第2章：电压、电流和电阻

2.6 电路

2.6.1 电流的方向

电流方向有两种说法，一种按电子流动方向，另一种是传统的认为从正极流出到负极，这本教材采用传统电流方法。（事传统派，维新派输了，1！5！）

2.6.2 基本电路

一般说来，电路是由电压源、负载，以及电压源和负载之间的电流路径组成的。

电路原理图：可以用各元气器件的标准符号将电路表示为原理图。原理图以一种有组织的方式表示了一个给定电路各个元器件是如何相互连接的，从而可以分析电路的工作原理。

2.6.3

上图是一个闭合电路，即具有完整贿赂的电路，如果完整的回路被破坏，那么这个电路就是一个开路电路。

机械开关

开关通常用于控制电路的闭合或断开。

单刀单掷拔杆开关（SPST）

所谓“刀”是指开关机械结构中的活动臂，“刀”的数量决定了开关可以控制的独立电路的数量。所谓“掷”指的是一个“刀”可以闭合（不同时闭合）的触点数。

单刀双掷开关（SPDT）

双刀单掷开关（DPST）

双刀单掷开关允许同时闭合或断开两队触点。

虚线表示两接触臂再机械结构上是连接在一起的。因此它们可通过同一个开关动作来同步移动。

双刀双掷开关（DPDT）

双刀双掷开关提供两组中一个触点的链接。

按钮开关（PB）

如图所示的常开按钮开关（NOPB）中，当按钮被按下时，两个触点之间接通，当松开按钮时连接断开。

如图所示的常闭按钮开关（NCPB）中，当按钮被按下时，两个触点之间的连接断开，松开按钮时两触点重新接通。

旋钮开关

再旋钮开关中，一个触点和其他几个触点之间的连接是通过转动一个旋钮来实现的。一个简单的6挡旋钮开关如图所示。

半导体开关

在许多领域都使用晶体管作为开关，晶体管可用作单刀单掷开关的等效元器件。控制晶体管的状态就可以接通或断开电路。

• 双极型晶体管：双极型晶体管是由电流控制的，当某一特定端子有电流时，晶体管相当于闭合的开关；当该端子处没有电流时，晶体管相当于断开的开关。
• 场效应晶体管：场效应晶体管是由电压控制的，当某一特定端子上有电压时，晶体管相当于闭合的开关；当该端子上没有电压时，晶体管相当于断开的开关。

保护器件

熔断器和断路器用于在电路产生故障或其他异常情况导致电流超过规定的电流时断开电路。例如，一个20A的熔断器或断路器在电路中的电流超过20A时，就会断开电路。

熔断器和断路器的基本区别是，当熔断器“熔断”后，必须更换熔体，但当断路器断开时，它可以复位并重复使用。

熔断器可分为速动和延时两种常见类型。速动熔断器又称F型熔断器，延时熔断器又称T型熔断器。与典型的速动熔断器相比，延时熔断器能够承受更大、持续时间更长的电流冲击。

一般情况下，断路器通过电流的热效应或产生的磁场来检测是否超额定电流。

2.6.4 导线

导线是电器应用中最常见的导电材料。导线的直径各不相同，并根据规格标准进行编号。即美国线规（American Wire Gauge，AWG）。随着规格数字的增加，导线的直径越来越小。导线的尺寸根据其横截面积来确定，导线横截面积的计量单位是圆密耳（circular mil），缩写为CM。
1圆密耳指的是直径为0.001in(1in=0.0254m)的导线面积。将导线直径表示为以(1/1000)in(mil)为单位的形式，即0.001in = 5mil，那么，直径的平方就等于导线横截面积，即：
$$A=d^2$$

【注】in是英制单位，英寸。mil是长度单位，密耳。ft是英尺。

其中，$A$是导线横截面积，单位为圆密耳（CM）；$d$是导线直径，单位为mil.

下表列出了AWG中的导线尺寸及其对应的横截面积和电阻，其中，电阻单位是Ω/1000ft (1ft=0.3048m)，温度为20摄氏度：

AWG编号	横截面积（CM）	电阻值（Ω/1000ft ，20摄氏度）
0000	211 600	0.0490
000	167 810	0.0618
00	133 080	0.0780
0	105 530	0.0983
1	83 694	0.1240
2	66 373	0.1563
3	52 634	0.1970
4	41 742	0.2485
5	33 102	0.3133
6	26 250	0.3951
7	20 816	0.4982
8	16 509	0.6282
9	13 094	0.7921
10	10 381	0.9989
11	8234.0	1.260
12	6259.0	1.588
13	5178.4	2.003
14	4106.8	2.525
15	3256.7	3.184
16	2582.9	4.016
17	2048.2	5.064
18	1624.3	6.385
19	1288.1	8.501
20	1021.5	10.15
21	810.10	12.80
22	642.40	16.14
23	509.45	20.36
24	404.01	25.67
25	320.40	32.37
26	254.10	40.81
27	201.50	51.47
28	159.79	64.90
29	126.72	81.83
30	100.50	103.2
31	79.70	130.1
32	63.21	164.1
33	50.13	206.9
34	39.75	260.9
35	31.52	329.0
36	25.00	414.8
37	19.83	523.1
38	15.72	659.6
39	12.47	831.8
40	9.89	1049.0

【例】直径为0.005in的导线，其横截面积是多大？
【解】$d=0.005\mathrm{in}=5\mathrm{mil}$，故$A=d^2=5^2=25CM$

导线电阻

每种导电材料都有一个称为电阻率（即$\rho$)的特性。在给定温度下，美中材料的电阻率是一个常数。长度为$l$，横截面积为$A$的电阻计算公式为：
$$R=\frac{\rho l}{A}$$
电阻值与电阻率和长度成正比，与横截面积成反比，为了使计算出的电阻以Ω为单位，应取长度单位为英尺(ft)，横截面积的单位圆密耳（CM），电阻率的单位为$\mathrm{CM}\cdot \Omega /ft$

这是外国教材，所以用英制单位，但是在国际单位制中，电阻率的单位是Ω·m，常用单位还有Ω·mm²/m

【例】已知铜的电阻率为$10.37\mathrm{CM}\cdot \Omega /ft$，某段导线长100ft，横截面积为810.1CM，求该段导线的电阻值。
【解】$R=\frac{\rho l}{A}=\frac{10.37\mathrm{CM}\cdot \Omega /ft\times 100\mathrm{ft}}{810.1\mathrm{CM}}=1.280\Omega$

2.6.5 地

地是电路中的参考点。接地一次源于这样一个事实，电路中通常有一段导体与一根接入大地的8ft金属棒项链。今天，这种连接被称为接地。在家用电线中，地线通常为绿色导线或裸铜线。 为了安全起见，地线通常连接到金属配电箱或设备的金属底座上。
另一种地称为参考地，参考地通常是指电路中用来测量电压的一个公共点，某点的电压总是相对于另一点规定的，如果没有明确说明，则默认该点为参考地。参考地的电路定义了0V. 参考第可能与大地的电位完全不同，可以有很高的电位。参考地也被称为公共地，并记为COM或COMM，因为它代表着一个公共导体。
下图给出了3种接地符号：

a)既可以表示大地也可以表示参考地
b)表示设备底座接地
c)是一个备用的符号，通常在电路种有多个不同的公共连接（比如同一电路种的模拟地和数字地）时使用。

下图给出了一个简单的接地电路。

电流从12V电源的正极出发流过电灯,再通过地流回到电源的负极。因为所有接地点从电气角度而言都是同一个点，所以接地为电回电源提供了一条路径。电路正极相对地面的电压是+12V.

课后习题

（1）组成电路的基本元器件有哪些?
答：电路由电源、负载和电源与负载之间的载流通路组成
（2）什么是开路电路?
答：开路电源是指不具有完整电流通路的电路。
（3）什么是闭合电路?
答：闭合电路是指具有完整电流通路的电路
（4）熔断器和断路器的区别是什么?
答：熔断器开断后无法恢复，而断路器可以。
（5）对于 AWG3和AWG22,哪种导线的直径较大?
答：AWG3的直径更大。
（6）什么是电路中的地?
答：地是指电路中的某个公共点或参考点。