第一章 直流电路
本章学习要点： 1．熟悉电流、电压、电阻、电功率、电功等常用的物理量； 2．了解常用电气元件的电路符号，能够看懂电路图的连接关系； 3．熟练掌握欧姆定律的两种形式，明确U，J，R，E，r之间的关系； 4．准确辨识简单电路电阻的串、并联关系，掌握两种连接形式中每个元件上电压、电流与总电压、总电流的关系。
现实生活中，我们经常听到或说起很多有关电方面的名词、术语，也经常有很多用电方面的困惑。这些名词、术语究竟是怎样定义的?它们之间有什么关系?是什么因素导致电压的高低、电流的大小?为什么会发生由用电引发的火灾?为什么家里几个月没人住，还会产生电费?很多经常听到的，看似简单，又不容易说清的问题，通过本章的学习都会有明确的答案。
§1—1 电学的基本物理量
一、电量
自然界中的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的，而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。在通常情况下，原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，原子对外不显电性。但是，用一些办法，可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷。物体失去或得到的电子数量越多，则物体所带的正、负电荷的数量也越多。
物体所带电荷数量的多少用电量来表示。电量是一个物理量，它的单位是库仑，用字母C表示。1C的电量相当于物体失去或得到6.25×1018个电子所带的电量。
二、电流
电荷的定向移动形成电流。电流有大小，有方向。 1．电流的方向
1、人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中，电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果，电子流的方向是负电荷的移动方向，
与正电荷的移动方向相反，所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反，如图1—1所示。
2．电流的大小
电学中用电流强度来衡量电流的大小。电流强度就是l秒钟通过导体截面的电量。电流强度用字母I表示，计算公式如下：
I?Qt
式中 I——电流强度，单位安培(A)；
Q——在t秒时间内，通过导体截面的电量数，单位库仑(C)；
t——时间，单位秒(s)。
实际使用时，人们把电流强度简称为电流。电流的单位是安培，简称安，用字母A表示。如果1秒内通过导体截面的电量为1库仑，则该电流的电流强度为1安培，习惯简称电流为1安。实际应用中，除单位安培外，还有千安(kA)、毫安(mA)和微安(?A)。它们之间的关系为：
1kA=10A 1A=10mA 1mA=10?A
333三、电压
为了弄清楚电荷在导体中定向移动而形成电流的原因，我们对照图1—2a水流的形成来理解这个问题。
从图1—2a可以看到外水由一A槽经C管向8槽流去。水之所以能在C管中进行定向移动，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：A，B两槽之间的水位差即水压，是实现水形成水流的原因。与此相似，当图1—2b中的开关S闭合后，电路里就有电流。这是因为电源的正极电位高，负极电位低。两个极间电位差(电压)使正电荷从正极出发，经过负载R移向负极形成电流。所以，电压是自由电荷发生定向移动形成电流的原因。在电路中电场力把单位正电荷由高电位a点移向低电位b点所做的功称为两点间的电压，用间的电位差，它是衡量电场力做功本领大小的物理量。
电压用字母U表示，单位为伏特，电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳，则ab间的电压值就是1伏特，简称伏，用字母V表示。常用的电压单位还有千伏(kV)，毫伏(mV)等。它们之间的关系为：
1 kV=10V l V=10mV
电压与电流相似，不但有大小，而且有方向。对于负载来说，电流流人端为正端，电流流出端为负端。电压的方向是由正端指向负端，也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。在电路图中，用带箭头的细实线表示电压的方向。
33Uab
表示。所以电压是a与b两点
四、电动势、电源
在图1—2a中，为使水在C管中持续不断地流动，必须用水泵把B槽中的水不断地泵入A槽，以维持两槽间的固定水位差，也就是要保证C管两端有一定的水压。在图1—2b中，电源与水泵的作用相似，它把正电荷由电源的负极移到正极，以维持正、负极间的电位差，即电路中有一定的电压使正电荷在电路中持续不断地流动。
电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的，它在电路中将其他形式能转换成电能。电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量，用字母E表示，它的单位也是伏特，简称伏，用字母V表示。
电源的电动势只存在于电源内部。人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向，如图1—2b所示。当电源两端不接负载时，电源的开路电压等于电源的电动势，但二者方向相反。
生活中用测量电源端电压的办法，来判断电源的状态。比如测得工作电路中两节5号电池的端电压为2.8 V，则说明电池电量比较充足。
五、电阻
一般来说，导体对电流的阻碍作用称为电阻，用字母R表示。电阻的单位为欧姆，简
称欧，用字母?表示。
如果导体两端的电压为1伏，通过的电流为1安，则该导体的电阻就是1欧。 常用的电阻单位还有千欧(k?)、兆欧(M?)。它们之间的关系为：
1 k?=10? 1 M?=10k?
应当强调指出：电阻是导体中客观存在的，它与导体两端电压变化情况无关，即使没有电压，导体中仍然有电阻存在。实验证明，当温度一定时，导体电阻只与材料及导体的几何尺寸有关。对于二根材质均匀、长度为L、截面积为S的导体而言，其电阻大小可用下式表示：
R??LS33
式中 R——导体电阻，单位为欧(?)；
L——导体长度，单位为米(m)；
S——导体截面积，单位为平方毫米(mm)；
2?——电阻率，单位为欧·米(?·m)。
式中电阻率是与材料性质有关的物理量。电阻率的大小等于长度为1m，截面积为1mm的导体在一定温度下的电阻值，其单位为欧米(?：m)。例如，铜的电阻率为1.7×10就是指长为1m，截面积为1mmz的铜线的电阻是1.7×10电阻率见表1—1。
从表中可知，铜和铝的电阻率较小，是应用极为广泛的导电材料。以前，由于我国铝的矿藏量丰富，价格低廉，常用铝线作输电线。由于铜线有更好的电气特性，如强度高、电阻率小，现在铜制线材被更广泛应用。电动机、变压器的绕组一般都用铜材。
表1—1 几种常用材料在20℃时的电阻率
材料名称 银 铜 铝 钨 铁 康铜 锰铜 铝铬铁电阻丝 电阻率(?·m) 1.6×10 1.7×10 2.9×10 5.3×10 1.0×10 5.0×10 4.4×10 1.2×10 ?6?7?7?7?8?8?82?8m，?·
?8C时的?。几种常用材料在20°?8
六、电功、电功率
电流通过用电器时，用电器就将电能转换成其他形式的能，如热能、光能和机械能等。我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功，简称电功，用字母W表示。电流通过用电器所做的功与用电器的端电压、流过的电流、所用的时间和电阻有以下的关系：
?W?UIt??2W?IRt?
2?UW?t?R?如果公式(1—3)中，电压单位为伏，电流单位为安，电阻单位为欧，时间单位为秒，则电功单位就是焦耳，简称焦，用字母J表示。
电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率，用字母P表示。其数学表达式为：
P?Wt
将公式(1—3)代入公式1—4后得到：
P?2U?R??P?UI? P?IR2?????若在公式(1—4)中，电功单位为焦耳，时间单位为秒，则电功率的单位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，简称瓦，用字母W表示。在实际工作中，常用的电功率单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它们之间的关系为：
1kW=10W 1W=10mW
从公式1—5中可以得出如下结论：
1．当用电器的电阻一定时，电功率与电流平方或电压平方成正比。若通过用电器的电流是原来电流的2倍，则电功率就是原功率的4倍；若加在用电器两端电压是原电压的2倍,则电功率就是原功率的4倍。
2．当流过用电器的电流一定时，电功率与电阻值成正比。对于串联电阻电路，流经各个电阻的电流是相同的，则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。
3．当加在用电器两端的电压一定时，电功率与电阻值成反比。对于并联电阻电路，各个电阻两端电压相等，则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。
在实际工作中，电功的单位常用千瓦小时(kW·h)，也叫“度”。1千瓦小时是1度，它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能，即：
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