電工基礎(chǔ)直流電路

1、第一章電路的基本概念1 電路的基本組成、電路的三種工作狀態(tài)和額定電壓、電流、功率等概念。2掌握電流、電壓、電功率、電能等基本概念。3掌握電阻定律、歐姆定律、焦?fàn)柖桑私怆娮枧c溫度的關(guān)系。1了解電路的三種工作狀態(tài)特點(diǎn)。2理解理想元件與電路模型、線性電阻與非線性電阻的概念。 序號(hào)內(nèi)容學(xué)時(shí)1緒論0.52第一節(jié)電路13第二節(jié)電流和電壓4第三節(jié)電阻15第四節(jié)部分歐姆定理6第五節(jié)電能和電功率1.57本章小結(jié)與習(xí)題8本章總學(xué)時(shí)4 第一節(jié)電路一、電路的基本組成1什么是電路圖1-1 簡(jiǎn)單的直流電路 電路是由各種元器件(或電工設(shè)備)按一定方式聯(lián)接起來的總體，為電流的流通提供了路徑。2電路的基本組成電路的基本組成

2、包括以下四個(gè)部分：(1) 電源(供能元件)：為電路提供電能的設(shè)備和器件(如電池、發(fā)電機(jī)等)。 (2) 負(fù)載(耗能元件)：使用(消耗)電能的設(shè)備和器件(如燈泡等用電器)。 (3) 控制器件：控制電路工作狀態(tài)的器件或設(shè)備(如開關(guān)等)。(4) 聯(lián)接導(dǎo)線：將電器設(shè)備和元器件按一定方式聯(lián)接起來(如各種銅、鋁電纜線等)。 3電路的狀態(tài)(1) 通路(閉路)：電源與負(fù)載接通，電路中有電流通過，電氣設(shè)備或元器件獲得一定的電壓和電功率，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。 (2) 開路(斷路)：電路中沒有電流通過，又稱為空載狀態(tài)。(3) 短路(捷路)：電源兩端的導(dǎo)線直接相連接，輸出電流過大對(duì)電源來說屬于嚴(yán)重過載，如沒有保護(hù)措施，電源或

3、電器會(huì)被燒毀或發(fā)生火災(zāi)，所以通常要在電路或電氣設(shè)備中安裝熔斷器、保險(xiǎn)絲等保險(xiǎn)裝置，以避免發(fā)生短路時(shí)出現(xiàn)不良后果。圖1-2 手電筒的電路原理圖二、電路模型(電路圖)由理想元件構(gòu)成的電路叫做實(shí)際電路的電路模型，也叫做實(shí)際電路的電路原理圖，簡(jiǎn)稱為電路圖。例如，圖1-2所示的手電筒電路。理想元件：電路是由電特性相當(dāng)復(fù)雜的元器件組成的，為了便于使用數(shù)學(xué)方法對(duì)電路進(jìn)行分析，可將電路實(shí)體中的各種電器設(shè)備和元器件用一些能夠表征它們主要電磁特性的理想元件(模型)來代替，而對(duì)它的實(shí)際上的結(jié)構(gòu)、材料、形狀等非電磁特性不予考慮。表1-1常用理想元件及符號(hào) 第二節(jié)電流和電壓一、電流的基本概念電路中電荷沿著導(dǎo)體的定向運(yùn)動(dòng)

4、形成電流，其方向規(guī)定為正電荷流動(dòng)的方向(或負(fù)電荷流動(dòng)的反方向)，其大小等于在單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量，稱為電流強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱電流)，用符號(hào)I或 i(t)表示，討論一般電流時(shí)可用符號(hào)i。設(shè)在 Dt = t2t1時(shí)間內(nèi)，通過導(dǎo)體橫截面的電荷量為 Dq = q2q1，則在 Dt時(shí)間內(nèi)的電流強(qiáng)度可用數(shù)學(xué)公式表示為式中，Dt為很小的時(shí)間間隔，時(shí)間的國(guó)際單位制為秒(s)，電量 Dq的國(guó)際單位制為庫侖(C)。電流(t)的國(guó)際單位制為安培(A)。常用的電流單位還有毫安mA、微安 mA、千安kA等，它們與安培的換算關(guān)系為1 mA = 10-3A； 1 mA = 10-6 A； 1 kA = 103 A二、 直

5、流電流如果電流的大小及方向都不隨時(shí)間變化，即在單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量相等，則稱之為穩(wěn)恒電流或恒定電流，簡(jiǎn)稱為直流(Direct Current)，記為DC或dc，直流電流要用大寫字母I表示。直流電流I與時(shí)間t的關(guān)系在It坐標(biāo)系中為一條與時(shí)間軸平行的直線。三、交流電流如果電流的大小及方向均隨時(shí)間變化，則稱為變動(dòng)電流。對(duì)電路分析來說，一種最為重要的變動(dòng)電流是正弦交流電流，其大小及方向均隨時(shí)間按正弦規(guī)律作周期性變化，將之簡(jiǎn)稱為交流(Alternating current)，記為AC或ac，交流電流的瞬時(shí)值要用小寫字母i或i(t)表示。四、電壓1電壓的基本概念電壓是指電路中兩點(diǎn)A、B之間的電位

6、差(簡(jiǎn)稱為電壓)，其大小等于單位正電荷因受電場(chǎng)力作用從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所作的功，電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。電壓的國(guó)際單位制為伏特(V)，常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(mV)、千伏(kV)等，它們與伏特的換算關(guān)系為1 mV = 10-3 V； 1 mV = 10-6 V； 1 kV = 103 V2直流電壓與交流電壓如果電壓的大小及方向都不隨時(shí)間變化，則稱之為穩(wěn)恒電壓或恒定電壓，簡(jiǎn)稱為直流電壓，用大寫字母U表示。如果電壓的大小及方向隨時(shí)間變化，則稱為變動(dòng)電壓。對(duì)電路分析來說，一種最為重要的變動(dòng)電壓是正弦交流電壓(簡(jiǎn)稱交流電壓)，其大小及方向均隨時(shí)間按正弦規(guī)律作周期性變化。交流電

7、壓的瞬時(shí)值要用小寫字母u或u(t)表示。第三節(jié)電阻一、電阻元件電阻元件是對(duì)電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件，例如燈泡、電熱爐等電器。電阻定律： r 制成電阻的材料電阻率，國(guó)際單位制為歐姆 · 米(W · m) ； 繞制成電阻的導(dǎo)線長(zhǎng)度，國(guó)際單位制為米(m)；S 繞制成電阻的導(dǎo)線橫截面積，國(guó)際單位制為平方米(m2) ；R 電阻值，國(guó)際單位制為歐姆(W)。經(jīng)常用的電阻單位還有千歐(kW)、兆歐(MW)，它們與 W 的換算關(guān)系為1 kW = 103 W； 1 MW = 106 W二、電阻與溫度的關(guān)系電阻元件的電阻值大小一般與溫度有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫

8、度每升高1°C時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)。如果設(shè)任一電阻元件在溫度t1時(shí)的電阻值為R1，當(dāng)溫度升高到t2時(shí)電阻值為R2，則該電阻在t1 t2溫度范圍內(nèi)的(平均)溫度系數(shù)為如果R2 > R1，則 a > 0，將R稱為正溫度系數(shù)電阻，即電阻值隨著溫度的升高而增大；如果R2 < R1，則 a < 0，將R稱為負(fù)溫度系數(shù)電阻，即電阻值隨著溫度的升高而減小。顯然 a 的絕對(duì)值越大，表明電阻受溫度的影響也越大。R2 = R11 + a(t2t1) 圖1-4線性電阻的伏安特性曲線第四節(jié)部分電路歐姆定律一、歐姆定律電阻元件的伏安關(guān)系服從歐姆定律，即U = RI 或 I = U/

9、R = GU其中G = 1/R，電阻R的倒數(shù)G叫做電導(dǎo)，其國(guó)際單位制為西門子(S)。二、線性電阻與非線性電阻電阻值R與通過它的電流I和兩端電壓U無關(guān)(即R = 常數(shù))的電阻元件叫做線性電阻，其伏安特性曲線在IU 平面坐標(biāo)系中為一條通過原點(diǎn)的直線。電阻值R與通過它的電流I和兩端電壓U有關(guān)(即R ¹ 常數(shù))的電阻元件叫做非線性電阻，其伏安特性曲線在IU 平面坐標(biāo)系中為一條通過原點(diǎn)的曲線。通常所說的“電阻”，如不作特殊說明，均指線性電阻。第五節(jié)電能和電功率一、電功率電功率(簡(jiǎn)稱功率)所表示的物理意義是電路元件或設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)吸收或發(fā)出的電能。兩端電壓為U、通過電流為I的任意二端元件(可推

10、廣到一般二端網(wǎng)絡(luò))的功率大小為P = UI功率的國(guó)際單位制單位為瓦特(W)，常用的單位還有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它們與W的換算關(guān)系是1 mW = 10-3 W； 1 kW = 103 W吸收或發(fā)出：一個(gè)電路最終的目的是電源將一定的電功率傳送給負(fù)載，負(fù)載將電能轉(zhuǎn)換成工作所需要的一定形式的能量。即電路中存在發(fā)出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件(耗能元件)。習(xí)慣上，通常把耗能元件吸收的功率寫成正數(shù)，把供能元件發(fā)出的功率寫成負(fù)數(shù)，而儲(chǔ)能元件(如理想電容、電感元件)既不吸收功率也不發(fā)出功率，即其功率P = 0。通常所說的功率P又叫做有功功率或平均功率。二、電能電能是指在一定的時(shí)間內(nèi)電路元件或

11、設(shè)備吸收或發(fā)出的電能量，用符號(hào)W表示，其國(guó)際單位制為焦?fàn)?J)，電能的計(jì)算公式為W = P · t = UIt通常電能用千瓦小時(shí)(kW · h)來表示大小，也叫做度(電)：1度(電) = 1 kW · h = 3.6 ´ 106 J。即功率為1000 W的供能或耗能元件，在1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)所發(fā)出或消耗的電能量為1度?！纠?-1】有一功率為60 W的電燈，每天使用它照明的時(shí)間為4小時(shí)，如果平均每月按30天計(jì)算，那么每月消耗的電能為多少度？合為多少J? 解：該電燈平均每月工作時(shí)間t = 4 ´ 30 = 120 h，則 W = P · t

12、= 60 ´ 120 = 7200 W · h = 7.2 kW · h即每月消耗的電能為7.2度，約合為3.6 ´ 106 ´ 7.2 » 2.6 ´ 107 J。三、電氣設(shè)備的額定值為了保證電氣設(shè)備和電路元件能夠長(zhǎng)期安全地正常工作，規(guī)定了額定電壓、額定電流、額定功率等銘牌數(shù)據(jù)。額定電壓電氣設(shè)備或元器件在正常工作條件下允許施加的最大電壓。額定電流電氣設(shè)備或元器件在正常工作條件下允許通過的最大電流。額定功率在額定電壓和額定電流下消耗的功率，即允許消耗的最大功率。額定工作狀態(tài)電氣設(shè)備或元器件在額定功率下的工作狀態(tài)，也稱滿載狀態(tài)

13、。輕載狀態(tài)電氣設(shè)備或元器件在低于額定功率的工作狀態(tài)，輕載時(shí)電氣設(shè)備不能得到充分利用或根本無法正常工作。過載(超載)狀態(tài)電氣設(shè)備或元器件在高于額定功率的工作狀態(tài)，過載時(shí)電氣設(shè)備很容易被燒壞或造成嚴(yán)重事故。輕載和過載都是不正常的工作狀態(tài)，一般是不允許出現(xiàn)的。四、焦?fàn)柖呻娏魍ㄟ^導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量(焦?fàn)枱?為Q = I2RtI 通過導(dǎo)體的直流電流或交流電流的有效值，單位為A。R 導(dǎo)體的電阻值，單位為 W。T 通過導(dǎo)體電流持續(xù)的時(shí)間，單位為s。Q 焦耳熱單位為J。本章小結(jié)本章介紹了電路的基本概念，內(nèi)容包括：一、電路電路是由各種元器件(或電工設(shè)備)按一定方式聯(lián)接起來的總體,為電流的流通提供了路徑。電路的基

14、本組成電源、負(fù)載、控制器件和聯(lián)結(jié)導(dǎo)線等四個(gè)部分。電路有通路、開路、短路等三種狀態(tài)。由理想元件構(gòu)成的電路叫做實(shí)際電路的電路模型，也叫做實(shí)際電路的電路原理圖，簡(jiǎn)稱為電路圖。二、電流在電場(chǎng)力作用下，電路中電荷沿著導(dǎo)體的定向運(yùn)動(dòng)即形成電流，其方向規(guī)定為正電荷流動(dòng)的方向(或負(fù)電荷流動(dòng)的反方向)，其大小等于在單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量，稱為電流強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱電流)。電流的大小及方向都不隨時(shí)間變化，則稱為直流電流。電流的大小及方向均隨時(shí)間做周期性變化，則稱為交流電流。三、電壓電壓是指電路中兩點(diǎn)A、B之間的電位差，其大小等于單位正電荷因受電場(chǎng)力作用從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所作的功，電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。電壓的大小及方向都不隨時(shí)間變化，則稱之為直流電壓。電壓的大小及方向均隨時(shí)間做周期性變化，則稱為交流電壓。四、電功率與電能電功率是電路元件或設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)吸收或發(fā)出的電能，P = UI 。電能是指在一定的時(shí)間內(nèi)電路元件或設(shè)備吸收或發(fā)出的電能量，W = P · t =UIt1度(電) = 1kW · h = 3.6 ´ 106 J。為了保證電氣設(shè)備和電路元件能夠長(zhǎng)期安全地正常工作，