任务五《欧姆定律的应用》

任务五欧姆定律应用一、部分电路欧姆定律大量实验表明，在一段不包括电源的电路中，通过导体的电流，与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。这个结论是物理学中一个十分重要的定律，是德国物理学家欧姆首先在19世纪初期用实验的方法研究得出的，叫做部分电路欧姆定律。它揭示了一段电路中电阻、电压、电流三者之间的关系。如果用I表示通过导体的电流，U表示导体两端的电压，R表示这段导体两端的电阻，那么部分电路欧姆定律可以表示为RUI式中，电流（I）的单位是安培（A）；电压（U）的单位是伏特（V）；电阻（R）的单位是欧姆（Ω）。值得注意的是，电阻值不随电压、电流的变化而变化的电阻叫线性电阻，如线绕电阻，金属膜电阻等，线性电阻的阻值只与元件本身的材料和尺寸有关系，由线性电阻组成的电路叫线性电路。阻值随电压、电流的变化而变化的电阻，叫非线性电阻，如半导体二极管，含有非线性电阻的电路叫非线性电路。欧姆定律只适用于线性电路。一般把电阻两端的电压U和通过电阻的电流I之间的对应变化关系，称为伏安特性，表示两者之间变化关系的曲线称为伏安特性曲线。如果以电压、电流分别做为坐标轴，可以得到线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线，如图1-20所示。二、全电路欧姆定律全电路是指含有电源的电路，如图1-21所示，图中虚线框内代表一个电源，电源的内部一般都有电阻，这个电阻称为电源内阻，用r表示，事实上内阻在电源内部，与电源不分开，因而不单独画出，在电源符号边注明电阻值就可以了。电源内部的电路叫内电路，电源以外的电路叫外电路。线性电阻伏安特性曲线非线性电阻伏安特性曲线图1-20电阻伏安特性曲线图1-21全电路图1-21全电路在开关S闭合时，负载电阻R上有电流，这是因为电阻两端有电压的原因，这个电压由电源电动势E产生，称为负载电压UR，而电源两端的压降称为电源的路端电压，此时两者的大小相等，为U=UR=IR，在开关断开时U=E（在数值上），在开关闭合时，UR＜E，这是为什么呢？这是因为在电流流过电源内部时，在内阻上产生了电压降Ur，Ur=Ir。可见在电路闭合时，U与E之间的关系为即式中，电流、电动势（电压）、电阻的单位分别是安培（A）、伏特（V）和欧姆（Ω）。也就是说，在一个闭合电路中，电流强度的大小与电源的电动势成正比，与电路中内电阻和外电阻之和成反比。这个规律称为全电路欧姆定律。Ir-EUrREIIr-EU三、电源的外特性由公式可知，电路的路端电压与电源的电动势E、电路中的电流I和电源的内阻r三个量有关系。在通常情况下，电源的电动势和电源的内阻都可以认为是不变的，并且r＜＜R，因而电路中的电流主要受R变化的影响。当外电阻R较大时，电路中的电流I较小，路端电压较高，此时我们称电路的负载较轻，当外电阻为∝时，此时电路的电流为0，路端电压U=E，称为空载。反之，当外电阻R较小时，电路中的电流I较大，路端电压较低，此时我们称电路的负载较重，如果外电阻R为0，此时电路中的电流很大，可能损坏电源设备，过载是指电路中的电流超过了电路所允许的电流。为了防止短路事故，在电路中串接有保险丝，同时绝对不允许将一根导线或将电流表直接接在电源的两端。人们把电源端电压随负载电流变化的关系称为电源的外特性，绘成的曲线称为外特性曲线，如图1-22所示。图1-22电路的外特性图1-22电路的外特性四、电阻元件上消耗的能量与功率电流做功的过程就是将电能转化成其他形式的能的过程，我们在任务三中已学过电功和电功率的计算方法，结合部分电路欧姆定律的知识，我们可以推导出当负载是纯电阻时电功和电功率的计算方法。已知电功的计算公式为将部分电路欧姆定律代入,可得出电阻R上消耗的电功为UItW代入,可得出电阻R上消耗的电功为代入,可得出电阻R上消耗的电功为RUIRtItRUUItW22在国际单位制中U、I、R、t、W的单位分别是伏特（V）、安培（A）、欧姆（Ω）、秒（s）和焦耳（J）。同理，将部分电路欧姆定律带入电功率的计算公式，可得出负载是纯电阻时的功率的计算公式为在国际单位制中，P的单位为瓦特（W）。在这里需要特别指出的是，当负载是纯电阻电路时，上述等式才能成立，如果电路中存在电解槽、电动机等（将电能转化为热能以外的能量），和将仍然成立，而和将不再成立，因为此时等式不再成立。RUIRIRUUIP22UItWRtItRUUItW22RIRUUIP22RUIUIP基本技能电流和电功的测量仪表一、电流的测量仪表1．电流测量仪器的使用电流的大小可以用电流表测量，也可以用万用表电流档测量。我们以万用表为例说明电流的测量方法。测量步骤是：（1）选择量程。万用表直流电流档，有0.05mA、0.5mA、5mA、50mA、500mA和5A六个量程。测量电流（或电压）时要选择好量程，如果用小量程去测量大电流，则会有烧表的危险；如果用大量程去测量小电流，那么指针偏转太小，无法读数。量程的选择应尽量使指针偏转到满刻度的2/3左右。如果事先不清楚被测电流的大小时，应先选择最高量程档，然后逐渐减小到合适的量程。（2）测量方法。万用表应与被测电路串联。电流应该从红表笔流进电流表，黑表笔流出电流表。（3）正确读数。仔细观察表盘，直流电流档刻度线是第二条刻度线，用某一档时，可用刻度线下第三行数字读出相应的数值，然后乘以倍率即是被测电压值。注意读数时，眼睛视线应正对指针。（4）测量结束后，应拔出表笔，将选择开关置于交流电压最大档位。收好万用表。二、电能的测量仪表1.电度表（电功表）的使用电度表是用来测量电路消耗电能多少的设备，常见的电度表如图1-23所示。普通电度表IC卡电度表图1-23电度表电度表的读数可以从电度表上直接读出，最后一位为小数，图1-23中两电度表的读数分别是123.4度和3643.3度。某一段时间电路所消耗的电能，是电度表在两个时间的读数的差值。2.电度表（电功表）的接线电度表有四个接线端子，接线端子中的1、3端子接进线，2、4端子接输出线。如图1-23所示。三、技能练习1．目的：（1）用万用表测量电路中的电流；（2）电度表电路的组装。2．器材：（1）同任务三技能练习中电压的测量（2）10A电度表一个，闸刀一个，2KW左右用电器一个，导线若干。3．步骤：（1）电流的测量（2）电度表的连接四．安全用电1.触电当人体触及带电导体或接触设备的带电部分，就有电流流过人体，如果遭受到电的伤害，就称为触电。人体触电时，电流对人体造成的伤害可分为两大类：一类是电流通过人体，引起内部器官的创伤，叫做“电击”；另一类是电流通过人体，引起外部器官的创伤，叫做“电灼伤”。2.触电的危害当人体触电时，电流会使人体的各种生理机能失常或遭受破坏，如烧伤、呼吸困难、心脏麻痹等，严重时会危机生命。触电对人的损害程度由下列几种情况决定：（1）通过人体电流的大小通过人体电流的大小对人体的影响，如表1-11。表1-11电流的大小对人体的影响电流(毫安)对人体的影响50～60赫交流电直流电0.6～1.5开始感到手指麻刺没有感觉2～3手指强烈麻刺没有感觉5～7手的肌肉痉挛刺痛，感到灼热8～10手已难摆脱带电体，但还能摆脱灼热感增加20～25手迅速麻痹，不能摆脱带电体，剧痛、呼吸困难灼热加剧，产生不强烈的肌肉痉挛50～80呼吸麻痹持续3秒或更多时间，心脏麻痹，并停止跳动呼吸麻痹从上表可知，当频率为50~60赫（我国日常用电为220伏、50赫，有些国家用的是110伏、60赫，也有的用240伏、60赫）交流电流大于10毫安或直流电流大于50毫安时，就有可能危及生命。为了使电流不至于超过上述数值，我国规定安全电压为36伏、24伏及12伏三种(根据场所潮湿程度而定)。（2）电流通过人体的时间电流作用于人体时间的长短，直接关系到人体各器官的损害程度。因此，当发生触电事故时，应立即切断电源，或使触电者迅速安全地脱离电源。（3）电流通过人体的途径电流如果沿着人的脊柱通过(即电流从手流到脚，或者流过心脏)是最危险的，所以双手触电危险性最大。（4）触电伤害程度触电者的健康状况各人的身体状况不同，其触电伤害程度是不同的。如心脏病、肺结核病、神经病和内分泌器官病患者，触电极其危险。（5）人体电阻对人身触电的影响人体触电时，当接触的电压一定时，流过人体的电流大小就决定于人体电阻的大小。人体电阻越小，通过人体的电流就越大，也就越危险。另外，人体皮肤越湿，电阻越小，通过人体的电流就越大，给人体造成的伤害也越重。3.人体触电的类型人体触电事故多种多样，就其形式来说可分为双线触电、单线触电和跨步电压触电三种。（1）双线触电如果人体的不同部位同时分别接触同一个电源的两根导线(包括同时接触两根火线或一根火线和一根零线)，即为双线触电。这时电流从一根导线经过人体流至另一根导线，在电流回路中只有人体电阻，其电压为线电压或相电压，如图1-24所示。在这种情况下，触电者即使是穿上绝缘鞋或者是站在绝缘台上也起不了保护作用。所以，两线触电是最危险的。图1-24双线触电示意图（2）单线触电若电动机电器的绝缘损坏(击穿)或绝缘性能不好(漏电)时，其外壳便会带电，如果人体与带电外壳接触或接触到带电的一根火线，这就是单线触电，如图1-25所示。为了防止这种事故，电气设备常采用保护接地和保护接零措施。图1-25单线触电示意图图1-26跨步电压触电示意图（3）跨步电压当架空线路的一根带电导线断落在地上时，落地点与带电导线的电势相同，电流就会从导线的落地点向大地流散，于是地面上以导线落地点为中心，形成了一个电势分布区域，离落地点越远，电流越分散，地面电势也越低。如果人或牲畜站在距离电线落地点8～10米以内，就可能发生触电事故，这种触电叫做跨步电压触电。如图1-26所示。人受到跨步电压时，电流虽然是沿着人的下身，从一支脚经腿、胯部又到另一支脚与大地形成通路，虽然没有经过人体的重要器官，但是因为人受到较高的跨步电压作用时，双脚会抽筋，使身体倒在地上。这不仅使作用于身体上的电流增加，而且使电流经过人体的路径改变，完全可能流经人体重要器官，如从头到手或脚。人倒地后，电流在体内持续作用几秒钟就会致命。所以一个人当发觉受到跨步电压威胁时，应赶快把双脚并在一起，或尽快用一条腿跳着离开危险区。此外，在各种形式的短路和带负载断开电路等情况下，人体都可能由于发生电弧而被烧伤。4.预防触电的保护措施为了更好地使用电能，防止触电事故的发生，必须加强安全用电常识的教育，普及安全用电知识，以便更好地掌握安全用电的方法，使用各种电气设备时严格遵守操作规程。预防触电的措施如表1-12所示。表1-12预防触电的保护措施措施示意图说明及时更换破损绝缘线定期检查各种电气设备，特别是移动式电气设备，如发现电气设备或导线的绝缘部分破损，要及时更换防止漏电。防止线路和电气设备受潮不要在电线或设备上晾晒衣物，不要用湿抹布擦导线，防止线路和电气受潮。设置接地导体各种电器设备都应设置地线，将漏电降至安全范围。挂牌检修示警检修时切断电源，并在开关处挂牌示警或派专人看守。设置避雷针安装避雷装置，架设电视天线时，不要触及电线。当架设比周围建筑物高的室外天线时，一定要安装避雷器。采取必要保护措施在危险的场所(如工作地很狭窄，工作地周围有对地电压在250伏以上的导体等)，禁止带电工作。如果必须带电工作时，应采取必要的安全措施，如采用绝缘手套、绝缘靴，或站在绝缘垫、绝缘站台上。5.触电的现场处理措施（1）脱离电源若发现有人触电，切不可惊慌失措，应保持头脑冷静，迅速有效地采取措施。可以及时拨打110，或用如图1-27所示的安全方法，使触电者脱离电源。(b)戴手套或用干燥的衣服包着手并站在木板上拉开触电者(a)拉开开关或把掉插头(c)挑、拉电源线(d)切断电源线图1-27脱离电源的方法（2）现场急救当触电者脱离电源后，如果神志清醒且皮肤又未灼伤，可将其抬至通风的地方休息；若触电者呼吸停止，心脏也停止跳动，在医务人员到达之前，可采用人工呼吸和心脏挤压的急救方法使触电者恢复心跳，见表1-13。表1-13现场急救法图示说明人工呼吸法