1.2　电路元件

1.2.1　电阻、电感和电容

（1）电阻元件

电阻元件简称电阻，是对电流呈现阻碍作用的耗能元件。线性电阻在电压与电流取关联参考方向下，流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，这是欧姆定律的基本内容。即

U=IR　　（1-5）

式中，R为电路中的电阻。

电阻的国际单位是欧姆（Ω）。当电路两端的电压为1V时，流过的电流是1A，则该段电路的电阻阻值为1Ω。

电阻的倒数（1/R），称为电导，用G表示，它的国际单位为西门子（S）。在电流、电压参考方向一致时，欧姆定律也可表示为

I=GU　　（1-6）

线性电阻元件的图形符号如图1-9所示，其伏安特性可采用实验的方法测得，它表示电阻两端的电压与流过电流的关系，以电压为横坐标，电流为纵坐标，线性电阻的特性是一条经过原点的直线，如图1-10所示。

线性电阻中消耗的功率和能量分别为

P=IU=I2R　　（1-7）

W=Pt=I2Rt　　（1-8）

可见，电能全部消耗在电阻上，并转化为热能。

知识拓展：电阻器的识别及简单测试

（1）电阻器的识别

当元件体积较小时，一般采用色标法。色标法是识别电阻器的普遍方法，是将电阻器的类别及主要技术参数用颜色（色环或色点）标注在它的外表面上。优点是：可以从任意角度一次性地读取代表电阻值的颜色信息；在元件弯制和安装时不必考虑阻值所标的位置。

色标法可以分为：色环法和色点法。其中，最常用的是色环法。色环电阻器可分为三环、四环、五环三种标法。电阻器色标意义见表1-1。

色标识别小口诀：棕红橙黄绿蓝紫灰白黑，一二三四五六七八九零。

①三环电阻　三环电阻的色环表示标称电阻值，允许误差均为±20％。例如，色环为棕黑红，表示10×102（1±20％）Ω的电阻器。

②四环电阻　四环电阻一般是碳膜电阻，用3个色环来表示阻值（前2个色环表示有效值，第3个色环表示倍率），第4个色环表示误差。

a.判断色环电阻的第一条色环的方法

Ⅰ.表示误差的色环比其他色环稍宽，并且离其他色环稍远。

Ⅱ.最后一环是误差环，一般是金色或银色。

b.色环电阻的识读方法

第一步：确定首尾（第一环）。

第二步：确定色环对应的数字，如图1-11所示。

第三步：参照公式计算阻值R=①②×10③（1±5％）。

第四步：读数，标称阻值+允许偏差。

第五步：用万用表测量实际值，若与标称阻值接近，说明识读正确。

例如：四环电阻器的颜色排列为棕黑黄金，则标称阻值、允许误差为100kΩ±5％，万用表电阻挡选择×10k；颜色排列为绿棕黑金，则标称阻值、允许误差为51Ω±5％，万用表电阻挡选择×10。

③五环电阻　五环电阻一般是金属膜电阻，为了更好地表示精度，用4个色环表示阻值（前3个色环表示有效值，第4个色环表示倍率），第5个色环表示误差。因此五环电阻的识别方法与四环电阻相同，只是比四环电阻多一位有效数字。

例如：五环电阻器的颜色排列为橙白黑橙棕，则标称阻值、允许误差为390kΩ±1％；颜色排列为紫绿黑黑棕，则标称阻值、允许误差为750Ω±1％。

（2）电阻器的简单测试

步骤如下：

①用指针式万用表检测时，为提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择挡位。由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20％～80％弧度范围内，以使测量更准确。一般100Ω以下电阻器可选×1挡，100～1000Ω的电阻器可选×10挡，1～10kΩ的电阻器可选×100挡，10～100kΩ的电阻器可选×1k挡，100kΩ以上的电阻器可选×10k挡。

②测量挡位选择后，对万用表电阻挡位进行校零，校零的方法是：将万用表两表笔金属棒短接，如果指针不在“0”位置，则调整调零旋钮，使表针指向电阻刻度的“0”位置。

③将两表笔分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值，电阻值=刻度值×倍率。如果表针不动、指示不稳定或指示值与电阻器上的标示值相差很大，则说明该电阻器已损坏。

注意：测试时，人手不要触及表笔和电阻的导电部分；被检测的电阻若在电路中，至少要焊开一端，以免电路中的其他元件对测试产生影响；色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，但在使用时最好还是用万用表测试一下其实际阻值。

（2）电感元件

电感元件简称电感，简易的电感由导线绕制的线圈构成。在电路图中用字母“L”表示，其图形符号如图1-12所示。

当电压、电流为关联参考方向时，线性电感元件的特性方程为

式中，L称为线圈的电感，也称自感，它是电感元件的主要参数，单位为亨利（H）。

任意时刻，线性电感元件的电压与该时刻电流的变化率成正比。显然，对于直流电路，电流不随时间变化而变化，即，所以，u=0，相当于电感对直流短路；而对于交流电路，电压随时间变化而变化，因而具有一定的数值，产生了电压降。所以电感元件有通直流阻交流的作用。

在u、i关联参考方向下，线性电感元件吸收的功率为

在0～t时间内，电感元件储存的磁场能量为

式（1-11）表明，当电感元件中的电流增大时，磁场能量增大，此过程为电感元件从电源取用电能，并转化为磁能形式储存；当电感元件中的电流减小时，磁场能量减小，此过程为电感元件释放其磁能，存储和释放的磁能为。

可见，电感元件是一个储能元件，本身不损耗能量，只对电流的变化起阻碍作用。

知识拓展：电感线圈识别及简单测试

（1）电感线圈的识别

①直标法　直标法是将电感的标称电感量用数字和文字符号直接标在电感体上，电感量单位后面的字母表示偏差。

②文字符号法　文字符号法是将电感的标称值和偏差值用数字和字母按一定的规律组合标示在电感体上。采用文字符号法表示的电感通常是一些小功率电感，单位为μH（微亨）或nH（纳亨）。

用μH作单位时，“R”表示小数点；用nH作单位时，“N”表示小数点。

③色标法　电感器的色标法多采用色环表示法。色环表示法与电阻器类似，是在电感器表面涂上不同颜色的色环来代表电感量，通常用三个或四个色环表示。识别色环时，紧靠电感体一端的色环为第一环，露出电感体本色较多的另一端为末环。色环电感识别方法与电阻相同。

注意：用这种方法读出的色环电感量，默认单位为微亨（μH）。

④数码表示法　数码表示法是用三位数字来表示电感量的方法，常用于贴片电感上。三位数字中，从左至右的第一、第二位为有效数字，第三位数字表示有效数字后面所加“0”的个数。

注意：用这种方法读出的电感量，默认单位也是微亨（μH）。如果电感量中有小数点，则用“R”表示，并占一位有效数字。

（2）电感线圈的简单测试

电感线圈的精确测量要借助专用电子仪表。在不具备专用仪表时，可以用万用表测量电感线圈的电阻来大致判断其好坏。

①外观检查　检测电感时先进行外观检查、看线圈有无松散、引脚有无折断、线圈是否烧毁或万用表是否有烧焦痕迹等。若无上述现象，则可以用万用表电阻法进一步检测电感线圈的好坏。

②万用表电阻法检测　万用表电阻法检测就是用万用表的欧姆挡测线圈的直流电阻。电感的直流电阻值一般很小，匝数多、线径细的线圈能达几十欧；对于有抽头的线圈，各引脚之间的阻值均很小，仅有几欧姆。若用万用表×1挡测线圈的直流电阻，阻值无穷大，说明线圈已经开路损坏；阻值为零，说明线圈完全短路。

（3）电容元件

电容元件简称电容，在电路图中用字母“C”表示，其图形符号如图1-13所示。

当电压、电流为关联参考方向时，线性电容元件的特性方程为

式中，C称为电容，单位为法拉（F）。

显然，对于直流电路，电压不随时间变化而变化，即，相当于断路；而对于交流电路，电压随时间变化而变化，不为零，反而形成电流。所以电容元件具有隔直流通交流的作用。

在u、i关联参考方向下，线性电容元件吸收的功率为

在0～t时间内，电容元件储存的电场能量为

由式（1-14）可看出，电容元件上的电压增大，则电场能量增加，此过程为电容器储能过程；电容元件上的电压减小时，则电场能量减少，此过程为电容器放能过程。由于电容元件的电压变化时，要引起电流的变化，因此电流的变化，也与电容充放电有关，这是同一物理过程。

知识拓展：电容器识别及简单测试

（1）电容器的识别

①直标法　直标法是将电容器的主要参数（标称容量、额定电压及允许偏差）直接标注在电容器上。一般容量大的电容器，其容量值在电容器上直接标明。

②文字符号法　文字符号法是用2～4位数字表示有效值，用m、μ、n、P等字母表示有效值后面的量级。进口电容器在标注数值时不用小数点，而是将整数部分写在字母之前，将小数部分写在字母后面。如4P7表示4.7pF，3m3表示3300μF，1m表示1000μF，1P2表示1.2pF，1n表示1000pF等。

③数字表示法　数字表示法是指标数字不标单位的直接表示法。采用此种方法的单位仅限于μF和pF两种，一般无极性电容默认单位为pF，电解电容默认单位为μF。

④数码标注法　数码标注法一般用三位数字表示容量大小，前两位表示标称容量的有效数字，第三位表示有效数字后面零的个数。即电容器的标称容量值=两位有效数字×10n，n为第三位数字，单位为pF。若第三位数字是9，则乘10-1。

例如：102表示10×102pF=1000pF；224表示22×104pF=0.22μF；339表示33×10-1pF=3.3pF。

⑤色码表示法　色码表示法指用不同颜色的色环表示电容器主要参数的表示方法。在小型电容器上用得比较多。电容器读色码的顺序为：从元件的顶部向引脚方向读，即顶部为第一环，靠引脚的是最后一环。第一、二种色环代表电容量的有效数字，第三种色环表示有效数字后面零的个数，其单位为pF。

色环颜色的规定与电阻器色标法相同。

（2）电容器的简单测试

①电解电容器的简单测试　一般选用万用表的欧姆挡（×1k），测量电解电容器的绝缘阻值，红表笔接电容负极，黑表笔接电容正极，迅速观察万用表指针偏转状况。测量时，如果表针首先向右偏转，然后慢慢地向左偏转，并稳定在几百千欧以上的阻值，则被测电容器是好的；如果万用表的指针没有向右偏转的现象，则说明该电容器的电解液已干涸不能使用了；如果万用表的指针有向右偏转到很小的数字，甚至为“0”，且指针没有向左偏转的现象，则说明该电容器已被击穿损坏；如果万用表的指针向右偏转，然后指针慢慢向左偏转，但最后稳定的数字在几百千欧以下，则说明电容器有漏电现象发生，一般也不能使用了。

②可变电容器的简单测试

a.用手轻轻旋动转轴，应感觉十分平滑，不应感觉时松时紧，甚至有卡滞现象。

b.用一只手旋动转轴，另一只手轻摸动片组的外缘，不应感觉有任何松脱现象。

c.将万用表置于×10k挡，一只手将两个表笔分别接可变电容器的动片和定片的引出端，另一只手将转轴缓缓旋动几个来回，万用表指针都应在无穷大位置不动。在旋动转轴的过程中，如果指针有时指向零，说明动片和定片之间存在短路点；如果转到某一角度，万用表读数出现一定阻值，说明可变电容器动片与定片之间存在漏电现象。

③固定电容的简单测试　一般固定电容器容量较小，用万用表进行测量，只能定性地检查其是否有漏电，内部短路或击穿现象。测量时，可选用万用表×10k挡，用两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。若测出阻值为零，则说明电容漏电损坏或内部击穿。

1.2.2　电源

如前所述，电路中除负载外，还必须有能够提供电能的元件，即电源。在实际应用中，电源的种类有很多，如干电池、蓄电池、发电机以及信号源等。在诸多电源中，有一类电源的电压或电流不受外电路影响而独立存在，称为独立源。根据独立源在电路中表现的是电压还是电流，可分成电压源和电流源。在电路分析中，建立电压源和电流源的电路模型，即理想电压源和理想电流源。

（1）理想电压源

理想电压源简称电压源，其端电压恒定或者按照某一固有的函数规律随时间变化，与其流过的电流无关。

理想电压源的符号如图1-14所示，通常用US表示，其伏安特性是一条不通过原点且与电流轴平行的直线，其端电压不随电流变化，如图1-15所示。

电压源的伏安特性表明：无论流过理想电压源的电流大小、方向如何，其两端的电压始终是US。

（2）理想电流源

理想电流源简称电流源，其电流恒定或者按照某一固有的函数规律随时间变化，与其端电压无关。

理想电流源的符号如图1-16所示，箭头的方向为电流源电流的参考方向，其伏安特性是一条与电压轴平行的直线，如图1-17所示。

电流源的伏安特性表明：无论流过理想电流源的电压是正是负、是大是小，其输出的电流始终是IS。

1.2.3　电气设备的额定值

额定值是根据绝缘材料在正常寿命下的允许温升，且考虑电气设备在长期连续运行或规定的工作状态下允许的最大值，同时兼顾可靠性、经济效益等因素规定的电气设备的最佳工作状态。额定值标注在电气设备的铭牌上。

在使用电气设备时，必须严格遵守额定值的规定。如果电流超过额定值过多或时间过长，则导线发热、温升过高会引起电气设备绝缘材料损坏；若电压超过额定值，绝缘材料也可能被击穿。当设备在低于额定值工作时，其工作效能得不到充分发挥，不仅缩短使用寿命而且容易损毁设备。只有按照额定值使用才最安全可靠、经济合理。所以使用电气设备之前必须仔细阅读其铭牌和说明书。例如某白炽灯的电压为220V，功率为60W，这表示该灯泡在正常使用时，只有接在220V的电源上，确保其功率为60W，才能保证正常使用寿命。

本书额定值用表示物理量的文字符号加下标“N”表示，例如额定电压UN和额定电流IN。由于某些额定值间有着某种确定的、简单的数学关系，因此某些设备的额定值并不一定全部标出。例如电阻上常标出其阻值和额定功率，额定电流可由关系得出。