电工基础《电路的基本物理量》

第一章电路的基本概念和基本定律第一章电路的基本概念和基本定律教学难点：1．了解电路的三种工作状态特点。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、电路的三种工作状态和额定电压、电流、功率等概念。2．掌握电流、电压、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。第一章电路的基本概念和基本定律第一节电路第二节电流和电压第三节电阻第四节部分电路欧姆定律第五节电能和电功率第一节电路一、电路的基本组成二、电路模型(电路图)一、电路的基本组成1．什么是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。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，中没有电流通过，有称为空载状态。(3)短路(捷路)：电源两端或电路中某些部分被导线直相连接，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某用电器的电路原图由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实际电路的电路原理图，简称为电路图。例如某用电器的电路如图1-2所示。表1-3常用理想元件及符号第二节电流和电压一、电流的基本概念二、直流电流三、交流电流四、电压一、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量，称为电流强度(简称电流)，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，时间的国际单位制为秒(s)，电量q的国际单位制为库仑(C)。电流i(t)的国际单位制为安培(A)。常用的电流单位还有毫安（mA）、微安（A）、千安（kA）等，它们与安培的换算关系为1mA=10-3A；1A=10-6A；1kA=103A二、直流电流常数tQtqI如果电流的大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量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流，简称为直流(DirectCurrent)，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。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SlR——制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆·米(·m)；l——绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米(m)；S——绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米(m2)；R——电阻值，国际单位制为欧姆()。经常用的电阻单位还有千欧(k)、兆欧(M)1k=103；1M=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1C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)tt(RRR12112如果R2R1，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R2R1，则0，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叫做电导，其国际单位制为西门子(S)。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)的电阻元件叫做线性电阻，其伏安特性曲线在I－U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)的电阻元件叫做非线性电阻，其伏安特性曲线在I－U平面坐标系中为一条通过原点的曲线。通常所说的“电阻”，如不作特殊说明，均指线性电阻。图1-4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。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功率的国际单位制单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们与W的换算关系是1mW=103W；1kW=103W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又叫做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=UIt通常电能用千瓦小时(kW·h)来表示大小，也叫做度(电)：1度(电)=1kW·h=3.6106J即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。【例1-1】有一功率为60W的电灯，每天使用它照明的时间为4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=430=120h，则W=P·t=60120=7200W·h=7.2kW·h即每月消耗的电能为7.2度，约合为3.61067.22.6107J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——电气设备或元器件允许通过的最大电流。额定功率——在额定电压和额定电流下消耗的功率，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=I2RtI——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——焦耳热单位为J。