第四节　直流电与直流电路

临床神经电生理检测记录到的生物电是极其微弱的，无法直接观察、分析，需要将其放大。生物电信号的放电通过电子设备实现，一切电子设备工作均需要电作为能量。驱动电子电路工作的电多为直流电——即大小、方向恒定不变的电。所以需要对直流电及直流电路基础知识有一些了解。

一、直流电源

用导体连接前述静电场中的正电荷与负电荷，导体中的自由电子把负电荷的电量转移到正电荷，正负电荷“中和”、静电场消失，导体中将不再有自由电子流动。为了维持导体中的自由电子流动，需要有一个能持续提供电场的设备，维持导体两端的电势差，这个设备就是电源。电池是人们使用最多的、最为熟悉的直流电源。

直流电源有两个极，即正极与负极，是由自然界静电现象本质决定的，不是人为定义的。正负极电势的差值为电势差，电势差习惯上又称为电压，电压的单位为伏特（符号V）、毫伏（mV）、微伏（μV），1V = 1 000mV = 1 000 000μV。

在电子电路中，电源用如图2-8所示的符号表示，文字描述代号U。

所有的电子电路工作必须有电源提供能量。根据电路工作的不同需要，电源分为恒压源和恒流源两种：恒压源无论负载如何变化，保持电池两极的电势不变，典型的恒压源如干电池、蓄电瓶等；恒流源则保持负载中的电流不变，典型的恒流源如光伏电池。电子电路中使用较多的是恒压源，神经电生理检测仪的刺激器更多的是恒流刺激（相当于恒压源），也有恒压刺激，还可根据需要在恒流和恒压之间转换。

二、直流电路

（一）电流

电流是描述导体（或电解质）中自由电子（或带电粒子）流动快慢的物理量，全称为电流强度，定义为单位时间里通过导体任一横截面的电荷量。单位为安培（A）、毫安（mA）、微安（μA），1A = 1 000mA = 1 000 000μA。

在电路中，常用大写I或者小写i加箭头表示，如图2-8中d所示。箭头代表电流流动方向，即正电荷流动的方向——它总是从电势较高（正极）流向电势较低（负极）处。电流的方向与自由电子流动的方向相反，自由电子总是从负极流向正极。

在电源（如干电池）内部（也称为内电路），电流方向与外电路一致，自由电子也需要从正极流向负极，这个过程不像外电路中可以依靠电场力“自行”流动，需要消耗其他形式的能量做功才可以完成，在干电池中依靠化学能完成，这就是电源实现能量转换的过程。

电流的另一个特性为速度，电流速度等于光速，为300 000km/s。在金属导体中，电流是自由电子从负电极向正电极运动形成；在电解质中，是带电离子向与其电荷相反的电极移动形成的。但是自由电子（或带电离子）移动的速度不等于（远远小于）电流速度。它们之间并无矛盾，因为电流速度是依靠电场力建立的。当给一个电路接通上电源后，并不是自由电子从负极出发，运动到负载位置，才在负载上建立电流。理解电流速度的概念对于神经电生理工作者及其他医务工作者极为重要，因为人体空间长度有限，“电”在人体中传播所需时间可以忽略不计。

（二）电阻

在电源的电场作用下，自由电子在导体中定向运动受到导体分子晶格的阻碍，并非无阻力运动。阻力大小用导电率表达，定义导电率的倒数为电阻，单位为欧姆（Ω）、千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），1MΩ = 1 000kΩ = 1 000 000Ω。电源加电阻电路是一切电路分析的最基本要素（图2-9）。在电路分析中，电源为理想电源，即电源的内部电阻为零；导线为理想导线，即导线电阻为零。

理想电路中，电流、电阻与电压的关系为欧姆定律：电压 = 电流 × 电阻（U = I × R）。图2-10 显示直流电路中U、I、R三者关系及其与时间的关系。

电流在电解质中的容积传导，任一点的电流密度、导电率与场强的关系为：电流密度 = 导电率 × 场强。电流密度公式本质上为欧姆定律的微分形式。

（三）电容

电容器是电子电路中的储能元件，简称电容，电容的容量单位为法拉（F）。一般的电子电路，1法拉的电容就显得过大，常用微法拉（简称微法，μF），1F = 1 000 000μF。电路中电容用如图2-11a所示符号表示。

电容的结构为两个面积很大、距离很近的导体，称为极板，极板间填充有电介质或者空气。电容两极板分别与电源正负极连接时，两极板将分别有正负电荷的累积，极板上可以累积的电荷量多少就是电容量的大小，取决于极板的形状、结构和极板间电介质的性质。电容极板上电荷累积的过程称为充电过程；电容充电完成断开电源，在电容两极板间仍然有静电场存在，电场具有电势能，所以说电容是储能元件；将充满电的电容接入负载电路如电阻，电容两极板之间的电势差将在电路中产生电流，是为电容的放电过程。如图2-11所示。

（四）电感与电磁感应

电磁感应现象是指当电流流过导线，在导线的周围会产生电磁场，这个电磁场对处于其中的导线发生感应作用，包括产生电磁场的导线。

电感作为电子电路中的一种元器件又称为电感线圈，这是因为为了增加电感元件的感应效率，通常制作成线圈结构。在电路中的表示如图2-12a所示。电感对于直流电的阻碍作用（电阻）几乎为零，接入纯电阻电路中将无影响，如图2-12b；接入电容充电电路中，因为电流是变化的，电感将产生阻碍作用使得充电曲线变得平坦，如图2-12c。

（五）阻抗

实用的、完成某种功能的电子电路不可能仅为纯电阻电路，往往是很多电子元器件组成的复杂电路，其中包括电阻、电容和电感，这些元器件组合的电路对电流的阻力统称为阻抗，阻抗的基本单位与电阻单位相同，也是欧姆（Ω）。也可以将阻抗理解为“相当于某一时刻的电阻值”。

临床神经电生理检测不同的需要对阻抗的要求不同：对于记录电极与皮肤的连接，阻抗越小干扰信号越小；对于神经电生理仪器的输入级电路，阻抗越大记录的信号越真实。

三、电源内部电阻与电压测量

理想的电源无论是恒压源或恒流源，其内部电阻（简称内阻）为零，这在实际电路中的实现是十分困难的，电源总是有内部电阻的，在图2-13电路中，设电源内阻为r0，则有公式：U = I ×（r0 + R1）=I × r0 + I × R1 = U0 + U1。

图2-13a所示电路可等效为2-13b电路，如图2-13c所示，当电压源U（c中水平直线）给定（其内阻r0同时给定）时，负载（R1）两端的电势差U1（电压）随着R1的增大而增大（c中点画线），U0则反之越来越小（c中虚线）；当R1足够大时，U0可以忽略不计，此时认为U≈U1。复杂电路等效电阻（阻抗），也符合此规律。

把图2-13b电路虚线右侧部分看作“电压检测仪”、左侧视作“被探测电压源”，则可知检测仪的输入电阻（阻抗）R1越大，显示的电压越接近真实。这就是为什么电生理检测仪要求输入阻抗足够大的原因。

神经电生理记录到的波形本质上为两电极之间电势差（电压）对于时间的函数。所以对波形变化的分析要在函数和电学原理基础上分析生理、病理改变。