第1章 电路基础与安全用电

1.1 电路基础

1.1.1 电路与电路图

图1-1（a）所示是一个简单的实物电路，该电路由电源（电池）、开关、导线和灯泡组成。使用实物图展现电路虽然直观，但有时很不方便，为此人们就采用以一些简单的图形符号代替实物的方法来绘制电路，这样画出来的图形就称为电路图。图1-1（b）所示的图形是图1-1（a）所示实物电路的电路图，用电路图来表示实际的电路非常方便。

1.1.2 电流与电阻

1.电流

电流说明图如图1-2所示。

大量的电荷朝一个方向移动（也称定向移动）就形成了电流，这就像公路上有大量的汽车朝一个方向移动就形成“车流”一样。实际上，我们把电子运动的反方向作为电流方向，即把正电荷在电路中的移动方向规定为电流的方向。图1-2所示电路的电流方向是：电源正极→开关→灯泡→电源负极。

电流用字母“I”表示，单位为安培（简称安），用“A”表示，比安培小的单位有毫安（mA）、微安（μA），它们之间的关系为

1A=10³mA=10⁶μA

将开关闭合，灯泡会发光，为什么会这样呢？

原来当开关闭合时，带负电荷的电子源源不断地从电源负极经导线、灯泡、开关流向电源正极。这些电子在流经灯泡内的钨丝时，钨丝会发热，温度急剧上升而发光。

2.电阻

在图1-3（a）所示实物电路中，给电路增加一个元器件—电阻，发现灯光会变暗，该实物电路的电路图如图1-3（b）所示。为什么在电路中增加了电阻后灯泡会变暗呢？原来电阻对电流有一定的阻碍作用，从而使流过灯泡的电流减小，灯光变暗。

导体对电流的阻碍称为该导体的电阻，电阻用字母“R”表示，单位为欧姆（简称欧），用“Ω”表示，比欧姆大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间的关系为

1MΩ=10³kΩ=10⁶Ω

导体的电阻计算公式为

式中，L为导体的长度（m）；S为导体的截面积（m²）；ρ为导体的电阻率（Ω· m）。不同的导体，ρ值一般不同。表1-1列出了一些常见导体的电阻率（20℃时）。

在长度L和截面积S相同的情况下，电阻率越大的导体其电阻越大。例如，L、S相同的铁导线和铜导线，铁导线的电阻约是铜导线的5.9倍。由于铁导线的电阻率较铜导线大很多，为了减小电能在导线上的损耗，让负载得到较大电流，供电线路通常采用铜导线。

导体的电阻除了与材料有关外，还受温度影响。一般情况下，导体温度越高电阻越大。例如，常温下灯泡（白炽灯）内部钨丝的电阻很小，通电后钨丝的温度上升到千度以上，其电阻急剧增大。导体温度下降电阻减小，某些导电材料在温度下降到某一值时（如-109℃），电阻会突然变为零，这种现象称为超导现象，具有这种性质的材料称为超导材料。

1.1.3 电路的三种状态

电路有三种状态：通路、开路和短路，如图1-4所示。

电路处于通路状态的特点：电路畅通，有正常的电流流过负载，负载正常工作。

电路处于开路状态的特点：电路断开，无电流流过负载，负载不工作。

电路处于短路状态的特点：电路中有很大电流流过，但电流不流过负载，负载不工作。由于电流很大，很容易烧坏电源和导线。

1.1.4 接地与屏蔽

1.接地

接地在电工电子技术中应用广泛，接地符号如图1-5所示。接地的含义说明如图1-6所示。

2.屏蔽

在电气设备中，为了防止某些元器件和电路工作时受到干扰，或者为了防止某些元器件和电路在工作时产生干扰信号影响其他电路正常工作，通常对这些元器件和电路采取隔离措施，这种隔离称为屏蔽。屏蔽符号如图1-7所示。

屏蔽的具体做法是用金属材料（称为屏蔽罩）将元器件或电路封闭起来，再将屏蔽罩接地（通常为电源的负极）。图1-8所示为带有屏蔽罩的元器件和导线，外界干扰信号无法穿过金属屏蔽罩干扰内部元器件和电路。