電路的作用與組成部分

電路是電流的通路，它是為了某種需要由某些電工設備或元器件按一定方式組合起來的。
電路的結構形式和所能完成的任務是多種多樣的。

最典型的例子是電力系統，作用是實現電能的傳輸和轉換，它包括三個部分：電源，負載和中間環節。

• 發電機是電源，是供應電能的設備。在發電廠內可以把熱能、水能或者核能轉換為電能。除發電機外，電池也是常用的電源。
• 電燈、電動機、電爐等都是負載，是取用電能的設備，它們分別把電能轉換為光能、機械能、熱能等。
• 變壓器和輸電線是中間環節，是連接電源和負載的部分，它起到傳輸和分配電能的作用。

電路的另一種作用是傳遞和處理信號，常見的例子如擴音機，先由話筒把語言或音樂（通常稱為信息）轉換為相應的電壓和電流，它們就是電信號。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音，因此中間還要用放大器來放大。信號的這種轉換和放大，稱為信號處理。
話筒是輸出信號的設備，稱為信號源，相當于電源，但與上述的發電機、電池這種電源不同，信號源輸出的電信號（電壓和電流）的變化規律是取決于所加的信息的。揚聲器是接收和轉換信號的設備，也就是負載。

信號處理和傳遞的例子很多，如收音機和電視機，它們的接收天線（信號源）把載有語言、音樂、圖像信息的電磁波接收后轉換為相應的電信號，而后通過電路把信號傳遞和處理（調諧、變頻、檢波、放大等），送到揚聲器和顯像管（負載），還原為原始信息。

不論是電能的傳輸和轉換，或者信號的傳遞和處理，其中電源或者信號源的電壓或電流稱為激勵，它推動電路工作；由激勵在電路各部分產生的電壓和電流稱為響應。所謂電路分析，就是在已知電路的結構和元器件參數的條件下，討論電路的激勵與響應之間的關系。

電路模型

實際電路都是由一些按需要起不同作用的實際電路元件或器件組成，諸如發電機、變壓器、電動機、電池以及各種電阻器和電容器等，它們的電磁性質較為復雜。最簡單的例如一個白熾燈，它除具有消耗電能的性質（電阻性）外，當通有電流時還會產生磁場，就是它具有電感性。但電感微小，可忽略不計，于是可認為白熾燈是一電阻元件。
為了便于對實際電路進行分析和用數學描述，將實際元器件理想化（或稱模型化），即在一定條件下突出其主要的電磁性質，忽略其次要因素，把它近似的看作理想電路元器件。由一些理想電路元器件所組成的電路，就是實際電路的電路模型，它是對實際電路電磁性質的科學抽象和概括。在理想電路元器件（今后理想兩字忽略不寫）中主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源器件等。這些元器件分別由相應的參數來表征。
例如常用的手電筒，其實際電路元器件有干電池、電珠、開關和連接導線，電路模型如下圖：

電珠是電阻元件，其參數為電阻R，干電池是電源器件，其參數為電動勢E和內電阻（簡稱R₀），連接導線是連接干電池與電珠的中間環節（還包括開關），其電阻忽略不計，認為是一無電阻的理想導體。
今后所分析的都是指電路模型，簡稱電路圖。在電路圖中，各種元器件用規定的圖形符號表示。

電壓和電流的參考方向

上圖是最簡單的直流電阻電路，其中E，U，R0分別是電源的電動勢、端電壓和內阻，R為負載電阻。當將開關閉合后，電路中有電流I。電流I、電壓U和電動勢E是電路的基本物理量，在分析電路時，必須在電路圖上用箭標或 +，- 來標出它們的方向或極性（如圖中所示），才能正確列出電路方程。

關于電壓和電流的方向，有實際方向和參考方向之分，要加以區別。

習慣上規定正電荷運動的方向或負電荷運動的相反方向為電流的方向（實際方向）。電流的方向是客觀存在的，但在分析較為復雜的直流電路時，往往難于事先判斷某支路中電流的實際方向；對交流來講，其方向隨著時間而變，在電路圖上也無法用一個箭標來表示它的實際方向。為此，在分析與計算電路時，常可任意選定某一方向作為電流的參考方向，或稱為正方向。

所選的電流參考方向不一定與電流的實際方向一致。當電流是實際方向與其參考方向一致時，則電流為正值，反之，當電流是實際方向與其參考方向不一致時，則電流為負值。
因此，在參考方向選定之后，電流之值才有正負之分。

電壓和電動勢都是標量，但在分析電路時，和電流一樣，也說它們具有方向。
電壓的方向規定為高電位（+極性）端指向低電位（-極性）端，即為電位降低的方向。
電源電動勢的方向規定為在電源內部由低電位（-極性）端指向高電位（+極性）端，即電位升高的方向。

在電路圖上所標的電流、電壓和電動勢的方向，一般都是參考方向，它們是正值還是負值，視選定的參考方向而定。

電壓U的參考方向與實際方向一致，故為正值；而U'的參考方向與實際方向相反，故為負值。兩者可寫為 U = -U'；電流亦然， I = -I'。
電壓的參考方向除了用極性 +、- 表示外，也可用于雙下標表示。例如 a，b 兩點間的電壓 U_ab ，它的參考方向是由 a 指向 b ，也就是說 a 點的參考極性是 + ，b 點的參考極性是 - 。如果參考方向選為由 b 指向 a，則為 U_ba ， U_ab = -U_ba 。電流的參考方向也可以用雙下標表示。

我國法定計量單位是以國際單位制（SI）為基礎的。
在國際單位制中，電流的單位是安培（A）。當1s（秒）內通過導體橫截面的電荷量為1C（庫倫）時，則電流為 1A。計量微小的電流時，以毫安（mA）或微安（uA）為單位。1mA = 10^-3A，1uA = 10^-6A。
在國際單位制中，電壓的單位是伏特（V），當電場力把1C的電荷量從一點移到另一點所做的功為1J（焦耳）時，則該兩點間的電壓為1V。計量微小的電壓時，則以毫伏（mV）或微伏（uV）為單位；在計量高電壓時，則以千伏（kV）為單位。
電動勢的單位和電壓相同，也是伏特。

歐姆定律

通常流過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比，這就是歐姆定律。
它是分析電路的基本定律之一。

U / I = R

由上式可知，當所加電壓U一定時，電阻R越大，則電流越小。顯然電阻具有對電流起阻礙作用的物理性質。

U = RI
U = -RI

在國際單位制中，電阻的單位是歐姆（Ω）。當電路兩端的電壓為1V時，通過的電流為1A時，則該段電路的電阻為1Ω。計量高電阻時，則以千歐（kΩ）或兆歐（MΩ）為單位。

遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻，它是一個表示該段電路特性而與電壓和電流無關的常數。上圖通常被稱為線性電阻的伏安特性曲線。

電源有載工作、開路與短路

電源有載工作

將上圖中的開關合上，接通電源和負載，這就是電源有載工作。

電壓與電流

應用歐姆定律可以列出電路中的電流

I = E / (R + R₀)

和負載電阻兩端的電壓

U = RI

最后可得出

U = E - IR₀

由此可見，電源端電壓小于電動勢，兩者之差為電流通過電源內阻所產生的電壓降R₀I。電流越大，則電源端電壓下降的越多。

表示電源端電壓U與輸出電流I之間的關系曲線，稱之為電源的外特性曲線。

其斜率與電源內阻有關。電源內阻一般很小，當R₀ << R時，則U ≈ R
上式表明，當電流（負載）變動時，電源的端電壓變動不大，這說明它帶負載能力強。

功率與功率平衡

功率平衡式：

UI = EI - R₀I²
P = P_E - Δ P

式子中P_E = EI，是電源產生的功率；Δ P=R₀I²，是電源內阻上損耗的功率；P=UI，是電源輸出的功率。

在國際單位制中，功率的單位是瓦特（W）或千瓦（kW）。1s內轉換1J的能量，則功率為1W。

電源產生的功率和負載取用的功率以及內阻上所損耗的功率是平衡的。

電源與負載的判別

分析電路，還要判別哪個電路元件是電源（或起電源作用），哪個是負載（或起負載作用）。

• 電源：U和I實際方向相反，電流從+端流出，發出功率
• 負載：U和I實際方向相同，電流從+端流入，取用功率

額定值與實際值

通常負載（例如電燈，電動機等）都是并聯運行的。因為電源的端電壓是基本不變的，所以負載兩端的電壓也是基本不變的。因此當負載增加（例如并聯的負載數目增加）時，負載所取用的總電流和總功率都增加。就是說，電源輸出的功率和電流決定于負載的大小。
各種電氣設備的電壓、電流以及功率等都有一個額定值。例如一盞燈的電壓是220V，功率是60W，這就是額定值。
額定值是制造廠為了使產品能摘給定的工作條件下正常運行而規定的正常允許值。
大多數電氣設備（例如電機、變壓器等）的壽命與絕緣材料的耐熱性能及絕緣強度有關。
當電流超過額定值過多時，由于發熱過剩，絕緣材料將遭到損壞；當所加電壓超過額定值過多時，絕緣材料也可能被擊穿。
反之，如果電壓和電流遠低于其額定值，不僅得不到正常合理的工作情況，而且也不能充分利用設備的能力。
此外，對電燈及各種電阻器來說，當電壓過高或電流過大時，其燈絲或電阻絲也將被燒毀。
制造廠在制定產品的額定值時，要全面的考慮使用的經濟學、可靠性以及壽命等因素，特別要保證設備的工作溫度不超過規定的允許值。
電氣設備或元器件的額定值常標在銘牌上或寫在其他說明中，在使用時應充分考慮額定數據。
例如一個電烙鐵，標有220V/45W，這是額定值，使用時不能接到380V的電源上。
額定電壓、額定電流和額定功率分別用U_N，I_N和P_N表示

使用時，電壓、電流和功率的實際值不一定等于它們的額定值：

• 是受到外界的影響。例如電源額定電壓為220V，但電源電壓經常波動，稍低于或稍高于220V。這樣子，額定值為220V40W的電燈上所加的電壓不是220V，實際功率也就不是40W了。
• 在一定電壓下電源輸出的功率和電流決定于負載的大小，就是負載需要多少功率和電流，電源就給多少，所以電源通常不一定處于額定工作狀態，但是一般不超過額定值。對于電動機也是這樣子的，它的實際功率和電流也決定于它軸上所帶的機械負載的大小，通常也不一定處于額定工作狀態。

電源開路

當開關斷開時，電源則處于開路（空載）狀態。
開路時外電路的電阻對電源來說無窮大，因此電路中電流為0，此時電源的端電壓（稱為開路電壓或空載電壓U₀）等于電源電動勢，電源不輸出電能。
電源開路的特征：

I = 0
U = U₀ = E
P = 0

電源短路

當電源的兩端由于某種原因而連在一起時，電源則被短路。
電源電路時，外電路的電阻可視為0，電流有捷徑可通，不再流過負載。
因為在電流的回路中僅有很小的電源內阻R₀，所以這時的電流很大，此電流稱為短路電流I_S。
短路電流可能使電源遭受機械的與熱的損傷或毀壞。
短路時電源所產生的電能全被內阻所消耗。
電源短路時由于外電路的電阻為0，所以電源的端電壓也為0。這時電源的電動勢全部降在內阻上。
電源短路的特征：

U = 0
I = I_S = E / R₀
P_E = Δ P = R₀I², P = 0

短路也可發生在負債端或線路的任何處。
短路通常是一種嚴重事故，應該盡力預防。
產生短路的原因往往是由于絕緣損壞或接線不慎，因此經常檢查電氣設備和線路的絕緣情況是一項很重要的安全措施。
為了防止短路事故所引起的后果，通常在電路中接入熔斷器或空氣斷路器，以便發生短路時，能迅速將故障電路自動切除。但是，由于某種需要，可以將電路中某一段短路（常稱為短接）或進行某種短路試驗。

基爾霍夫定律

分析與計算電路的基本定律，除了歐姆定律外，還有基爾霍夫電流定律和電壓定律。
基爾霍夫電流定律應用于結點，電壓定律應用于回路。
電路中的每一分支稱為支路，一條支路流過一個電流，稱為支路電流。
電路中三條或三條以上的支路相連接的點稱為結點。
回路是由一條或多條支路所組成的閉合回路。

基爾霍夫電流定律

基爾霍夫電流定律用來確定連接在同一結點上的各支路電流間的關系的。
由于電流的連續性，電路中任何一點（包括結點在內）均不能堆積電荷。因此，在任一瞬間時，流入某一節點的電流之和應該等于由該節點流出的電流之和。

在上圖中，對 a 點的可以寫出

I₁ + I₂ = I₃
I₁ + I₂ - I₃ = 0
∑ I = 0

就是在任一瞬時，一個結點上電流的代數和恒等于0。
基爾霍夫電流定律通常應用于結點，也可以把它推廣應用于包圍部分電路的任一假設的閉合面。

上圖可知

I_A = I_AB - I_CA
I_B = I_BC - I_AB
I_C = I_CA - I_BC

在任一瞬時，通過任一個閉合面的電流的代數和也恒等于0

基爾霍夫電壓定律

基爾霍夫電壓定律是用來確定回路中各段電壓之間的關系的。
如果從回路中任意一點出發，以順時針或逆時針方向沿回路循行一周，則在這個方向上的電位降之和應該等于電位升之和。回到原來的出發點時，該點的電位是不會發生變化的。此即電路中任意一點的瞬時電位具有單值性的結果。

由上可以寫出

U₁ + U₄ = U₂ + U₃
U₁ - U₂ - U₃ + U₄ = 0
∑ U = 0

在任一瞬時，沿任一回路循行方向（順時針方向或逆時針方向），回路中各段電壓的代數和恒等于0。
上式可以改寫為

E₁ - E₂ - R₁I₁ + R₂I₂ = 0
E₁ - E₂ = R₁I₁ - R₂I₂
∑ E = ∑ RI

此為基爾霍夫電壓定律在電阻電路中的另一種表達式，就是在任一回路循環方向上，回路中電動勢的代數和等于電阻上電壓降的代數和。

基爾霍夫電壓定律不僅應用于閉合回路，也可以把它推廣應用于回路的部分電路。

對于a：

∑ U = U_A - U_B - U_AB = 0
U_AB = U_A - U_B

對于b：

E - U - RI = 0
U = E - RI

基爾霍夫定律具有普遍性，它們適用于由各種不同元器件所構成的電路，也適用于任一瞬時對任何變化的電流和電壓。

電路中電位的概念及計算