直流电路
直流电路（direct current circuit，dc circuit），又称直流电阻电路，是指电路中的电流大小和方向均不随时间发生变化的电路。
1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特制成了世界上最早的电池——伏打电堆，它成为第一个能产生稳定、持续电流的装置。1820年，法国化学家安德烈·安培建立了安培定律，奠定了电磁理论的基础。后来，英国物理学家迈克尔·法拉第先后建立了世界上第一台电机和世界上第一台真正意义上的电机——法拉第圆盘发电机。1832年，法国的仪器制造商皮克西研制出一种安装了两个线圈的手摇直流发电机。一年后，他在发电机上安装整流子，将交流电变为直流电。直流电路主要由电源、电阻、开关等元件构成，常用电阻R、电流I、电动势E、端电压U来描述，其电压和电流的方向有实际方向和参考方向之分。直流电路的基本原理有欧姆定律、基尔霍夫定律等，常见的分析方法主要包括支路电流法、节点电压法、电源等效变换法等，还可以利用叠加原理、等效电源定理进行求解。
直流电路主要应用于各种电子仪器、电解、电镀、直流电力拖动等方面。直流电的最大优势是简单易行，也常用于输电环节。
定义
直流电路是从电路中电流的大小和方向是否改变的角度划分的类别，它由直流电源供电，由恒压源、恒流源和电阻器任意组合组成。具体而言，直流是指方向和量值不随时间变化的电流；电路是电流通过的路径，是各种电气设备或元件按一定方式连接起来的统称。从广义上来说，电路的结构形式和所能完成的任务多种多样，包括日常生活中使用的用电设备，工、农业生产中用到的各种生产机械的电器控制部分及计算机、各种测试仪表等。下图所示的手电筒电路是最简单的直流电路。
结合手电筒电路来理解直流电路，手电筒一般由电池、筒体、筒体开关和小灯泡组成。筒体是联接设备，它将电池、筒体开关和小灯泡联接便构成手电筒。在手电筒电路中，电池电压能在一段时间之内保持不变，灯泡将电池在灯泡中产生的电流转换为光能，该电路在一段时间内电流大小和方向均不随时间发生变化，故为直流电路。
在直流电路中，电源（如电池、电容器等）有正、负端，负载也有正、负端。正电荷需要从电源流向负载以完成电路。电荷将返回到负载的负极端子，又流回电池的负极端子，从而完成电路。如果正极或负极端子断开，电路将不完整，电荷将不会流动。在部分直流电路应用中，极性并不重要，即正负极接反，电路仍然完整，负载仍然正常工作。然而，在大多数直流应用中，极性很重要，反接电路将导致负载无法正常工作。
历史沿革
1800年，意大利物理学家亚历山德罗·伏特根据电鳐放电的原理，制成了世界上最早的电池——伏打电堆。伏打堆一端带正电，另一端带负电，是第一个能产生稳定、持续电流的装置。1820年，丹麦物理学家汉斯·奥斯特发现了电流磁效应，揭示了电磁相互联系的客观事实，打开了物理学新领域——电磁学的大门。随后，法国化学家安德烈·安培推测，电流沿一个方向从正极流向负极。安培为建立电流间的作用定律而进行实验研究，通过总结电流在磁场中所受机械力的情况建立了安培定律，奠定了电磁理论的基础。
1821年9月，英国物理学家迈克尔·法拉第发现通电的导线能绕永久磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型，被认为是世界上第一台电机。1822年，法国的阿拉戈·盖·吕萨克发明电磁铁，即用电流通过绕线的方法使其中铁块磁化。1831年，法拉第发现电磁感应现象后不久，他利用电磁感应发明了世界上第一台真正意义上的电机——法拉第圆盘发电机。1832年，法国的仪器制造商皮克西根据法拉第发现的电磁感应原理，成功研制了一种安装了两个线圈的手摇直流发电机。一年后，他在发电机上安装整流子，将交流电变为直流电。
在电力传输上，1947年，美国贝尔实验室研制出世界上首个晶体管，可方便地应用于增高和降低电压，特别是对平稳的直流电犹为便利，大大降低了输电成本。19世纪80年代以后，由于不便于将直流电由低电压升高至高电压以进行远距离传输，直流电输电曾让位于交流电。20世纪60年代以来，由于采用高电压大功率变流器将直流电变为交流电，直流输电系统重新受到重视并获得新的发展。自20世纪70年代出现后，高压直流输电工程的电压和容量等级也不断提高，成为长距离输电的有效手段。
相关概念
直流电路中电流的大小和方向均不会发生变化，相关概念有直流电、端电压、电动势、电功率等，理解电压、电流的方向（或称为极性）是分析直流电路的基础。
直流
在直流电路中，习惯上规定：正电荷运动的方向或负电荷运动的相反方向为电流的实际方向。电流的单位是安培（A），微小电流以毫安（mA）或微安（μA）为计量单位。直流电流是指方向不随时间变化的电流，其中大小和方向都不随时间变化的电流称为稳恒直流或恒定电流，简称直流（direct current），记为DC或dc，直流电流要用大写字母I表示。
电压
电压又称“电压”，是指电路中两点 A、B 之间的电位差，其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。在国际单位制中，电压的单位是伏特（V），微小电压以毫伏（mV）或微伏（μV）为计量单位。其中大小及方向都不随时间变化的电压，称之为稳恒电压或恒定电压，简称直流电 压，用大写字母U表示。
电动势
电动势，是指正极增加的电能。其定义为：电源内部，外力将单位正电荷由负极移到正极所做的功，用US或E表示。 电动势的单位与电压相同，即为伏[特](V)。电源电动势的方向规定为在电源内部由低电位端（“-”极）指向高电位端（“+”极），即为电位升高的方向。
电源
在外电路中，电流的方向（正电荷移动的方向）是从高电位流向低电位。为了维持电路中的电流，必须有一种外力源源不断地把正电荷从低电位移到高电位。电源是提供这种外力的装置。电源电动势是反映这种外力大小的参数即为电源的电动势，它是电源本身的特征量，与外电路无关。
对电源来说，既有电动势，又有端电压。电动势只存在于电源内部，方向由负极指向正极；而端电压只存在于电源外部，其方向由正极指向负极。一般情况下，电源的端电压总是低于电源内部的电动势，只有当电源开路或者电源的内阻忽略不计时，电源的端电压才与其电动势相等。端电压的方向规定为高电位端（即“+”极）指向低电位端（即“-”极），即为电位降低的方向。端电压的实际方向，即U方向，是电位降低方向，也是电流的实际流向方向。电压U的参考方向与实际方向一致，所以U为正值；电压U'的参考方向与实际方向不一致，U'为负值。
电功率
电功率，简称功率，是指单位时间(t)内，电路或元件上吸收（或释放）的能量，它用p表示。即
也可表示为
在直流电路中，表示为
在国际单位制(SI)中，电功率的单位为瓦[特](W)，1瓦=1焦/秒(1W=1J/s)。其常用的单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)、微瓦(μW)。电能的基本单位是焦耳(J)，常用千瓦·小时(kW·h)来表示。1千瓦·小时俗称1度电（“度”为非法定单位）。 若元件上的电压、电流实际方向一致，则该元件吸收功率，是负载；若元件上的电压电流实际方向相反，则该元件产生功率，是电源。或者取U、I为关联参考方向，若 P=UI\u003e0，则元件吸收功率；若P=UI\u003c0，则元件发出功率。
相关定律
直流电路分析的基本依据是电路的基本定律，即欧姆定律和基尔霍夫定律。此外，还有电荷守恒定律、直流电路的三个分配关系等定律在直流电路分析中具有一定重要性。
欧姆定律
欧姆定律是反映电路中电流变化规律的基本实验定律，具体内容为导体两端的电压U等于通过导体的电流I与导体电阻R的乘积，即U=IR。欧姆定律的微分形式是导体中一点的电流密度j，等于该点的电导率σ乘以该点的电场强度E，即j=σE 。
直流电路中，若取关联方向，欧姆定律则可表示为
或或
若取非关联方向（电阻元件上的电压与电流的参考方向相反），上式中等号右边应加负号“-”。
（资料来源：）
基尔霍夫定律
基尔霍夫电路定律是解恒定电流电路问题的理论基础，是电路中节点上的电流和回路中的电压所满足的普遍规律。基尔霍夫定律包括第一定律和第二定律。
第一定律
第一定律，也称基尔霍夫电流定律（Kirchhoff’s current law），简记为KCL。基尔霍夫电流定律反映的是电路中各处的电流关系。根据电流连续性原理，在直流电路中，从一个地方流入多少电流，必定同时从这个地方流出多少电流。其具体内容为：在任一瞬间，流入电路中任一节点的电流的总和必等于流出该节点的电流的总和。
在集总参数电路中，对任意节点，在任意时刻流出（或流入）该节点的电流的代数和等于零，即
第二定律
第二定律又称基尔霍夫电压定律（Kirchhoff’s 电压 law），简记为KVL。基尔霍夫电压定律反映的是电路中各部分之间的电压关系，它的内容为：在任一瞬间，沿电路中的任一回路绕行一周，在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和。
在集总参数电路中，对任意回路，在任意时刻，所有支路电压的代数和恒等于零，即
（资料来源：）
电荷守恒定律
电荷守恒定律是自然界重要的基本规律之一。电荷守恒定律是指静电感应过程中导体中的自由电荷只是从导体的一部分转移到另一部分。其更普遍的表述是：一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。大量实验事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。在一定条件下，带电粒子可以产生或湮没。不过在这些情况下，带电粒子总是成对产生或湮没的，两个粒子带电数量相等但电性相反，而光子又不带电，所以电荷的代数和仍然不变。
在直流电路中，电荷的定向运动就是电流。其中自由电荷的分布不会随时间变化，所产生的电场也不随时间变化。这电场保证了电流，而且电流既是电荷的运动，它本身满足电荷守恒定律。
三个分配关系
直流电路中各处电荷的分布是稳定的，任何位置的电荷都不可能减少或增多。所以它在串、并联电路中的电流、电压和电阻有不同的分配关系。
串、并联电路中的电流
在串联电路中，电路中各处的电荷分布保持不变，相同时间内通过各点的电荷量必然相等。因此，串联电路中的电流处处相等，即
在并联电路中，只有在相同时间内流过干路0点的电荷量等于进入各支路各点的电荷量之和，才能保证电路各处的电荷量的分布保持不变。因此，并联电路的总电流等于各支路电流之和，即
串、并联电路中的电压
串联电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和，即
并联电路的总电压与各支路电压相等，即
串、并联电路中的电阻
n个电阻串联起来接到电路里，作为一个整体，它相当于一个电阻R，通过它们的总电阻等于各部分电路电阻之和，即
n个电阻并联接到电路里，作为一个整体，它相当于一个电阻R，通过它们的总电流/等于通过n个电阻的电流之和，即
（资料来源：）
主要特点
直流电路的最大优势是简单易行，其特点主要有以下方面：
造价低
对于架空线路，交流输电通常采用3根导线，而直流单极只需1根，双极只需两根，更为经济，因此采用直流电缆的大城市越来越多。
损耗小
直流线路没有无功损耗。而且直流架空线路没有“趋肤效应”（交变电流通过导体时，电流集中在导体表面流过的效应），其电晕损耗（由气体介质造成的损耗）和无线电干扰，均比交流架空线路要小。
运行稳定
直流本身带有调制功能，可根据系统的要求作出反应，电网运行更稳定。但是，直流输电还存在如直流断路器复杂、庞大等的技术问题。
相关电路
实际电路种类繁多，形式和结构各不相同，除直流电路外，相关电路还有交流电路和串联电路、并联电路等。
交流电路
交流电路，是指电源的电动势随时间作周期性变化，使得电路中的电压、电流也随时间作周期性变化。电流的大小及方向均随时间变化，称之为变动电流。对电路分析来说，正弦交流电流是一种较为重要的变动电流，其大小及方向均随时间按正弦规律做周期做变化，将之简称为交流（alternating current）。下图为最简单的交流电路（照明电路）实物示意图，它由交流发电机、灯和开关、导线组成。
串联电路
串联电路，是指整个电路串在一起，其电流只有一条通道，如装饰用的串联彩灯。串联电路中，只要有某一处断开，整个电路就成为断路，即所相串联的电子元件不能正常工作。串联电路有以下特点：
并联电路
并联电路，是指电器各元件并列连接在电路的两点间，并联中电流有很多通道且干路电流等于支路电流之和，如家庭中的电灯、电风扇、电冰箱、电视机等用电器。并联电路中，电路会在导线的岔口处分开，前提是每个导线中都有用电器，然后点流多个导线会和处回合。并联电路有以下特点：
常用分析方法
对于直流电路的分析方法通常是根据已知电路的结构和参数，求解电路中的基本物理量，主要包括以下几种：
支路电流法
支路电流法以支路电流作为电路中的未知量，利用元件的伏安关系将元件电压表示成支路电流的函数，根据KCL和KVL分别对节点和回路列出关于支路电流的线性方程组，联立求解，得到各支路电流。如果电路参数已知，且有n个节点，b条支路，可以列写n-1个独立的KCL方程，b-n+1个独立的KVL方程，联立b个方程求解。利用支路电流法分析电路的步骤具体如下：①标出各支路电流参考方向。②列出电路中独立的KCL方程。若电路中有n个节点，可以列出n个节点的KCL方程，但只有（n-1）个方程是独立的，第n个节点的KCL方程可以从其他（n-1）个方程中推导出来。③选取独立回路，列出电路中独立的KVL方程。在平面电路中，通常选择网孔作为独立回路列出KVL方程，当电路中有b条支路时，可以选出b-（n-1）个网孔列出回路电压方程。④联立上述方程，为b元一次方程组。求解该方程组，即得各支路电流。
节点电压法
在电路中任选一个节点作为参考点，令其电位为零，在电路图中用“⊥”标记。其余节点到参考点之间的电压称为节点电压。各节点电压的参考极性均以参考节点为“-”极。节点电压法以节点电压为电路的变量，对独立节点列写KCL方程（用节点电压表示相关的支路电流）。如果电路中只有两个节点，选取其中任一节点作为参考节点，则电路中的节点电压为另一个节点到参考节点之间的电压，其大小为
式中，分母部分是与非参考节点相连的所有电阻支路的电阻的倒数之和，分母中的各项总为正值。分子中的各项为与非参考节点相连的电源支路引起的流入节点的电流，可正可负，当电压源电压的方向与节点电压方向一致时为正，相反为负；当电流源电流流入节点时为正，流出节点时为负。
电源等效变换法
从外电路的角度来看，电压源和电流源能够向外电路提供相同的电压和电流，对外电路而言，存在等效变换的条件。在等效变换时，电源大小满足：E=ISR0。特别要注意电压源和电流源之间方向的对应。
1.电压源与电流源的等效变换
一个实际的电源，其端电压往往随着它的电流变化而发生变化。例如，当电池接上负载以后，其端电压就会降低。这是因为电源内部有电能的消耗，即有电阻存在。所以可以采用下图所示的电路模型，即用一个电阻与理想电压源的串联组合来表示。通常，把实际电压源简称为电压源，电阻R0称为电源的内阻。
电压源的伏安特性（也称为外特性）是指其输出的电压U和输出电流I的关系，即U=E-IR0
下图为电压源的外特性曲线。随着负载电流的增大，电源的端电压在下降。这是因为电流越大，内阻上的压降也越大。
为了保持变换前后输出端的特性一致，电动势E的方向应与恒流源IS的方向一致，也就是说IS的方向是从E的“-”端指向“+”端的，如下图所示。
需要强调的是：①电压源和电流源的等效关系是只对外电路而言的，对电源内部则不等效。因为在变换前、后，两种电源内部的电压、电流和功率等都不相同。②恒压源和恒流源之间不能进行等效变换，因为它们有完全不同的外部特性，故两者之间不存在等效变换的条件。
2.用电压源、电流源等效变换的方法分析电路
根据基尔霍夫定律，串联的恒压源可以合并，并联的恒流源可以合并。所以当电路中存在着多个电源时，可通过将电源变换、合并的方法简化电路。使用电源等效变换的方法分析电路时，应注意所求支路不得参与变换。在使用电源等效变换的方法分析电路时还应注意，与恒压源并联的元件对外电路不起作用，与恒流源串联的元件对外电路也不起作用，在计算外电路时可以将它们去掉（但计算电源内部的各物理量时不能去掉）。
利用叠加原理求解
叠加原理是线性电路的重要性质之一。它指出在多个电源共同作用的线性电路中，各支路的电流（或电压）是各电源单独作用时在该支路上产生的电流（或电压）的代数和。应用叠加原理求解电路的步骤如下：①在原电路中标出所求量（总量）的参考方向。②画出各电源单独作用时的电路，并标明各分量的参考方向。③分别计算各分量。④将各分量叠加。若分量与总量的参考方向一致则取正，否则取负。⑤将各分量数值代入，计算结果。
应用叠加原理时应注意以下4点：①叠加原理只适用于线性电路，不适用于非线性电路。②电路中只有一个电源单独作用，就是假设将其余电源作为零值处理，即理想电压源短路，电动势为零，理想电流源开路，电流值为零，但电源内阻一定要保留。③将各分量叠加时，若分量与总量的参考方向一致则取正，否则取负值。④叠加原理只适用于电压电流的计算，不适用于功率的计算，因为功率和电流之间不是线性关系。叠加原理作为电路的一种分析方法，当电路中电源个数多，结构复杂时，显得烦琐费时。但作为处理线性电路的一个普遍适用的规律，叠加原理有助于对线性电路性质的理解，可以用来推导其他定理，简化处理更复杂的电路。
利用等效电源定理
一般来说，凡具有两个接线端的部分电路，都称为二端网络。若二端网络内部含有独立电源，则称为有源二端网络；若内部不含独立电源，则称为无源二端网络。通常，一个无源二端网络可以等效为一个电阻。而有源二端网络不仅产生电能，本身还消耗电能，在对外特性等效的条件下，即保持输出电压和输出电流不变的条件下，有源二端网络产生电能的作用可以用一个等效理想电源元件来表示，消耗电能的作用可以用一个等效的理想电阻元件来表示，这就是等效电源定理。
等效电源定理包括戴维南定理（Thevenin’s theorem）和诺顿定理（Norton’s theorem），是分析计算复杂电路的有力工具。戴维南定理指出，任一线性有源的二端网络都可以等效为一个理想电压源US和内阻R0的串联电路。其中，US的大小和方向都与有源二端网络的开路电压相同；而内阻R0为有源二端网络内的电源置零后，从开路端看进去的等效电阻。诺顿定理指出，任一线性有源的二端网络都可以等效为一个理想电流源IS和内阻R0的并联电路。其中，IS的大小为有源二端网络的短路电流；而内阻R0为有源二端网络内的电源置零后，从开路端看进去的等效电阻。
主要应用
直流电路主要应用于各种电子仪器、电解、电镀、电力传输、直流电力拖动等方面。
在电力传输方面，现代的直流输电，只在输电这个环节是直流，发电仍是交流。其中，特高压直流输电在长距离、大容量输电方面优势明显，是近年国际电力工程的一大热点，更是解决未来经济发达地区日益增长电力需求的关键所在。特高压电网，是指1000千伏交流和±800千伏直流输电网络。例如，中国的云广特高压直流输电工程跨越云南省、广西壮族自治区、广东省3省，南方电网公司将形成“八交五直”——共13条500千伏及以上的西电东送内蒙古省际大通道，输电能力超过2300万千瓦。
参考资料
直流电.中国大百科全书第三版网络版.2024-01-31
《解码科技史》 20191110 把电装起来——电池.央视网.2024-02-08
伏特(1745—1827).湖南人文科技学院.2024-02-20
山东省精品课程《电机学》.卓越课程中心.2024-02-16
安培定律:奠定现代电磁学的理论基础.科普中国网.2024-02-21
电磁感应定律的发现.《规律简史》.2024-02-08
直流输电与交流输电有何不同.青年参考.2024-01-31
直流.中国大百科全书第三版网络版.2024-01-31
第七章 电磁感应.中国科学技术大学.2024-02-16
奥斯特的发现:电流的磁效应.科普中国网.2024-02-16
安培与电磁学.陕西师范大学电动力学精品课程.2024-02-08
第三章 恒定电场.上海交通大学电子工程系量子非线性光子学实验室.2024-02-21
电阻网络.清华大学出版社.2024-01-31
普通高中教科书 物理必修第三册.人民教育出版社.2024-02-21
第四章 稳恒电流.中国科学技术大学.2024-02-22
串联电路与并联电路的区别.engineer zone.2024-02-21