直流电路基础知识

项目一直流电路基础知识项目一直流电路基础知识知识目标：了解电流、电压、电动势的基本概念，掌握其单位及单位的换算；了解电阻的概念和电阻与温度的关系；掌握欧姆定律，熟练应用欧姆定律进行计算；理解电能和电功率的概念，掌握焦耳定律，掌握电能、电功率的计算。技能目标：会使用直流电压表、电流表会用万用表测量直流电压、直流电流和电阻。任务一电路及电路图1.1电路的组成电路是电流流通的途径，电能转化为其它形式的能要通过闭合电路来完成。因此，为了利用电能，必须组成各种形式的电路。电路是由电源、导线、开关和负载四大部分组成。下图是直流电动机控制回路，当开关闭合，电池给电动机供电，电动机转动；当开关断开，电流不能形成回路，电动机停止转动。（1）电源电源是电路的源泉，它为电路提供电能。现在应用的电源有各种干电池电源、太阳能电源、风力发电电源、火力发电电源、水力发电电源、核能发电电源等。（2）导线导线构成电路的通路。因为用途不同，导线的种类繁多，主要用于电力系统作为输电导线。（3）开关开关是控制电路通、断的电器（设备），根据用途不同，其体积、形状差别很大。用在电子仪器、设备上的有微型开关；用在电力设备上的有耐高压、大电流的高压开关，用在运动设备上有接近开关，用在一般设备上的有刀开关、空气开关等。（4）负载负载是消耗电能的设备，电路通过负载，将电源的电能转化为热能、机械能、光能等其他形式的能，为人们所用。电路的负载常用的有以电动机驱动的各种机械；以电阻加热的电炉、电热器、电吹风、电烙铁等；以发光为目的的各种电光源；在电子电路中的各种耗能器件，发射装置等，都可以视为电源的负载。图1-4各类开关（b）低压电器断路器（c）电子接近开关（d）电路符号（a）低压电路翘板开关图1-5电路负载（a）电动机（b）节能灯（c）电暖器（d）电路符号1.2电路的物理量1.2.1电流1.电流的形成。电流就是电子在电场力作用下有规则的定向运动。在导体中形成电流的条件是：有可以移动的电荷和维持电荷作定向移动的电场。2.电流强度单位时间内通过导体截面电荷量的多少称为电流强度。它是表征电流大小的物理量。电流强度的单位为安培，简称安，符号为A。图1-6电流的形成（a）未通电状态（b）通电状态设在△t时间内，流过截面S的电荷量为△Q，则电流强度为如果电流的大小和方向都不随时间的变化而变化，则称为稳恒直流电，简称直流电。其数学表达式为3.电流的正方向在电路的计算中，电流的实际方向有时不好确定，为了计算方便，可先假定一个电流的正方向，这个假定的电流正方向称为参考方向，并在电路中用箭头标出。通过计算后，如果计算值为正，则电流的实际正方向与假定的参考方向相同；如果计算值为负，则电流的实际正方向与假定的参考方向相反。tQItQiII＞0II＜0实际方向参考方向（a）参考方向与实际方向相同（b）参考方向与实际方向相反1.2.2电压、电位、电动势1．电压下图是水的循环流动示意图。我们以水的循环流动来说明电流在电路中的流动原理。流和水流有着相似的规律，如图1-10所示，要想形成图中电流，必须在白炽灯两端存在电位差（类似水槽的水位差）。A、B极板之间的电位差称为A、B两点之间的电压UAB。电压的正方向规定为：由高电位指向低电位，即从电源的正极指向负极。电压的方向用“＋”、“-”号来表示。电压的单位是伏特，简称伏，符号为V。图1-9水流方向图1-10电动势、电压说明图2.电位电位的定义：取电路中任一点作为参考点，并规定为零电位，电路中任一点到参考点之间的电压，就称为该点的电位。电位的方向：当某点到参考点的电压为正时，则该点的电位为正；当某点到参考点的电压为负时，则该点的电位为负。电位用符号“V”来表示。电压是电路中的两点电位之差，电路中任意两点间的电压大小，仅取决于这两点电位的差值，与电位参考点的选择无关。电位的单位与电压的单位相同。3.电动势电动势就是表征电源力对电荷做功能力的物理量。电动势的方向规定为由电源的负极指向正极，用“＋”、“-”号来表示，如图1-10所示。电动势的方向规定为由电源的负极指向正极，用“＋”、“-”号来表示。电动势的单位也是伏，符号为V。1.2.3电流、电压的测量1．电流的测量测量时将表的两个接线端串联在电路中（千万不可并联在电路上），表的“＋”端为电流的流入端；表的“－”端为电流的流出端。根据表针所指示的刻度，读出电流的大小。2．电压的测量测量时将表的两个接线端并联在被测电压的两端，测量时表的“+”接线端接被测电压的正极，“-”接线端接被测电压的负极。根据表针所指示的刻度，读出电压的大小。1.3电阻1.3.1导体的电阻1.导体电阻的概念图1-14所示是电子在导体中流动示意图。图1-14a和图1-14b是不同的两种导体材料，材料内的原子结构不同，导体对电子流动呈现出的“阻力”不同；图1-14c是同一种导体材料，由于材料的截面积不同，导体对电子流动呈现出的“阻力”不同。导体对电流的阻碍作用称为导体的电阻，用符号“R”来表示，其基本单位为欧姆（Ω）。较大的单位有kΩ和MΩ。其换算关系为1MΩ=1000kΩ、1kΩ=1000Ω图1-14电子在导体中流动示意图a)导体中“障碍物”少b)导体中“障碍物”多c）导体截面积不同电子所受阻力不同2.导体的电阻率与温度系数1）电阻定律导体电阻的大小与导体的电阻率和导体长度成正比，与导体的横截面S成反比，用公式表示为当温度变化时，导体的电阻率也随之变化。如果导体的电阻率随温度的升高而升高，则为正温度系数导体；反之，则为负温度系数导体。所有金属的电阻率都随温度的升高而增大，因此，金属均为正温度系数导体。当温度在0～100OC范围内变化时，大部分金属的电阻率与温度成如下的线性关系：ρ——温度为t℃时的电阻率，单位为Ω•m；ρ0——温度为0℃时的电阻率；α——电阻的温度系数SlR)1(0t1.3.2电阻器1.电阻器的作用和分类电阻器是应用具有一定电阻率的导电材料制成的电路元件。电阻器亦简称为电阻，是工程技术中用量最大的电路元件之一。为了适应不同电路和不同工作条件的需要，电阻器的品种规格繁多，按外形结构可分为固定式和可变式两大类。常用电阻器的外形及用途。2.电阻元件模型及电路符号实际电路中的电阻器、白炽灯、电炉、电烙铁等电路器件，在电路中表现出来的都是电阻的特性，为了分析方便，就不考虑它们的结构、形状等次要因素，只考虑它的电阻，这个电阻就称为实际电路器件的电阻元件模型。电阻元件模型也简称为电阻，其电路符号如图1-16所示。电阻是耗能元件，它将电能不可逆地转换为热能。电阻器的外形、特征及用途电阻的标称阻值的标注方法1.直标法主要参数直接标注在电阻器的外壳上。▲——表示电阻器的商标；RJ——“R”代表电阻器，“J”表示电阻器由金属材料制作而成；1W——表示电阻器的额定功率为1W；5.1kΩ——表示电阻器的的电阻值为5.1kΩ；±5%——电阻值的允许偏差值为±5%。电阻的标称阻值的标注方法2.数码法用3或4位阿拉伯数字来标注电阻的阻值472表示：104表示：K7.410472K100101044501表示：1123表示：4.5k104501112k101123电阻的标称阻值的标注方法3.色标法用不同颜色的色环或色点表示电阻的阻值和允许误差。使用最多的标注方法电阻的标称阻值的标注方法案例：色环电阻的识别例：识别某四环电阻电阻：（棕绿红金）解：第一位有效数字：3；第二位有效数字：3；第三位10的5次方（即100000）；第四位允许误差为5%即阻值为：33×100000=3.3×106Ω=3.3MΩ敏感电阻器实物压敏电阻光敏电阻正温度热敏电阻PTC汽敏电阻负温度热敏电阻NTC湿敏电阻线性电阻和非线性电阻电阻两端的电压与通过它的电流成正比，其伏安特性曲线为直线，这类电阻称为线性电阻，其电阻值为常数；反之，电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系的电阻称为非线性电阻，其电阻值不是常数。一般常温下金属导体的电阻是线性电阻，在其额定功率内，其伏安特性曲线为直线。电视机的消磁电阻在电视机正常工作时，它的阻值很大，耗电很少，然而在电视机刚刚接通电源的一刹那，消磁电阻的阻值因发热阻值变得很大，做正常工作电流很小。消磁电阻就是非线性电阻。1.3.3电阻的测量测量电阻用欧姆表。图1-17是用指针式万用表的欧姆挡测量电阻，测量前先将万用表的旋转开关旋到电阻挡，然后将两表笔短路校零（两表笔短路的同时旋转表盘上的校零可调电阻，使表针指到右边零刻度）。测量时两表笔搭在被测电阻的两端，表针指示的刻度既是被测电阻的阻值。如果被测电阻连接在电路中，测量时必须将电阻与电路断开，更不允许电路带电测量。图1-16电阻元件的电路符号图1-17电阻的测量1.4欧姆定律我们生活中有这样的经验：当我们打开水龙头时，如果水管中的压力大，水流就大；如果水管中的压力小，水流就小（见图1-18）。在同一条水管中，水管中水的压力大，水的流速大，反之，水的流速小。在广场的音乐喷泉中，喷出的水柱高度随着音乐的节奏跳跃变化，水柱高时水泵的出口压力高；水柱低时水泵的出口压力低。图2-18水管压力不同，水的流速不同（a）水管压力小，水流缓慢（b）水管压力大，水流速度快在电阻电路中，电压和电流也有着类似的规律：即加在同一个电阻上的电压高，电阻中的电流大，反之，电流小。1.4.1电阻电路欧姆定律一段只含有电阻、而不含有电源的电路，称为电阻电路，如图1-19所式。a)关联参考方向b)非关联参考方向图1-19部分电阻电路电阻电路的欧姆定律可表述为：流经电阻的电流与加在电阻两端的电压成正比，与电阻的阻值成反比，其表达式为或（1-7）在式1-7中，电压与电流的正方向设定为一致，称为关联参考方向，如图1-19a所示；如果电压与电流的正方向设定相反,如图1-19b所示,则称为非关联参考方向，非关联参考方向的表达式为（1-8）在以后的电路分析中，如不加特别说明，均为关联参考方向。RUIIRUIRUa)关联参考方向b)非关联参考方向图1-19部分电阻电路欧姆定律只适应于线性电阻电路，即当电压和电流变化时，电阻的阻值不变。图1-20a是线性电阻的伏安特性曲线。某些电阻元件，如半导体二极管的正向电阻、白炽灯的灯丝电阻，它们不遵循欧姆定律，伏安特性曲线是一条曲线，这种电阻称为非线性电阻，它的阻值随工作电压的变化而变化，如图1-20b所示。a）线性电阻的伏安特性b）非线性电阻的伏安特性图1-20电阻的伏安特性曲线1.4.2全电路欧姆定律由含有内阻的电源和负载电阻组成的闭合回路称为全电路。最简单的全电路如图1-21所示，图中E为电动势，RO为电动势的内阻，R为外电路负载电阻。图1-21简单的全电路全电路的欧姆定律可表述为：通过全电路的电流与电源的电动势成正比，与电路中的总电阻成反比，其表达式为或（1-9）由式中可见，为外电路电阻上的电压，令；为内电路内阻上的电压，令，则有（1-10）此式称为全电路电压平衡方程式，它说明了在一个闭合电路中，电压升（电动势E）等于电压降（）。0RREI0IRIREIRU外0IRU＝内内外UUE内外UU欧姆定律的应用并不是简单的套用公式，而往往是要分析解决实际问题。实训：电路物理量的测量实训内容：学习电阻的测量，验证欧姆定律，计算电功率。实训要求：测量电阻前要校零，学习电阻的测量和读数；通过对电阻、电流、电压三个参数的测量，将测量值代入以验证欧姆定律的正确性。RUI（b）测电阻（a）电子调零（c）测量电路中电流（d）测直流电压案例1收音机电流调试1.4.3活学活用1.确定电路的工作电流大家知道，测量电流要将电流表串联在电路中，需要将电路断开将表串入，测量很不方便。我们又知道，测量电压是将电压表并联在被测电路两端，测量时很方便。在条件许可的情况下，都是利用测量电压的方法，测量出电压，再换算出电流。案例叙述图1-23a、b是收音机的外形和内部电路，图1-23c是收音机的部分电路及测量图。我们在组装收音机时，要调整电路的静态电流，在调整时要测量电流的大