电路的组成与欧姆定律详解

一、电路的组成及作用

电路就是电流流过的路径,一个完整的电路都是由电源、负载(用电设备)、连接导线以及控制电器等4个基本部分组成。通过开关用导线将干电池和小灯泡连接起来,就组成了一个最简单的电路,如图1-1所示。

图1-1　电路的基本组成部分

(1)电源。电源就是产生电能的设备,它的作用是将其他形式的能量转换成电能,并向用电设备供给能量,如干电池、蓄电池、发电机等。

(2)负载。负载就是用电设备。它的作用是将电能转换为其他形式的能量,如电灯、电动机等。

(3)连接导线。连接导线把电源和负载连接成一个闭合通路,起着连接电路和输送电能的作用。

(4)控制电器。控制电器的主要作用是控制电路的通断,如开关、继电器等。

电路通常有三种状态。

通路(闭路):电源与负载接通,电路中有电流通过,电气设备或元器件获得一定的电压和电功率,进行能量转换。

开路(断路):电路中没有电流通过,又称为空载状态。

短路(捷路):负载或电源两端被电阻接近于零的导体直接接通。

二、电路图

电路图是一种用规定的图形符号、文字符号表示的电路,如图1-2所示。一个完整的电路图中包括支路、结点、回路等要素,如图1-3所示。

图1-2　图1-1对应的电路图

图1-3　电路图

(1)支路。一段没有分支的电路。

(2)结点。由三条或三条以上支路相汇合的点。

(3)回路。自电路中某一点出发,经过一周又回到该点的任意闭合路径。

电路图的表达方式有多种形式,图1-4所示为基本电路对应电路图的几种常见表示方法。

图1-4　电路图的几种表示方法

图1-5　部分电路图

三、欧姆定律

欧姆定律是反映电压、电流、电阻三者之间关系的基本定律。

(一)部分电路欧姆电路

只含有负载而不包含电源的一段电路称为部分电路,如图1-5所示。

在电阻一定的部分电路中,通过电阻的电流与施加于电阻上的电压成正比。也可以说成电路中的电流与电压成正比,而与电阻成反比。其数学表达式为

式中 I——电流,A;

U——电压,V;

R——电阻,Ω。

上述公式也可以写成

【例1-3】 有一电热器的电阻为44Ω,使用时的电流是5A,试求电压的供电电压。

解:　U=IR=5×44=220(V)

【例1-4】 已知一电阻两端所加电压为220V,测得电路中的电流为0.5A,求该电阻为多少欧姆?

解:　

(二)全电路欧姆定律

全电路是含有电源的闭合电路,如图1-6所示,包括用电器和导线等;电源内部的电路称为内电路,如发电机的线圈、电池内的溶液等。电源内部的电阻称为内电阻,简称内阻。电源外部的电路称外电路,外电路的电阻称为外电阻。

图1-6　全电路图(www.xing528.com)

全电路欧姆定律的内容是:闭合电路中的电流与整个回路的电动势成正比,与电路的总电阻(内电路电阻与外电路电阻之和)成反比,公式为

四、电阻的串联、并联

(一)串联电路

将几个电阻的首尾依次连接起来,中间没有分支,各电阻流过同一电流,这些电阻的连接称为串联,如图1-7所示。

图1-7　串联电路图

(a)电路图;(b)用等效电阻代替串联电阻

1.串联电路的特点

(1)流过各电阻的电流相同。

(2)电路总电压等于各电阻上的电压降之和,即U=U1+U2。

(3)电路总电阻(等效电阻)等于各电阻阻值之和,即R=R1+R2。

(4)各电阻上的电压与该电阻的阻值成正比。

(5)电路中消耗的功率等于各电阻上消耗的功率之和,即P=P1+P2。

(6)各电阻上消耗的功率与该电阻的阻值成正比。

2.电阻串联电路的应用

(1)获得较大阻值的电阻。若现在需要一个200Ω的电阻,但只有若干个100Ω的电阻,于是可以按如图1-8所示方法,将两个100Ω的电阻进行串联,从而获得阻值为200Ω的电阻。

(2)限制和调节电路中电流。如图1-9所示,在电路中串联一个限流电阻,可以实现对弧光灯的保护。除此之外,电动机在启动时的启动电流比正常工作时的电流要大许多倍,为限制启动电流,也常采用在电动机的启动电路中串联电阻的办法来进行启动。

图1-8　电阻串联获得更大阻值电阻

图1-9　限制和调节电路电流

(3)构成分压器,使同一电源提供不同电压,如图1-10所示。

当开关拨到a点时,电源将100V的电压全部提供给负载;当开关拨到b点时,电源提供75V的电压;在c点和d点分别提供50V和25V的电压。

(4)扩大电压表量程。当电压表的量程不能满足工作需要时,可用与表头串联一个分压电阻的方法来扩大其量程,如图1-11所示。

(二)并联电路

将几个电阻的头和尾分别接在一起,使之在电路中承受同一电压,这些电阻的连接称为并联,如图1-12所示。

图1-10　串联电阻分压器

图1-11　电阻串联扩大电压表量程

图1-12　并联电路图

(a)电路图;(b)用等效电阻代替并联电阻

1.并联电路的特点

(1)电路中各电阻上所承受的电压相同。

(2)电路中的总电流等于各电阻中电流之和,即I=I1+I2。

(3)电路中的总电阻(等效电阻)的倒数等于各电阻的倒数之和,即=。

2.电阻并联电路的应用

(1)凡是额定工作电压相同的负载都采用并联的工作方式。这样每个负载都是一个可独立控制的回路,任一负载的正常启动或关断都不影响其他负载的使用。

(2)获得较小阻值的电阻。

(3)扩大电流表的量程。

(三)混联电路

电路中既有相互串联的电阻,又有相互并联的电阻称为混联电路。分析混联电路时,应先合并串联或并联部分,逐步对电路进行等值简化,求出总的等效电阻,然后根据欧姆定律,由总电阻、总电压(或总电流),求出电路中的总电流(或总电压),最后再逐步推算各部分的电压和电流。