1.8 直流电路
直流电路就是电压或电流的大小和方向不随时间变化的电路。
1.8.1 基本概念
1. 电压
河水之所以能够流动，是因为有水位差，水总是从高水位流向低水位。电荷之所以能够流动，是因为有电位差。电路中，任意两点间的电位差，称为两点间的电压。电压是形成电流的主要条件。在电路中，电压常用U表示。电压的单位是伏（V），大的计量单位可用千伏（kV）表示，小的计量单位常用毫伏（mV）或者微伏（μV）做单位。它们之间的关系为
1kV=1000V
1V=1000mV
1mV=1000μV
我国规定的标准电压等级很多，如直流安全电压12V、24V、36V，工业用电直流110V、220V等；民用市电电压为交流220V，工业动力用电电压为交流380V；高压配电电压6kV、10kV；高压输电电压110kV；远距离超高压输电电压330kV和500kV。
电压可以用电压表测量。测量时，把电压表并联在电路上。选择电压表量程时如果电路上的电压值估计不出来，就先选择大一点的量程，粗略测量后再选用合适的量程。这样可以防止由于电压过大而损坏电压表。
2. 电位
放在电场里某点的电荷的位能与它的电量之比，就是该点的电位。如用U 表示电位，A表示电荷q的位能，则
式中，U的单位为V；A的单位为J（焦耳）；q的单位为C（库仑）。
在指明电路中某点电位时，必须首先确定参考点，设其电位为零，则电路中某点的电位在数值上就等于该点到参考点的电压。因此，电位的数值将与参考点的选择有关。一般选大地或机壳作为电位参考点，用接地符号（┻）表示，这样可方便于计算。
3. 电源
把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。如发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。干电池、发电机等都叫做电源。
通过整流电路把交流电变成直流电的装置叫做整流电源，能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去，晶体三极管对后面的电路来说也可以看作是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。
4. 电动势
电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量，电动势使电源两端产生电压。在电路中，电动势常用E来表示。电动势的单位是伏（V）。
5. 电位差
电位差就是两点之间的电位之差。如a、b两点的电位分别为10V和5V，则两点之间的电位差为Uab=10V-5V=5V。反之，Uba=5V-10V=-5V。
6. 电流
电荷的定向移动叫做电流。在电路中，电流常用I表示。电流分直流和交流两种。电流的大小和方向不随时间变化的叫做直流电；电流的大小和方向随时间变化的叫做交流电。电流的单位是安（A），也常用毫安（mA）或者微安（μA）做单位。它们之间的关系是：
1kA=1000A
1A=1000mA
1mA=1000μA
直流电流的方向是从电源的正极流到电源的负极。
电流可以用电流表测量。测量时，把电流表串联在电路中，要选择电流表指针接近满偏转的量程。如果电路中的电流大小估计不出来，要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程。这样可以防止电流过大而损坏电流表。
7. 负载
把电能换成其他形式的能的装置叫做负载。电动机能把电能转换成机械能，电灯泡能把电能转换成热能和光能，扬声器能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。后级的晶体三极管对于前级来说，也可看作负载。
8. 电阻
电路中对电流通过有阻碍作用并且造成能量损耗的器件叫电阻。电阻常用R（r）表示。电阻的单位是欧（Ω），也常用千欧（kΩ）或者兆欧（MΩ）做单位。它们之间的关系是：
1kΩ=1000Ω
1MΩ=1000000Ω
导体的电阻由导体的材料、横截面积、长度和温度决定。
一般导线的电阻可由下式求得：
式中，L——导线长度（m）；
S——导线的横截面积（mm2）；
ρ——电阻率，单位为（Ω·mm2/m）。
电阻率ρ是电工计算中的一个重要物理数，不同材料物体的电阻率各不相同，它的数值相当于用这种材料制成长1m、横截面积为1mm2的导线在温度+20℃时的电阻值。电阻率直接反映着各种材料导电性能的好坏。材料的电阻率越大，表示它的导电能力越差；电阻率越小，则表示导电性能越好。
电阻可以用万用电表欧姆挡测量。测量时，要选择电表指针偏转量程一半的欧姆挡。如果被测电阻焊接在电路中，则应将其断开一端后进行测量，人体不能与电阻引线接触。
常用金属的电阻率如表1-1所示。
表1-1 常用金属的电阻率（20℃）
例1 100m长的铜导线，导线直径D为1mm，求它在20℃时的电阻R。
【解】 导线的横截面积
查表1-1得铜导线的电阻率ρ=0.0175Ω·mm2/m，则
例2 一根直径D为1mm的康铜导线，它的电阻R=11.2Ω，求它的长度L。
【解】 导线的横截面积
查表1-1得康铜导线的电阻率ρ=0.44Ω·mm2/m，则
9. 电容
电容是衡量导体储存电荷能力大小的物理量。在两个相互绝缘的导体上，加上一定的电压，它们就会储存一定的电量。其中一个导体储存着正电荷，另一个导体储存着大小相等的负电荷。加上的电压越大，储存的电量就越多。储存的电量和加上的电压是成正比的，它们的比值叫做电容。如果电压用U表示，电量用Q表示，电容用C表示，那么
电容的单位是法（F），也常用微法（μF）或者皮法（pF）做单位。它们的关系是：
1F=106μF
1F=1012pF
电容可以用电容测试仪测量，也可以用万用电表欧姆挡粗略估测。
10. 电感
电感是衡量线圈产生电磁感应能力大小的物理量。给一个线圈通入电流，线圈周围就会产生磁场，线圈就有磁通量通过。通入线圈的电流越大，磁场就越强，通过线圈的磁通量就越大。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。如果通过线圈的磁通量用Φ表示，电流用I表示，电感用L表示，那么
电感的单位是亨（H），也常用毫亨（mH）或者微亨（μH）做单位。它们的关系是：
1H=1000mH
1mH=1000μH
11. 电能
当电流流过电路时，将发生能量转换。在电源内部，外力不断克服电场力驱使正、负电荷分别向电源两极移动而做功，把其他形式的能转换为电能。通过外电路，电荷不断地被送到负载，把电能转换为其他形式的能。
负载消耗的电能等于端电压与电荷的乘积，电荷又等于电流与时间的乘积，即
式中，A——电能，单位为J；
U——端电压，单位为V；
Q——电荷，单位为C。
12. 电功
电流做功等于电路消耗的电能，而电路里消耗的电能又等于使电荷在电路里移动所做的功。计算电功的公式为
13. 电功率
在单位时间内电路产生或消耗的电能称为电功率，简称功率，用 P 表示，单位为W（瓦）。
式中，P——电功率（W，1W=1J/s）；
t——时间（s）。
例3 5A的电流通过4Ω的电阻，经过10s后，计算电流在这段时间内所做的功A和功率P。
【解】
A=I2Rt=52×4×10=1000（J）
P=I2R=52×4=100（W）
例4 有一8W、400Ω的线绕电阻，求它的额定电流和最大耐压值各是多少？
【解】
该线绕电阻的最大耐压值取50V。
1.8.2 电路的三种状态
1. 开路状态（断路状态）
当电路的开关断开时，称为开路，其特征是电流为零，电源端电压值就是电源两端的电动势。检修线路应在开路状态下进行，此时电路不工作也不产生热量。
2. 短路状态
当电路中有电压的两点被电阻为零的导体连接时，称为短路，其特征是电流很大。根据电流的热效应，导体所消耗的电能为
若电阻消耗的电能全部转换成热能（Q=I2Rt），则会烧坏绝缘，损坏设备。为了防止短路，在电路中接有保险丝。有时利用短路电流产生的高温进行金属焊接等。
3. 额定工作状态
对用电设备一般都规定有额定电流。额定电流是指电气设备长时间工作所允许通过的最大电流，用IN表示。实际电流小于IN时称为轻载；等于IN时称为满载，满载就是额定工作状态；大于IN时称为过载，过载是不允许的。有些设备不标出额定电流而标出额定电压（UN）或额定功率（PN）。