Ω。

除欧姆外，常用的电阻单位还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间的换算关系如下：

1kΩ=103Ω

1MΩ=103kΩ=106Ω

（2）电阻定律

导体的电阻是客观存在的，它不随导体两端电压大小而变化。即使没有电压，导体仍然有电阻。实验证明，导体的电阻R与导体的长度l成正比，与导体的横截面积A成反比，并与导体的材料性质有关，即

上式称为电阻定律。式中的ρ是与导体材料性质有关的物理量，称为导体的电阻率或电阻系数。

（3）电导

电阻的倒数称为电导。电导用符号G表示，即：

电导的单位是西门子，简称西，用字母S表示。导体的电阻越小，电导就越大。电导大表示导体的导电性能好。

各种材料的导电性能有很大的差别。在电工技术中，各种材料按照它们的导电能力，一般可分为导体、绝缘体、半导体和超导体。