第九章 A 简单串联、并联组合电路

导学

通过本章学习，你将知道：

• 电流是怎样产生的？
• 串联、并联组合电路有什么特点？
• 怎样用多用电表测电阻、电压和电流？
• 逻辑电路如何运用？
• 机器人是怎样工作的？

大约 40 亿年前，当地球上还没有任何生命时，强烈的闪电就已在空中闪烁。随着生命的形成、演化，电信号变成生物体内重要的一部分，它是神经信号的基本成分。例如，眼睛接收光线会转变为微弱的电信号，再经由神经传到脑和身体的其他部位。人类的感知、思考和动作，都要依赖穿梭在脑神经网络中无数微弱的电信号。

1780 年，意大利生物学家伽伐尼偶然发现：用铜钩将蛙腿钩住，挂在阳台铁栏杆上时，蛙腿肌肉就会发生痉挛（图 9-1）。这个发现促使意大利科学家伏打发明了著名的伏打电堆（图 9-2），从而使电学的研究和应用从静电领域发展到电流领域，拉开了人类大规模利用电流的序幕。

现代生活中各种各样的电气化、自动化的用电设备都离不开电路系统。

如图 9-3 所示，取一个苹果，在苹果上插入铜片和锌片，用导线连接到电流表上，观察电表的指针是否发生偏转。若用导线连接到微型电动机上，又会发生什么情况？

在过去的 200 多年里，科学家逐渐揭开了电的神秘面纱，科学家和工程师发明了各式各样的电气元件和设备，将电变成了人类的忠实朋友。今天我们开亮一盏灯、给朋友打个电话或看电视节目都已成为平常的事。如果我们的生活中没有了电，又将会是怎样的一种景象呢？现代生活、生产和科学研究已经与电密不可分了。通过本节的学习，我们将对电流有进一步的认识。

大家谈

电灯为什么会发光呢？电流是怎样形成的？一般由哪几个部分组成？

自主活动

我们在初中阶段已经学过一些关于电路的知识，请在表 1 内填出你已经知道的有关电路的知识，并进行交流。

用导线把用电器、电源和开关连接起来就组成了一个闭合的电路。电源是一种把其他形式的能转化为电能的装置。用电器要工作，必须给用电器加上电压，使用电器上有电流流过。

电流是怎样形成的？

从微观角度看，导体里充满了可以自由移动的电荷，在没有外加电压时，导体内部的自由电荷杂乱无章地向各个方向做热运动；当在导体两端加上电压后，在导体里就形成了一个电场，由于电场力的作用，自由电荷在做热运动的同时，发生定向移动，从而形成了电流（图 9-5）。在金属导体内的自由电荷是电子。

我们规定正电荷移动的方向为电流的方向。电流的符号是 I，单位是 A。

如果在 1 s 内通过导体横截面的电荷量大小为 1 C（大约有 6.25×10¹⁸ 个电子），那么通过导体的电流大小就是 1 A。即

1 A＝1 C/s。

1．电流的形成

自由电荷在外加电场作用下定向移动，就形成电流。

STS

自主活动

1．如图 9-6（a）所示，把两个“2.5 V  0.4 A”的小灯泡串联后，接在由两节干电池组成的电源两端，观察小灯泡的发光情况。

2．如图 9-6（b）所示，把两个“2.5 V  0.4 A”的小灯泡并联后，接在由两节干电池组成的电源两端，观察小灯泡的发光情况。

在初中我们学过，通过某一电阻的电流和加在这个电阻两端的电压成正比，这就是欧姆定律，即 I ＝ $\frac{U}{R}$。

2．串联电路和并联电路的特点

串联电路中电流处处相等，总电压是各部分电压的和。

并联电路中干路中的总电流是各分路的电流之和，而各分路两端的电压是相等的。

拓展联想

电阻定律

在一定温度下，某个电阻的大小是固定的，与电阻的材料、长度和横截面积有关，满足 R ＝ ρ$\frac{l}{S}$这个关系式（式中 ρ 是表示导体的导电性能的物理量，叫做电阻率；l 和 S 分别为导线的长度和横截面积），这个规律叫做电阻定律。

什么是串联、并联组合电路？

图 9-7 所示是一个示教电路板，上面有三个灯泡和三个开关，它们通过串联和并联组合的方式，构成了一个比较复杂的电路。我们把用电器用串联和并联的方式组合起来，形成的电路叫做串联、并联组合电路。大部分实用的电路都是采用组合电路的方式连接的。

3．串联、并联组合电路

【示例】如果要把三个阻值都为 R 的电阻连接到电压为U的电源上，使每个电阻都有电流通过，可以设计几种不同的连接方法？通过计算分别求出三个电阻两端的电压、流过各个电阻的电流大小。

分析：这个问题应该有多种连接方法：三个电阻串联、三个电阻并联和组合连接等。在计算每个电阻两端的电压和流过的电流时，要充分利用串联、并联电路电压、电流的基本关系来解决问题。

解答：一般来说，三个电阻按照不同组合可以形成如图 9-8 所示的四种连接方式。

图（a）所示是一个并联电路，每个电阻两端电压都为 U，通过的电流为 $\frac{U}{R}$。

图（b）所示是一个串联电路，每个电阻两湍电压都为 $\frac{U}{3}$，通过的电流为 $\frac{U}{3R}$。

图（c）所示是一个组合电路，电阻 R₂、R₃ 先并联，再和第三个电阻 R₁ 串联。它可以等效为一个阻值为 R 的电阻和一个阻值为 $\frac{R}{2}$ 的电阻串联，电路总电阻为 $\frac{3R}{2}$。因此，干路中的电流为 $\frac{2U}{3R}$，R₁ 的电压为 $\frac{2U}{3}$；R₂、R₃ 的电压为$\frac{U}{3}$，通过 R₂、R₃ 的电流分别为$\frac{U}{3R}$。

图（d）所示也是一个组合电路，电阻 R₂、R₃ 先串联，再和第三个电阻 R₁ 并联。它可以等效为一个阻值为 R 的电阻和一个阻值为 2R 的电阻并联，电路总电阻为 $\frac{2R}{3}$。因此，干路中的电流为$\frac{3U}{2R}$，R₁ 的电压为 U，电流为 $\frac{U}{R}$；R₂、R₃ 的的总电压为 U，通过 R₂、R₃ 的电流均为 $\frac{U}{2R}$，每个电阻上的电压为 $\frac{U}{2}$。

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等效电路

示例中图 9-8（c）和图 9-8（d）所示是最简单的两种组合电路。在处理简单组合电路时，可以把电路按照不同的层次等效为简单的串联和并联电路，然后按照串联和并联的电压、电流的分配规律来解决问题。这种等效电路的处理方法在电路学习中是非常有用的。

发布时间：2016/10/8 下午9:47:42  阅读次数：1568