15春电工电子技术基础课件

认识直流电路单元一、了解电路及其基本物理量学习目标了解电路的组成理解电流、电压、电位、电功及电功率基本物理量电路的三种工作状态及电源认识直流电路常见的家用电器认识直流电路图1．1电路组成示意图•一、电路的基本概念•1.电路的组成认识直流电路电流所流过的路径称为电路。图1．1中干电池、灯泡、开关和连接导线就构成了一个简单的电路。一般来说，电路由电源、负载及中间环节组成。常用的电源有干电池、蓄电池和发电机等。此外，还有将某种形式的电能转换成另一种形式电能的装置，通常也称为电源，例如常见的直流稳压电源就是将交流电转换成直流电并在一定范围内保持输出电压稳定的一种装置。认识直流电路负载是一种将电能转换成非电能的用电设备，通常也称为用电器。如电熨斗、电灯和电动机分别将电能转换为热能、光能和机械能。中间环节是联接电源和负载的部分，具有传输、分配和控制电能的作用，它除必不可少的导线外，还包括开关和熔断器等控制和保护电器。用理想元件的图形符号表示实际电器设备的电路称为电路图。如图1．2所示，用理想电源与电阻表示实际电源，用电阻表示灯泡。认识直流电路图1．2电路图在全电路（含有电源和负载的闭合电路为全电路）中，负载和中间环节称为外电路，而电源内部电路称为内电路。开关负载电源认识直流电路2.电路的作用就其输送、转换和控制能量的规模大小和使用目的的不同，电路的作用大致可以分为下述两个方面。（1）进行能量的转换、传输和分配。解决这方面的问题就是人们通常说的电力工程，它包括发电、输电、配电、电力拖动、电热、电气照明，以及交直流电之间的整流和逆变等等。（2）实现信号的传递、存储和处理。例如，扩音机的输入是由声音转换而来的电信号，通过晶体管组成的放大电路，输出的便是放大了的电信号，从而实现了放大功能；电视机可将接收到的信号，经过处理，转换成图像和声音。认识直流电路•3.电路图如图（a）是电路的实物连接图，而实际中电气设备的安装和维修都是根据电路原理图进行的，很少用实物连接图。电路原理图简称为电路图，它是将实际电路中的各种器件用规定的图形符号表示之后所画出的图。如图（b）图a认识直流电路图（b）认识直流电路•4.电路的分类根据电路中电信号种类的不同，直流电路是指由直流电源供电的电路，交流电路是指由交流电源供电的电路。认识直流电路二、电路的基本物理量1、电流电荷的定向移动形成电流。衡量电流强弱的物理量是电流强度，简称电流，用I表示。电流的国际制单位是[安培]，简称安（A）。若1秒内通过导体横截面的电荷量为1库仑，则电流为1安（A）。常用的电流单位还有毫安（mA）、微安（μA）等。1A=103mA=106μA电流不但有大小，还有方向。规定电流的实际方向为正电荷移动的方向。电流方向在外电路中从高电位通过负载流向低电位，在电源内部则是从低电位流向高电位。分为直流和交流认识直流电路电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。如图4．3所示，如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。图1．3电流的方向认识直流电路2、电动势外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。它是反映将其它形式能转换成电能本领的物理量。如图1．4所示，外力克服电场力把单位正电荷由低电位B端移到高电位A端，所做的功称为电动势，用E表示。QWE认识直流电路图1．4电动势电动势的单位是[伏特]，简称伏（V）。如果外力把1库仑的电量从点B移到点A，所做的功是1焦耳，则电动势就等于1伏。电动势的方向规定为从低电位指向高电位，即由电源负极指向正极。认识直流电路3、电压电路中a、b两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。电压的国际制单位是[伏特]，简称伏（V）。若电场力将1库仑的电荷从一点移到另一点所做的功为1焦耳，则两点间的电压值为1伏。常用的电压单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（μV）。QWUabab认识直流电路1kV=1000V1V=103mV=106μV电压反映电场力做功的能力，电动势则反映电源力做功的能力。规定电压的实际方向为由高电位端指向低电位端。在电路中用箭头或“＋”、“－”号或双下标表示。电压的参考方向，也可任意选定。但在外电路中常选电压电流的参考方向相同，称为关联参考方向，在电路图中只需标明一个参考方向（电压或电流）。如图1．5所示，电路计算结果若为正，实际方向与参考方向相同；计算结果若为负，则实际方向与参考方向相反。认识直流电路图1．5电压的方向4、电位电位又称为电势。在电场或电路中任选一点为零参考点，则电路中某点电位定义为该点到零参考点之间的电压。很显然，参考点电位为零电位。通常选择大地或某公共点作为零电位点。电位用字母U加单下标表示，如Ub表示b点的电位。认识直流电路由电位定义可以看出，电压与电位这两个物理量有以下区别与联系。（1）电压即电位差，例如Uab=Ua－Ub。（2）电压方向即高电位点（＋）指向低电位点（－）方向。（3）电位与参考点选择有关，而电压与参考点选择无关。值得注意的是在一个电路或一个电系统中，只能选择一个参考电位点，否则会引起错误的结论。认识直流电路5、电功电流在导体中通过时，电场力使电荷从一点移动到另一点时电流所做的功.A=Uq=UIt,单位焦耳，符号J，6、电功率电流通过电路时传输或转换电能的速率称为电功率，简称为功率，单位，瓦，用符号W表示。当电压与电流为关联参考方向时，功率的计算公式为：P=UI或p=ui,当电压与电流为非关联参考方向时，功率的计算公式为：P=-UI或p=-ui认识直流电路7、额定值在电路中能保证电气设备长期正常工作的物理量的值称为额定值额定电流，代号IN,正常运行时的电流值。额定电压，代号UN，正常运行时的电压值。额定功率，代号PN，正常运行时的功率。三电路的工作状态及电源1、电路的三种工作状态直流电路五、电阻器电流通过导体时，不断和原子或分子碰撞而受到阻碍作用。电阻就是表示某导体对电流阻碍作用大小的物理量。任何导电物体都存在电阻。一定温度下，金属导体的电阻与其长度成正比，与其横截面积成反比。即R=式中——沿电流流过的导体长度，m；S——与电流方向垂直的导体截面积，m2；——导体的电阻率，Ω·m。Sll直流电路电阻单位是欧姆（Ω）。常用的电阻单位还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）。1kΩ=103Ω，1MΩ=106Ω不同的材料有不同的电阻率。表4.1给出了常用电工材料在20℃时的电阻率。可以看出，银的电阻率最小，是最好的导电材料，铜次之，再次是铝。但银的价格高，只在特殊地方（例如触头）使用，最普遍使用的是铜。在需要大电阻的场合，则采用电阻率大的合金，如电炉丝就用镍铬合金制造。直流电路表4.1几种常用材料的电阻率与温度系数材料电阻率（×10-6Ω·m）(20℃)电阻率的温度系数(20℃)银0.01590.00380铜0.01750.00393铝0.02830.00410铁0.09780.0050钨0.05780.0051钢0.13～0.25—康铜0.480.000008锰铜0.47—黄铜0.070.002镍铬合金1.090.00016铁铬铝合金1.260.00028直流电路六、欧姆定律1.一段均匀电路欧姆定律一段不含电源的电阻电路，又叫一段均匀电路。若电阻元件的阻值不随外加电压或电流而变化，这类电阻称为线性电阻。当电流、电压参考方向一致时，如图4．6所示，实验证明：通过该段电路的电流I与加在电路两端的电压U成正比，与该段电路的电阻R成反比。即IRURUI或直流电路图4．6一段均匀电路称为一段均匀电路欧姆定律，简称欧姆定律。若U与I方向相反，则欧姆定律表示为IRU直流电路在温度一定的条件下，把加在电阻两端的电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。伏安特性过原点且为直线，如图4．7所示。若电阻元件的阻值随电压或电流而改变，称为非线性电阻。非线性电阻伏安特性曲线不是通过原点的直线，而是一条曲线。图4．7电阻的伏安特性直流电路2.全电路欧姆定律图4．8所示是简单的闭合电路，RL为负载电阻，R0为电源内阻，若略去导线电阻不计，则此段电路用欧姆定律表示为：上式的意义是：电路中流过的电流，其大小与电动势成正比，而与电路的全部电阻成反比。电源的电动势和内电阻一般认为是不变的，所以，改变外电路电阻，就可以改变回路中的电流大小。0RREIL图4．8全电路直流电路七、电阻的联结由于工作的需要，常将许多电路按不同的方式连接起来，组成一个电路网络。1.电阻的串联几个电阻首尾相联，中间没有分支，这种联接方式，叫做电阻的串联，如图4．9所示。直流电路图4．9电阻的串联直流电路电阻串联有以下几个特点：（1）各电阻上流过电流为同一电流；（2）外加电压等于各电阻上电压之和；（3）电源提供功率等于各个电阻上消耗的功率之和；（4）串联电阻的等效总电阻（总电阻）等于各串联电阻之和。2121IRIRUUUIUIUUIP2121RRR直流电路2.电阻的并联将几个电阻首与首相联，尾与尾相联，这种联接方式叫做电阻的并联。如图4．10所示。图4．10电阻的并联直流电路电阻并联电路有以下特点：（1）各电阻两端的电压为同一电压；（2）总电流等于各支路电流之和；（3）电源供给的功率等于各电阻上消耗的功率之和；（4）总电阻（等效电阻）的倒数等于各并联电阻倒数之和。2121RURUIII21UIUIUIP21111RRR直流电路八、电功和电功率电流通过导体时电场力做的功称为电功。单位时间内的电功称为电功率，用P表示。电功率的单位是瓦特，简称瓦（W）。大功率用千瓦(kW)或兆瓦(MW)作单位；小功率用毫瓦(mW)或微瓦(W)作单位。1kW=103W，1mW=10-3W，1W=10-6MW当电压、电流方向一致时，P=UI，当电压、电流方向相反时，P=－UI。若P0，则该元件是耗能元件，若P0，则该元件是供能元件。电功的单位是焦(J)，工程上常用千瓦小时(kW·h)作单位，1kW·h也称为一度电。UIP直流电路九、电容器两个互相靠近而又彼此绝缘的导体就是一个电容器。如图4．12所示：图4．12电容器示意图直流电路衡量电容器容纳电荷的“能力”称作电容器的电容量，简称电容，用符号C表示。在国际单位制中，电容的单位是法拉(F)，一般用微法(F)或皮法(pF)。1F=106F=1012pF根据电路对电容量和耐压的要求，可对电容器进行串联或并联联接。UQC直流电路1.电容器的并联电容器的并联如图4．13所示。图4．13电容器的并联电容并联的特点：（1）各并联电容的电压相等；（2）等效电容为并联电容之和：电容器并联时，其工作电压不得超过其中的最低额定电压。21CCC直流电路2.电容器的串联电容器的串联如图4．14所示。图4．14电容器的串联直流电路电容串联的特点：（1）串联电容总电压等于各电容电压之和：（2）等效电容倒数等于串联电容倒数之和：2121CqCquuu21111CCC直流电路十、简单电路的计算运用欧姆定律及电阻串、并联关系就能对电路进行化简和计算的直流电路，叫作简单直流电路。直流电路第二节复杂直流电路*凡不能用串联和并联方法简化为无分支的电路，叫做复杂电路。复杂电路要同时用到基尔霍夫定律和欧姆定律才能求解。一、基尔霍夫定律基尔霍夫定律用于解决复杂电路的电压、电流计算。1.电路中的几个名词电路中通过同一电流的每个分支称为支路。3条或3条以上支路的连接点称为节点。电路中任一闭合的路径称为回路。图4．16所示电路中有3条支路，2个节点，3个回路直流电路图4．16复杂电路直流电路2.基尔霍夫电流定律（KCL）基尔霍夫电流定律：在任一瞬时，流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。所有电流均为正。也可以表述为在任一瞬时，通过任一节点电流的代数和恒等于零。可假定流入节点的电流为正，流出节点的电流为负；也可以作相反的假定。在图4．16中，对节点b出入II0I321III直流电路3.基