电工基础教案.

电工基础教案.第一章电路的基本概念和基本定律第一节电路基本知识一、电路的基本组成1电路的概念电路是电流流通的路径，也就是由各种元器件（或电工设备）按一定方式联接起来的总体，它为电流的流通提供了路径。电路的作用是能够是实现电能的传输与变换，能够实现信号的传递与处理。2、电路的基本组成电路的基本组成包括以下四个部分：（图1-1-1）（1）电源（供能元件）：为电路提供电能的设备和器件，将非电能（如化学能、光能、机械能等）转化为电能的设备。（如电池＜化学能〉、发电机＜机械能＞等）。（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）。将电能转化成其他形式的能量。（3）控制元件：控制电路工作状态的器件或设备（如开关等）。起着接通、断开、保护、测量的作用。⑷联接导线：连接电源和负载的导体，为电能提供通路并传输电能。将电器设备和元器件按一定方式联接起来（如各种铜、铝电缆线等）。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。根据负载的情况，又分为满载、轻载、过载三种情况。（图1-1-2a）（2）短路（捷路）:电源两端的导线直接相连接，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。（图1-1-2b）（3）开路（断路）：电路中没有电流通过，又称为空载状态。（图1-1-2c）图1-1-2电路状态二、电路模型（电路图）由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实图1-1-1电路的基本组成R际电路的电路原理图，用规定的符号表示电路连接情况的图称为电路图。例如，图1-1-3所示的手电筒电路。理想元件：电路是由电特性相当复杂的元器件组成的，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图1-1-3手电筒电路一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件（模型）来代替，而对它的实际上的结构、材料、形状等非电磁特性不予考虑。常用理想元件及符号表1-1-1名称1符号名称］符号turn0---□---O电°——O——°电池O——1|--o接地或暹灯O——0——OO---S----O开关Q——―O电容o----II---C电流表O―O~0电感Q——nmn—。第二节电流、电压及其参考方向一、电流及其参考方向任何物质都是由分子组成，分子由原子组成，而原子又是由带正电的原子核和带负电的电子组成。通常原子是中性，不显电性，物质本身也显不带电的性能。当人们给予一定外加条件时，能迫使金属或溶液中的电子发生有规则的运动。电荷在电场作用下做有规则的定向移动就形成了电流。电路中电荷沿着导体的定向运动形成电流，形成电流的内因是导体内存在大量自由电荷，外因是导体两端有电压作用。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=t2-11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i（t）计式中，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;1A=10-6A;1kA=103A在实际电路中，将电流表串联在电路中（使电流从表的正极端流入），同时选择合适的量程，即可测量电流的大小。1、直流电流：电流的大小、方向均不随时间而变化叫直流电流。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de,直流电流要用大写字母I表示。|_qQt直流电流I与时间t的关系在I—t2、交流电流如果电流的大小及方向均随时间变化，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，作周期性变化，将之简称为交流（Alternatingcurrent），记为AC或ae,交流电流的瞬时值要用小写字母i或i（t）表示。二、电压及其参考方向1电压的基本概念电压是指电路中两点A、B之间的电位差（简称为电压），其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所作的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特（V），（kV）等，它们与伏特的换算关系为1mV=103V;1例：已知A点对地电位是65V,2、直流电压与交流电压如果电压的大小及方向都不随时间变化，则称之为稳恒电压或恒定电压，简称为直流电压，用大写字母U表示。如果电压的大小及方向随时间变化，则称为变动电压。对电路分析来说，一种最为重要的变动电压是正弦交流电压（简称交流电压），其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化。交流电压的瞬时值要用小写字母u或u（t）表示。第三节电功率、电能一、电功率（简称功率）1、概念、公式、单位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。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=103W;1kW=103W2、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，其国际单位制为焦尔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）:常数t坐标系中为一条与时间轴平行的直线。则称为变动电流。对电路分析来说,其大小及方向均随时间按正弦规律常用的单位还有毫伏（mV）、微伏（V）、千伏V=106V;1kV=103VB点对地电位是35V,则Uab等于30V。1度（电）=1kW•h=3.6106J。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。-h107J。第五节电阻元件一、电阻元件及其VCR1、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。（图1-5-1）电阻值R与通过它的电流I和两端电压U有关（即R常数）的电阻元图1-5-1线性电阻伏安曲线件叫做非线性电阻，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。2、概念：电阻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。3、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）。在纯电阻电路中，电流的大小与电阻两端电压的高低成正比，这就是部分电路的欧姆定律。二、电阻器及其额定功率、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，规定了额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。额定电压一一电气设备或元器件在正常工作条件下允许施加的最大电压。额定电流一一电气设备或元器件在正常工作条件下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。额定工作状态一一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。轻载状态一一电气设备或元器件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。轻载时功率大的电器，电流在相同时间内比满载时所做的功就小很多。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。满载和过载时功率越大的电器，电流在相同时间内做的功就越多轻载和过载都是不正常的工作状态，一般是不允许出现的。三、材料的电阻温度系数1、电阻定律：R-SW=P•t=60120=7200W•h=7.2kW即每月消耗的电能为7.2度，约合为3.61067.22.6——制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆•米(•m)；1――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)，它们与的换算关系为1k=103；1M=1062、电阻率：又叫电阻系数或比电阻。是衡量电性能好坏的一个物理量，以字母表示，单位为欧姆•毫米2/米。电阻率在数值上等于用该种物质做的长-米，截面积为1平方毫米的导线，在温度为20°C时的电阻值。电阻率越大，则电阻越大，导电性能越低。3、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R，当温度升高到t2时电阻值为则该电阻在「一t2温度范围内的(平均)温度系数为R1(t2t1)如果RR,贝U0,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；如果艮R,贝U0，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。第二章直流电路第一节电阻的串联、并联和混联一、电阻的串联及其分压1、串联各电阻的电流：I=U』R1=U2/R2=U3/R3,电流处处相等。2、串联单口的端口电压等于各串联电阻的电压之和，即U=口计口2+U3=R1I+R21+R313、电阻串联电路的特点(1)电阻串联电路Ri悶陥o——cn__—cn—o——/图2-1-1电阻的串联设总电压为U、电流为I、总功率为P。(2)等效电阻：电阻串联单口的等效电阻等于串联的各电阻之和。R=R+R+F34、串联电阻的分压(1)各电阻的电压分别为U1=■R1I-=R1/R.UU2=■R2I==R2/R.UU3=:R3I==R3/R.U(2)串联电阻的分压公式：R1/R.R2/R.R3/R称为分压比。在电路中，串联电阻能起到分压作用。5.功率分配：兰空也£I2R1R2RnR特例：两只电阻R1、R2串联时，等效电阻R=R1R2，则有分压公式R1R2U1——1—U，U2——2—URiR2R1R2两只阻值不等的电阻串联后接入电路，贝U阻值大的发热量大。5、应用举例UU1R2R1一U1即将电灯与一只36分压电阻串联后，接入U=220V电源上即可。R=RiR2Rn【例2-3】有一盏额定电压为U40V、额定电流为I5A解：将电灯(设电阻为R1)与一只分压电阻R2串联后，接入U=220V电源上，如图2-8所示。解法一：分压电阻U2=U—U1=220R2R2上的电压为40=180V，且U2=R2I，则U2180”236I5*+LI—+V，-——o+V解法二：利用两只电阻串联的分压公式U1RiRiR2,可得36【例2-4】有一只电流表,内阻R=1k，满偏电流为Ig=解：如图2-9所示。该电流表的电压量程为Ug=RgIg=0.1V，与分压电阻R串联后的总电压Un=3V,即将电压量程扩大到n=Un/Ug=30倍。利用两只电阻串联的分压公式，可得图2-9例题2-4⑵当100盏电灯全部工作时，即n=100,则Rn=R/n=12.1aRgRn，则UnUgUgRgUn1Rg(n1)Rg29k上例表明，将一只量程为Ug、内阻为Rg的表头扩大到量程为Un,所需要的分压电阻为R=(n1)Rg，其中n=(Un/Ug)称为电压扩大倍数二、电阻的并联及其分流(一)电阻并联电路的特点设总电流为I、电压为U、总功率为P1.等效电导：G=G