电路的基本概念 (1).doc

电工基础 第一章 电路的基本概念 1． 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、焦尔定律，了解电阻与 温度的关系。 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。 序号 内 容 学 时 1 绪论 0.5 2 第一节 电路 1 3 第二节 电流和电压 4 第三节 电阻 1 5 第四节 部分欧姆定理 6 第五节 电能和电功率 1.5 7 本章小结与习题 8 本章总学时 4 第一节 电 路 一、电路的基本组成 1．什么是电路 图1-1 简单的直流电路 电路是由各种元器件或电工设备按一定方式联接起来的总体，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。 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。 3 控制器件控制电路工作状态的器件或设备如开关等。 4 联接导线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。 2 开路断路电路中没有电流通过，又称为空载状态。 3 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1-2 手电筒的电路原理图 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，也叫做实际电路的电路原理图，简称为电路图。例如，图1-2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。 表1-1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 电路中电荷沿着导体的定向运动形成电流，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 it表示，讨论一般电流时可用符号i。 设在 Dt t2－t1时间内，通过导体横截面的电荷量为 Dq q2－q1，则在 Dt时间内的电流强度可用数学公式表示为 式中，Dt为很小的时间间隔，时间的国际单位制为秒s，电量 Dq的国际单位制为库仑C。电流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 mA、千安kA等，它们与安培的换算关系为 1 mA 10-3A； 1 mA 10-6 A； 1 kA 103 A 二、 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Direct Current，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。 三、交流电流 如果电流的大小及方向均随时间变化，则称为变动电流。对电路分析来说，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化，将之简称为交流Alternating current，记为AC或ac，交流电流的瞬时值要用小写字母i或it表示。 四、电压 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，常用的单位还有毫伏mV、微伏mV、千伏kV等，它们与伏特的换算关系为 1 mV 10-3 V； 1 mV 10-6 V； 1 kV 103 V 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ut表示。 第三节 电 阻 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 r 制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆 米W m ； 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W。 经常用的电阻单位还有千欧kW、兆欧MW，它们与 W 的换算关系为 1 kW 103 W； 1 MW 106 W 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 如果R2 R1，则 a 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R2 R1，则 a 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 a 的绝对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。 R2 R1[1 at2－t1] 图1-4 线性电阻的伏安特性曲线 第四节 部分电路欧姆定律 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。 第五节 电能和电功率 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 1 mW 10-3 W； 1 kW 103 W 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 1度电 1 kW h 3.6 106 J。 即功率为1000 W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60 W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 30 120 h，则 W P t 60 120 7200 W h 7.2 kW h 即每月消耗的电能为7.2度，约合为3.6 106 7.2 2.6 107 J。 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，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在正常工作条件下允许施加的最大电压。 额定电流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、焦尔定律 电流通过导体时产生的热量焦尔热为 Q I2Rt I 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 W。 T 通过导体电流持续的时间，单位为s。 Q 焦耳热单位为J。 本 章 小 结 本章介绍了电路的基本概念，内容包括 一、电路 电路是由各种元器件或电工设备按一定方式联接起来的总体,为电流的流通提供了路径。电路的基本组成电源、负载、控制器件和联结导线等四个部分。电路有通路、开路、短路等三种状态。 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。 二、电流 在电场力作用下，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。 电流的大小及方向都不随时间变化，则称为直流电流。电流的大小及方向均随时间做周期性变化，则称为交流电流。 三、电压 电压是指电路中两点A、B之间的电位差，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。 电压的大小及方向都不随时间变化，则称之为直流电压。电压的大小及方向均随时间做周期性变化，则称为交流电压。 四、电功率与电能 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，P UI 。 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，W P t UIt 1度电 1kW h 3.6 106 J。 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。 五、电阻 1. 电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件，电阻定律为。 电阻元件的电阻值一般与温度有关，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，即 。 2. 电阻元件的伏安特性关系服从欧姆定律，即U RI 或 I U/R GU 。 其中，电阻R的倒数G叫做电导，其国际单位制为西门子S。 3. 电流通过导体时产生的热量为Q I2Rt 焦尔定律。 7