《电工技术基础与技能》第一章认识电路

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1、1 认 识 电 路 1 认 识 电 路 教 学 难 点 ： 1 了 解 电 路 的 三 种 状 态 特 点 。 2 理 解 理 想 元 件 与 电 路 模 型 、 线 性 电 阻 与 非 线 性 电 阻 的概 念 。 教 学 重 点 ： 1. 了 解 电 路 的 基 本 组 成 、 电 路 的 三 种 状 态 和 额 定 电 压 、 电流 、 功 率 等 概 念 。 2 掌 握 电 流 、 电 功 率 、 电 能 等 基 本 概 念 。 3 掌 握 电 阻 定 律 、 欧 姆 定 律 、 焦 耳 定 律 ， 了 解 电 阻 与 温度 的 关 系 。 序 号 内 容 学 时 1 绪 论 1 2

2、第 一 节 电 路 3 第 二 节 电 流 4 第 三 节 电 阻 1 5 第 四 节 部 分 电 路 欧 姆 定 律 6 第 五 节 电 能 和 电 功 率 1 7 单 元 小 结 8 单 元 总 学 时 3 学 时 分 配 ： 1 认 识 电 路1.1 电 路1.2 电 流1.3 电 阻1.4 部 分 电 路 欧 姆 定 律1.5 电 能 和 电 功 率单 元 小 结 第 一 节 电 路 一 、 电 路 的 基 本 组 成二 、 电 路 模 型 (电 路 图 ) 一 、 电 路 的 基 本 组 成 动 画 M1-1 电 路 的 状 态 1 什 么 是 电 路 电 路 是 由 各 种 元 器

3、 件 (或 电 工 设 备 )按 一 定 方 式 连 接 起 来的 总 体 ， 为 电 流 的 流 通 提 供 了 路 径 。 2 电 路 的 基 本 组 成 电 路 的 基 本 组 成 包 括 以 下 四 个 部 分 ： (1)电 源 (供 能 元 件 )： 为 电 路 提 供 电 能 的 设 备 和 器 件(如 电 池 、 发 电 机 等 )。 图 1-1 简 单 的 直 流 电 路 (2)负 载 (耗 能 元 件 ): 使 用 (消 耗 )电 能 的 设 备 和器 件 (如 灯 泡 等 用 电 器 )。 控 制 电 路 工 作 状 态 的 器 件 或 设 备 (如开 关 等 )。将 电

4、器 设 备 和 元 器 件 按 一 定 方 式 连 接起 来 (如 各 种 铜 、 铝 电 缆 线 等 )。(3)控 制 器 件 ：(4)连 接 导 线 ： 3 电 路 的 状 态 (1)通 路 (闭 路 )： 电 源 与 负 载 接 通 ， 电 路 中 有 电 流 通 过 ，电 气 设 备 或 元 器 件 获 得 一 定 的 电 压 和 电 功 率 ， 进 行 能 量 转 换 。 (2)开 路 (断 路 )： 电 路 断 开 ， 电 路 中 没 有 电 流 通 过 ， 又 称为 空 载 状 态 。 (3)短 路 (捷 路 )： 电 源 两 端 或 电 路 中 某 些 部 分 被 导 线 直

5、接相 连 ， 输 出 电 流 过 大 对 电 源 来 说 属 于 严 重 过 载 ， 如 没 有 保 护 措施 ， 电 源 或 电 器 会 被 烧 毁 或 发 生 火 灾 ， 所 以 通 常 要 在 电 路 或 电气 设 备 中 安 装 熔 断 器 、 保 险 丝 等 保 险 装 置 ， 以 避 免 发 生 短 路 时出 现 不 良 后 果 。 二 、 电 路 模 型 (电 路 图 ) 图 1-2 手 电 筒 的 电 路 原 图 由 理 想 元 件 构 成 的 电 路 称 为 实 际 电 路 的 电 路 模 型 ， 也 称 为 实际 电 路 的 电 路 原 理 图 ， 简 称 为 电 路 图

6、。 例 如 手 电 筒 的 电 路 如 图 1-2 所 示 。 理 想 元 件 电 路 是 由 电 特 性 相 当 复 杂 的 器 件 组 成 的 ， 为 了 便 于 使 用 数学 方 法 对 电 路 进 行 分 析 ， 可 将 电 路 实 体 中 的 各 种 电 器 设 备 和 元器 件 用 一 些 能 够 表 征 它 们 主 要 电 磁 特 性 的 理 想 元 件 (模 型 )来 代替 ， 而 对 它 的 实 际 结 构 、 材 料 、 形 状 等 非 电 磁 特 性 不 予 考 虑 。 表 1-3 常 用 理 想 元 件 及 符 号 第 二 节 电 流 一 、 电 流 的 基 本 概 念

7、二 、 直 流 电 流三 、 交 流 电 流 一 、 电 流 的 基 本 概 念 电 路 中 电 荷 沿 着 导 体 的 定 向 运 动 即 形 成 电 流 ， 其 方 向 规 定为 正 电 荷 流 动 的 方 向 (或 负 电 荷 流 动 的 反 方 向 )， 其 大 小 等 于 在单 位 时 间 内 通 过 导 体 横 截 面 的 电 荷 量 ， 电 流 用 符 号 I 或 i(t)表 示 ，讨 论 一 般 电 流 时 可 用 符 号 i 。 设 在 t = t2 t1 时 间 内 ， 通 过 导 体 横 截 面 的 电 荷 量 为 q = q2 q1， 则 在 t 时 间 内 的 电 流

8、 强 度 可 用 数 学 公 式 表 示 为tqti )(式 中 ， t 为 很 小 的 时 间 间 隔 ， 时 间 的 国 际 单 位 制 单 位 为 s (秒 )，电 荷 量 q 的 国 际 单 位 制 为 库 仑 (C)。 电 流 i(t) 的 国 际 单 位 制为 A (安 培 ) 。 常 用 的 电 流 单 位 还 有 mA （ 毫 安 ） 、 A（ 微 安 ） 、 kA（ 千安 ） 等 ， 它 们 与 安 培 的 换 算 关 系 为1 mA = 10 -3A； 1 A = 10-6 A； 1 kA = 103 A 二 、 直 流 电 流 常 数 tQtqI 如 果 电 流 的 大

9、小 及 方 向 都 不 随 时 间 变 化 ， 即 在 单 位 时 间 内通 过 导 体 横 截 面 的 电 荷 量 相 等 ， 则 称 之 为 稳 恒 电 流 或 恒 定 电 流 ，简 称 为 直 流 (Direct Current)， 记 为 DC 或 dc ， 直 流 电 流 要 用大 写 字 母 I 表 示 。 直 流 电 流 I 与 时 间 t 的 关 系 在 I t 坐 标 系 中 为 一 条 与 时 间轴 平 行 的 直 线 。 三 、 交 流 电 流 如 果 电 流 的 大 小 及 方 向 均 随 时 间 变 化 ， 则 称 为 变 动 电 流 。对 电 路 分 析 来 说 ，

10、 一 种 最 为 重 要 的 变 动 电 流 是 正 弦 交 流 电 流 ，其 大 小 及 方 向 均 随 时 间 按 正 弦 规 律 作 周 期 性 变 化 ， 将 之 简 称 为交 流 (Alternating Current)， 记 为 AC 或 ac ， 交 流 电 流 的 瞬 时值 要 用 小 写 字 母 i 或 i(t) 表 示 。 第 三 节 电 阻一 、 电 阻 元 件 二 、 电 阻 与 温 度 的 关 系 一 、 电 阻 元 件 电 阻 元 件 是 对 电 流 呈 现 阻 碍 作 用 的 耗 能 元 件 ， 例 如 灯 泡 、电 热 炉 等 电 器 。 电 阻 定 律 Sl

11、R 制 成 电 阻 元 件 的 材 料 电 阻 率 ， 国 际 单 位 制 单 位 为 m(欧 米 ) ； l 绕 制 成 电 阻 的 导 线 长 度 ， 国 际 单 位 制 为 m (米 ) ；S 绕 制 成 电 阻 的 导 线 横 截 面 积 ， 国 际 单 位 制 为 m2 (平 方 米 )；R 电 阻 值 ， 国 际 单 位 制 为 (欧 ) 。 经 常 用 的 电 阻 单 位 还 有 k (千 欧 ) 、 M (兆 欧 )1 k = 10 3 ； 1 M = 106 二 、 电 阻 与 温 度 的 关 系 电 阻 元 件 的 电 阻 值 大 小 一 般 与 温 度 有 关 ， 衡 量

12、 电 阻 受 温 度 影响 大 小 的 物 理 量 是 温 度 系 数 ， 其 定 义 为 温 度 每 升 高 1C 时 电 阻 值发 生 变 化 的 百 分 数 。 如 果 设 任 一 电 阻 元 件 在 温 度 t1 时 的 电 阻 值 为 R1， 当 温 度 升 高到 t2 时 电 阻 值 为 R2 ， 则 该 电 阻 在 t1 t2 温 度 范 围 内 的 (平 均 )温 度系 数 为 )( 121 12 ttR RR 如 果 R2 R1 ， 则 0， 将 R 称 为 正 温 度 系 数 电 阻 ， 即 电 阻值 随 着 温 度 的 升 高 而 增 大 ； 如 果 R2 R1， 则 0

13、， 将 R 称 为 负温 度 系 数 电 阻 ， 即 电 阻 值 随 着 温 度 的 升 高 而 减 小 。 显 然 的 绝 对值 越 大 ， 表 明 电 阻 受 温 度 的 影 响 也 越 大 。R2 = R1 1 (t2 t1) 第 四 节 部 分 电 路 欧 姆 定 律一 、 欧 姆 定 律二 、 线 性 电 阻 与 非 线 性 电 阻 一 、 欧 姆 定 律 电 阻 元 件 的 伏 安 关 系 服 从 欧 姆 定 律 ， 即U = RI 或 I = U / R = GU 其 中 G = 1/R， 电 阻 R 的 倒 数 G 称 为 电 导 ， 其 国 际 单 位 制 为西 门 子 (S

14、) 。 二 、 线 性 电 阻 与 非 线 性 电 阻 电 阻 值 R 与 通 过 它 的 电 流 I 和 两 端 电 压 U 无 关 (即 R = 常 数 ) 的 电 阻 元 件 称 为 线 性 电 阻 ， 其 伏 安 特 性 曲 线 在 U I 平 面 坐 标 系 中 为 一 条 通 过 原 点 的 直 线 。 电 阻 值 R 与 通 过 它 的 电 流 I 和 两 端 电 压 U 有 关 (即 R 常 数 ) 的 电 阻 元 件 称 为 非 线 性 电 阻 ， 其伏 安 特 性 曲 线 在 U I平 面 坐 标 系中 为 一 条 通 过 原 点 的 曲 线 。 通 常 所 说 的 “ 电

15、 阻 ” ， 如不 作 特 殊 说 明 ， 均 指 线 性 电 阻 。 图 1-3 线 性 电 阻 的 伏 安 特 性 曲 线 第 五 节 电 能 和 电 功 率一 、 电 功 率二 、 电 能三 、 电 气 设 备 的 额 定 值四 、 焦 耳 定 律 一 、 电 功 率 电 功 率 (简 称 功 率 )所 表 示 的 物 理 意 义 是 电 路 元 件 或 设 备 在单 位 时 间 内 吸 收 或 发 出 的 电 能 能 量 。 两 端 电 压 为 U、 通 过 电 流为 I 的 任 意 二 端 元 件 (可 推 广 到 一 般 二 端 网 络 )的 功 率 大 小 为P = UI 功 率

16、 的 国 际 单 位 制 单 位 为 W(瓦 特 )， 常 用 的 单 位 还 有 mW (毫 瓦 )、 kW (千 瓦 )， 它 们 与 W 的 换 算 关 系 是1 mW = 10 3 W； 1 kW = 103 W 吸 收 或 发 出 ： 一 个 电 路 最 终 的 目 的 是 电 源 将 一 定 的 电 功 率传 送 给 负 载 ， 负 载 将 电 能 转 换 成 工 作 所 需 要 的 一 定 形 式 的 能 量 。即 电 路 中 存 在 发 出 功 率 的 器 件 (供 能 元 件 )和 吸 收 功 率 的 器 件 (耗能 元 件 )。 习 惯 上 ， 通 常 把 耗 能 元 件

17、吸 收 的 功 率 写 成 正 数 ， 把 供 能 元件 发 出 的 功 率 写 成 负 数 ， 而 储 能 元 件 (如 理 想 电 容 、 电 感 元 件 )既 不 吸 收 功 率 也 不 发 出 功 率 ， 即 其 功 率 P = 0。 通 常 所 说 的 功 率 P 又 称 为 有 功 功 率 或 平 均 功 率 。 二 、 电 能 电 能 是 指 在 一 定 的 时 间 内 电 路 元 件 或 设 备 吸 收 或 发 出 的电 能 量 ， 用 符 号 W表 示 ， 其 国 际 单 位 制 为 焦 耳 (J)， 电 能 的 计算 公 式 为 W = P t = U I t 通 常 电

18、能 用 kW h (千 瓦 时 )来 表 示 大 小 ， 也 称 为 度 (电 )：1 度 (电 ) = 1 kW h = 3.6 106 J 即 功 率 为 1 000 W 的 供 能 或 耗 能 元 件 ， 在 1 小 时 内 所 发 出 或吸 收 的 电 能 量 为 1 度 。 【 例 1-1】 有 一 功 率 为 60 W 的 电 灯 ， 每 天 使 用 它 照 明 的 时间 为 4 h(小 时 )， 如 果 平 均 每 月 按 30 天 计 算 ， 那 么 每 月 消 耗 的 电能 为 多 少 度 ？ 合 为 多 少 J ? 解 ： 该 电 灯 平 均 每 月 工 作 时 间 t =

19、 4 30 h= 120 h，则 W = P t = 60 120 W h = 7200 W h = 7.2 kW h 即 每 月 消 耗 的 电 能 为 7.2 度 ， 约 合 为3.6 10 6 7.2 J 2.6 107 J 三 、 电 气 设 备 的 额 定 值 为 了 保 证 电 气 设 备 和 电 路 元 件 能 够 长 期 安 全 地 正 常 工 作 ， 都规 定 了 额 定 电 压 、 额 定 电 流 、 额 定 功 率 等 铭 牌 数 据 。 额 定 电 压 电 气 设 备 或 元 器 件 所 允 许 施 加 的 最 大 电 压 。 额 定 电 流 电 气 设 备 或 元 器

20、 件 所 允 许 通 过 的 最 大 电 流 。 额 定 功 率 在 额 定 电 压 和 额 定 电 流 下 所 消 耗 的 功 率 ， 即 允许 消 耗 的 最 大 功 率 。 额 定 工 作 状 态 电 气 设 备 或 元 器 件 在 额 定 功 率 下 的 工 作 状态 ， 也 称 满 载 状 态 。 轻 载 状 态 电 气 设 备 或 元 器 件 在 低 于 额 定 功 率 下 的 工 作 状态 ， 轻 载 时 电 气 设 备 不 能 得 到 充 分 利 用 或 根 本 无 法 正 常 工 作 。 过 载 (超 载 )状 态 电 气 设 备 或 元 器 件 在 高 于 额 定 功 率

21、下 的工 作 状 态 ， 过 载 时 电 气 设 备 很 容 易 被 烧 坏 或 造 成 严 重 事 故 。 轻 载 和 过 载 都 是 不 正 常 的 工 作 状 态 ， 一 般 是 不 允 许 出 现 的 。 四 、 焦 耳 定 律 电 流 通 过 导 体 时 产 生 的 热 量 (焦 耳 热 )为 Q = I2 R t I 通 过 导 体 的 直 流 电 流 或 交 流 电 流 的 有 效 值 ， 单 位 为 A。 R 导 体 的 电 阻 值 ， 单 位 为 。 t 通 过 导 体 电 流 持 续 的 时 间 ， 单 位 为 s。 Q 热 量 单 位 为 J。 单 元 小 结 本 单 元

22、 介 绍 了 电 路 的 基 本 概 念 ， 内 容 包 括 ： 一 、 电 路 二 、 电 流 三 、 电 阻 四 、 电 功 率 与 电 能 一 、 电 路 电 路 是 由 各 种 元 器 件 (或 电 工 设 备 )按 一 定 方 式 连 接 起 来 的 总体 ,为 电 流 的 流 通 提 供 了 路 径 。 电 路 的 基 本 组 成 包 括 电 源 、 负 载 、控 制 器 件 和 连 接 导 线 等 四 个 部 分 。 电 路 有 通 路 、 开 路 、 短 路 等 三种 状 态 。 由 理 想 元 件 构 成 的 电 路 称 为 实 际 电 路 的 电 路 模 型 ， 也 称 为

23、 实际 电 路 的 电 路 原 理 图 ， 简 称 为 电 路 图 。 二 、 电 流 在 电 场 力 作 用 下 ， 电 路 中 电 荷 沿 着 导 体 的 定 向 运 动 即 形 成电 流 ， 其 方 向 规 定 为 正 电 荷 流 动 的 方 向 (或 负 电 荷 流 动 的 反 方向 )， 其 大 小 等 于 在 单 位 时 间 内 通 过 导 体 横 截 面 的 电 荷 量 ， 称 为电 流 。 电 流 的 大 小 及 方 向 都 不 随 时 间 变 化 ， 则 称 为 直 流 电 流 。 电流 的 大 小 及 方 向 均 随 时 间 作 周 期 性 变 化 ， 则 称 为 交 流

24、电 流 。 三 、 电 阻 1 电 阻 元 件 是 对 电 流 呈 现 阻 碍 作 用 的 耗 能 元 件 ， 电 阻 定 律为 SlR 电 阻 元 件 的 电 阻 值 一 般 与 温 度 有 关 ， 衡 量 电 阻 受 温 度 影 响 大小 的 物 理 量 是 温 度 系 数 ， 其 定 义 为 温 度 每 升 高 1C 时 电 阻 值 发生 变 化 的 百 分 数 ， 即 )( 121 12 ttR RR 2 电 阻 元 件 的 伏 安 特 性 关 系 服 从 欧 姆 定 律 ， 即 U = RI 或 I = U/R = GU 。 其 中 ， 电 阻 R 的 倒 数 G 称 为 电 导 ，

25、 其 国 际 单 位 制单 位 为 S (西 门 子 )。 3 电 流 通 过 导 体 时 产 生 的 热 量 为 Q = I2Rt (焦 耳 定 律 )。 四 、 电 功 率 与 电 能 电 功 率 是 电 路 元 件 或 设 备 在 单 位 时 间 内 吸 收 或 发 出 的 电 能 量 ，P = UI 。 电 能 是 指 在 一 定 的 时 间 内 电 路 元 件 或 设 备 吸 收 或 发 出 的 电 能量 ， W = P t =UIt1度 (电 ) = 1 kW h = 3.6 106 J 为 了 保 证 电 气 设 备 和 电 路 元 件 能 够 长 期 安 全 地 正 常 工 作 ， 都规 定 了 额 定 电 压 、 额 定 电 流 、 额 定 功 率 等 铭 牌 数 据 。