電工技術應用 項目1 簡單直流電路的連接與檢測

寧鄉(xiāng)市職業(yè)中專學校精品系列課程《電工技術應用》項目1：簡單直流電路的連接與檢測主講：董艷芳

電路是將電氣設備和元器件按一定方式連接而成的整體，它是電流通過的路徑，最簡單的電路由電源、用電器（負載）、導線和開關組成。直流電路就是電流方向不變，電流大小可以變化的電路。本項目以簡單直流電路的連接與檢測為目標，重點介紹電路的組成及工作狀態(tài)、電學的基本物理量及測量方法、簡單直流電路的連接與檢測。1.1項目描述1.2知識準備1.2.1庫侖定律任務導引在初中物理學中我們就知道同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引，那么電荷間的這種作用力的大小跟哪些因素有關呢？1785年法國物理學家?guī)靵鐾ㄟ^反復實驗得出了結論。1.2知識準備1.2.1庫侖定律做中學、做中教拿絲綢摩擦玻璃棒或毛皮摩擦橡膠棒，然后去靠近羽毛、紙屑等輕小物體，會看到什么現象？1.2知識準備1.2.1庫侖定律羽毛、紙屑等輕小物體會被吸引起來。是因為玻璃棒的一些電子移到絲綢上，玻璃棒上帶正電荷；而毛皮上的一些電子轉移到橡膠棒上，橡膠棒上帶負電荷；電荷具有吸引輕小物體的特性。自然界中只存在這兩種電荷，并且同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引?，F象基本概念電學上，我們把處于帶電狀態(tài)的物體稱為帶電體。帶電體所帶電荷的數量，叫做電荷量，也叫電量，用字母Q表示。在國際單位制中電量的單位叫庫侖，簡稱庫，用字母C表示。自然界中最小的電量是電子的電量(最小的負電荷)和質子的電量(最小的正電荷)，它們的電量絕對值相等。一個電子的電量為e=1.6×10-19C。實驗證明，任何帶電粒子所帶的電量等于電子或質子電量的整數倍。因此把1.6×10-19C叫做基本電荷，也稱元電荷。1.2知識準備1.2.1庫侖定律基本概念將帶有等量異種電荷的物體接觸時，由于正、負電荷的數量相等，相互抵消，因此它們對外既不顯示帶正電，也不顯示帶負電，呈電中性，這種現象叫做電荷中和。電荷守恒定律在正常情況下，無論什么物質，所帶正電荷的總數與負電荷的總數相等。正、負電荷是物體固有的，它既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。它只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一個部分轉移到另一部分。這個規(guī)律叫做電荷守恒定律。1.2知識準備1.2.1庫侖定律庫侖定律在真空中兩個點電荷間的作用力的大小跟它們所帶電荷量的乘積成正比，跟它們之間距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。靜止的點電荷之間的這種作用力叫靜電力或庫侖力。對于電荷量分別為q1、q2的兩個點電荷，他們之間的距離為r,F表示它們之間的靜電力，則庫侖定律可用公式表示為：式中，F表示靜電力，單位是牛頓（N）；k表示靜電恒量，k=9.0×109N·m2/C2；q1、q2表示點電荷的電荷量，單位是庫侖（C）；r表示兩個點電荷間的距離，單位是米（m）。1.2知識準備1.2.1庫侖定律注意1.庫侖定律只適用于計算兩個點電荷間的相互作用力，非點電荷間的相互作用力，庫侖定律不適用。2.應用庫侖定律計算時，不用把表示正、負電荷的“+”“-”符號代入公式中，其結果可根據電荷的正、負確定作用力為引力或斥力以及作用力的方向。1.2知識準備1.2.1庫侖定律【例1－1】真空中有兩個點電荷，電荷量分別是+2×10-8C和-4×10-8C，它們之間相距10cm,求電荷間的相互作用力是多大？是引力還是斥力？解：由庫侖定律可得：因為兩個點電荷帶的是異種電荷，所以其相互作用力是引力。1.2知識準備1.2.2電場和電場強度任務導引從庫侖定律我們已經知道，真空中的點電荷之間存在著作用力，那么，這種相互作用力是通過什么發(fā)生的呢?電學上又是如何描述的呢？從庫侖定律我們已經知道，真空中的點電荷之間存在著作用力，那么，這種相互作用力是通過什么發(fā)生的呢?電學上又是如何描述的呢？1.2知識準備1.2.2電場和電場強度做中學、做中教

將小金屬箔球、金屬懸線（銅線）、金屬桿、鐵架臺、導線和范式起電機按圖1-2所示連接，啟動起電機，觀察小金屬箔球如何運動？用絕緣棒移動懸掛點的位置，觀察小金屬箔球偏角有何不同？1.2知識準備1.2.2電場和電場強度現象啟動起電機后，兩個小金屬箔球向左右兩側偏離。用絕緣棒移動懸掛點的位置，小金屬箔球偏轉的角度不同，離場源越近偏角越大，離場源越遠偏角越小。原因啟動起電機后，場源和小金屬箔球帶同種電荷，場源周圍的一種特殊的物質，那就是電場，電場對任何處在其中的電荷或帶電體都有力的作用，即電場力，按照同種電荷相互排斥，因此出現了小金屬箔球向左右兩側偏離。又為什么懸掛點的位置不同偏角不同呢？是因為離場源距離不同的地方電場強度不同；離場源越近電場強度越大，離場源越遠電場強度越小，因此出現了不同偏角。1.2知識準備1.2.2電場和電場強度基本概念

實驗表明，在電場中的同一點，比值F/q是恒定的；在電場中的不同點，比值F/q一般是不同的。這個比值由檢驗電荷q在電場中的位置所決定，與檢驗電荷q無關，是反映電場性質的物理量，用來表示電場的強弱。

檢驗電荷在電場中某一點所受電場力F與檢驗電荷電荷量q的比值，叫做該點的電場強度，簡稱場強。用公式表示為：

式中，E表示電場強度，單位是牛頓每庫侖(N/C)；F表示電場力，單位是牛頓(N)；q表示檢驗電荷的電荷量，單位是庫侖(C)。

電場強度是矢量，既有大小又有方向。電學中規(guī)定，電場中某點的場強方向，就是正電荷在該點所受電場力的方向。1.2知識準備1.2.2電場和電場強度【例1－2】在電場中的某點放入電荷量為6×10-9C的點電荷，受到的電場力為3×10-5N。該點的電場強度是多大?如果改用電荷量為8×10-9C的點電荷，該點的電場強度又是多大?點電荷所受的電場力變?yōu)槎嗌?解：由電場強度公式可得：因為電場中某點的電場強度與檢驗電荷無關，所以該點的電場強度不變，仍為5000N/C。點電荷所受的電場力：F′=Eq′=5×103×8×10-9=4×10-5N。1.2知識準備1.2.2電場和電場強度做中學、做中教

我們來做個實驗：把奎寧晶?；蚴扌嫉绕≡诜彩苛钟突虮吐橛瓦@類粘滯物質的表面上，再放入電場。我們發(fā)現那些本來雜亂無章的小東西好似聽到嚴厲的命令，都一個個按某一和諧的圖案排起隊來了。如圖1-4所示的圖案就是電場“藝人”的作品。其中的一條條細枝代表了電場力作用的線，我們把它叫做電力線。圖1-4用實驗模擬的電力線注意：電力線的形狀雖然可以用實驗模擬，但電力線并不是電場里實際存在的線，而是形象地描繪電場假想的曲線。1.2知識準備1.2.2電場和電場強度圖1-5幾種常見的電力線1.2知識準備1.2.2電場和電場強度

幾種常見的電力線如圖1-5所示，從中可以看出電力線的特征如下：

1.電力線總是起始于正電荷(或無窮遠)終止于負電荷(或無窮遠)，它不是閉合曲線。

2.電力線可以大致表示電場強弱。電力線越密，電場越強；電力線越稀，電場越弱。

3.任何兩條電力線都不會相交。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓任務導引

打開手電筒開關，小燈泡點亮；關閉手電筒開關，小燈泡熄滅。手電筒的電路是怎樣的呢？小燈泡為什么會亮呢？1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓做中學、做中教將干電池、導線、開關和小燈泡按圖1－6所示連接起來，拔動開關，觀察小燈泡亮、滅情況。圖1-6手電筒照明電路1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念一、電路

1.電路的組成

電路是將電氣設備和元器件按一定方式連接而成的整體，它是電流通過的路徑，最簡單的電路由電源、用電器（負載）、導線和開關等組成。

（1）電源：向電路提供能量的設備。它能把其它形式的能量轉換成電能，常見的電源有干電池、蓄電池、光電池等。

（2）用電器：即負載，它是各種用電設備的總稱。其作用是將電能轉換成其它形式的能，如電燈、電動機、電加熱器等。

（3）導線：把電源和負載接成閉合回路，輸送和分配電能。一般常用的導線是銅線和鋁線。

（4）開關：開關起到把用電器與電源接通或斷開的作用。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念

2.電路的狀態(tài)電路的狀態(tài)有通路、開路和短路三種。（1）通路（閉路）通路又叫閉路，是電路各部分連接成閉合回路。此時開關閉合，電路中有電流通過，負載能正常工作。正常發(fā)光的燈泡、轉動的電動機，都處于通路狀態(tài)。（2）開路（斷路）開路又叫斷路，是電路某處或開關處于斷開狀態(tài)，電源與用電器沒有形成閉合回路。電路中沒有電流通過。開關處于斷開狀態(tài)時，電路開路是正常狀態(tài)；但當開關處于閉合狀態(tài)時，電路仍然開路，就屬于故障狀態(tài)了，需要進行檢修。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念

（3）短路（捷路）

當電源兩端或電路中某些部分被導線直接相連，這時電源輸出的電流不經過負載，只經過連接導線直接流回電源，這種狀態(tài)稱為短路狀態(tài)，簡稱短路，又叫捷路。

一般情況下，短路時的大流過會損壞電源和導線，應該盡量避免。但有些時候，例如：在調試電子設備的過程中，將電路某一部分短路，這是為了使與調試過程無關的部分沒有電流通過而采取的一種方法。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念3.電路圖用規(guī)定的圖形符號表示電路連接情況的圖，稱為電路圖。如圖1-7所示為手電筒電路圖。電路圖是用來說明電氣設備之間連接方式的圖。任何電路都可以用電路圖表示。圖1-7手電筒電路圖1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓表1-1電路圖中部分常用圖形符號1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念二、電流1.電流的形成和大小電荷的定向運動形成電流。金屬導體中的自由電子在電場力作用下的定向運動，電解液中的正、負離子在電場力作用下向著相反方向的運動等都叫電流。電流的流動如同水在水管中流動一樣，有多有少。衡量電流大小或強弱的物理量叫做電流強度，簡稱電流。電流的大小等于通過導體橫截面的電荷量與通過這些電荷量所用的時間的比值。用公式表示為（式1-3）式中，I表示電流，單位是安培(A)；q表示通過導體橫截面的電荷量，單位是庫侖(C)；t表示通過電荷量所用的時間，單位是秒(S)。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念

在國際單位制中，電流的基本單位是安[培]，符號為A，如果在1S內通過導體橫截面的電荷量為1C，則導體中的電流為1A。常用的電流單位還有毫安（mA）、微安（μA），它們之間的換算關系為：1A=103mA=106μA1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念2.電流的方向

規(guī)定正電荷定向運動的方向為電流方向。在金屬導體中，電流的方向與自由電子運動方向相反，在電解液中電流的方向與正離子移動的方向相同，與負離子移動的方向相反。但在進行電路分析計算時，電流的實際方向有時難以確定，這時可任意假定一個電流方向，在電路圖中用箭頭表示，稱為電流的參考方向，當電流的實際方向與參考方向一致時，則電流為正值；反之，當電流的實際方向與參考方向相反時，則電流為負值。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓

方向不隨時間變化的電流叫直流電流。大小和方向都不隨時間變化的電流叫穩(wěn)恒電流，如圖1-8(a)所示。大小隨時間變化，但方向不隨時間變化的電流叫脈動電流，如圖1-8(b)所示。直流電的文字符號用字母“DC”表示，圖形符號用“－”表示。大小和方向都隨時間周期性變化的電流叫交流電流，如圖1-8(c)所示。交流電的文字符號用字母“AC”表示。圖形符號用“～”表示。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓【例1－3】某導體在0.5min的時間內通過導體橫截面的電荷量是120C，求導體中的電流是多大？解：由電流公式可得1.2知識準備

在手電筒電路中，閉合開關小燈泡發(fā)光是因為有電流流過燈泡，此時燈泡兩端有電壓。

俗話說：“水往低處流”。水總是從水位高的地方流向水位低的地方。如圖1-9所示，如果高處的水槽A裝滿了水，水流自然流向了低處的水槽B。在這個過程中，水會做功。1.2.3電路、電流和電壓1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓

電與水類似，如圖1-10所示，如果帶正電體A和帶負電體B之間存在一定的電位差（電壓），只要用導線連接帶電體A、B，就會有電流流動，電流也會做功，即電荷在電場中受到電場力的作用而做功。電壓就是衡量電場力做功能力大小的物理量。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓基本概念三、電壓

A、B兩點間的電壓UAB在數值上等于電場力把電荷由A點移到B點所做的功WAB與被移動電荷的電荷量q的比值。用公式表示為式中，q表示由A點移到B點的電荷量，單位是庫[侖]，符號為C；WAB表示電場力將q由A移到B所做的功，單位是焦[耳]，符號為J；UAB表示A、B兩點間的電壓，單位是伏[特]，符號為V。1.2知識準備1.2.3電路、電流和電壓

在國際單位制中，電壓的單位是伏特，簡稱伏，符號是V。常用的電壓單位還有千伏（kV）、毫伏（mV），它們之間的換算關系為：

1kV=10３V

1V=10３mV1.2知識準備1.2.4電源與電動勢任務導引

發(fā)生閃電時，強大的電流在天空中產生耀眼的閃光，但它只能存在極短的時間。而手電筒中的電池卻可以讓小燈泡持續(xù)發(fā)光，這是什么原因呢？1.2知識準備1.2.4電源與電動勢

圖1-11所示為一個閉合的水路，水槽B處的水由水泵從低處送到高處的水槽A，再由水槽A從高處流向低處的水槽B。在這個水路中，如果水泵不工作，水路中就沒有水流，也就是說水泵是這個水路的水源。1.2知識準備1.2.4電源與電動勢

電路也類似，圖1-12所示為一個閉合的電路。當正電荷由干電池正極A經外電路移到負極B時，與負極B上的負電荷中和，使A、B兩極板上聚集的正、負電荷數減少，兩極板間電壓隨之減小，電流隨之減小，直至正、負電荷完全中和，電流中斷。為保證電路中有持續(xù)不斷的電流，就需要干電池把正電荷從負極B源源不斷地移到正極A，保證A、B兩極間電壓不變，電路中才能有持續(xù)不斷的電流，干電池是這個電路的電源。1.2知識準備1.2.4電源與電動勢

電源是把其他形式的能轉換成電能的裝置，電源種類很多，如干電池、蓄電池、發(fā)電機、光電池等。

在電路中，電源以外的部分叫外電路，電源以內的部分叫內電路，如圖1-13所示。電源的作用就是把正電荷由低電位的負極經內電路送到高電位的正極，內電路和外電路連接成閉合電路，這樣外電路中就有了電流?；靖拍?.2知識準備1.2.4電源與電動勢

在外電路中，電場力把正電荷由高電位經過負載移動到低電位。那么，在內電路中，也必定有一種力能夠不斷地把正電荷從低電位移到高電位，這種力叫做電源力。

因此，在電源內部，電源力不斷地把正電荷從低電位移到高電位。在這個過程中，電源力要反抗電場力做功，這個做功過程就是電源將其他形式的能轉換成電能的過程。對于不同的電源，電源力做功的性質和大小不同，衡量電源力做功能力大小的物理量叫做電源電動勢?；靖拍?.2知識準備1.2.4電源與電動勢

在電源內部，電源力把正電荷從低電位（負極）移到高電位（正極），反抗電場力所做的功W與被移動電荷的電荷量q的比，叫做電源的電動勢E。用公式表示為

式中W表示電源力移動正電荷做的功，單位是焦[耳]，符號為J；q表示電源力移動的電荷量，單位是庫[侖]，符號為C；E表示電源電動勢，單位是伏[特]，符號為V。

電源內部電源力由負極指向正極，因此電源電動勢的方向規(guī)定為由電源的負極（低電位）指向正極（高電位）。1.2知識準備1.2.4電源與電動勢注意：

特別應當指出的是電動勢與電壓是兩個物理意義不同的物理量。電動勢存在于電源內部，是衡量電源力做功本領的物理量；電壓存在于電源的內、外部，是衡量電場力做功本領的物理量：電動勢的方向從負極指向正極；電壓的方向是從正極指向負極。1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律任務導引

觀察滑動變阻器的結構（如圖1-14所示），滑動變阻器是通過改變電路中電阻絲的長度來改變電阻值的器件，那么決定導體電阻值的因素還有哪些呢？1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律

一、物質的分類

根據物質導電能力的強弱，一般可分為導體、絕緣體和半導體。導體的原子核對外層電子吸引力很小，電子較容易掙脫原子核的束縛，形成大量自由電子。一切導體都能導電，如銀、銅、鋁等是電的良導體。

絕緣體的原子核對外層電子有較大的吸引力，電子很難掙脫原子核的束縛而形成自由電子。絕緣體不能導電，如玻璃、膠木、陶瓷、云母等。

半導體的導電性能介于導體和絕緣體之間，如硅、鍺等?；靖拍?.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律

二、電阻

導體中的自由電子在電場力的作用下定向運動，形成電流。做定向運動的自由電子，要與在平衡位置附近不斷振動的原子發(fā)生碰撞，阻礙自由電子的定向運動。這種阻礙作用使自由電子定向運動的平均速度降低，自由電子的一部分動能轉換成分子熱運動熱能。導體對電流的阻礙作用叫電阻，用字母R表示。任何物體都有電阻，當有電流流過時，都要消耗一定的能量?；靖拍?.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律做中學、做中教1.用萬用表電阻擋對粗細相同，長度不同的兩根鎳鉻絲的電阻進行測量，觀察測量結果與長度的關系。2.用萬用表電阻擋對長度相同，粗細不同的兩根鎳鉻絲的電阻進行測量，觀察測量結果與粗細的關系。

3.用萬用表電阻擋分別對長度相同，粗細相同的錳銅絲和鎳鉻絲的電阻進行測量，觀察測量結果有何不同。1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律粗細相同、長度相對較長的鎳鉻絲的電阻大；長度相等、相對細的鎳鉻絲的電阻大；長度相同，粗細相同的錳銅絲電阻比鎳鉻絲電阻小。

導體電阻的大小不僅和導體的材料有關，還和導體的尺寸有關。在溫度不變時，一定材料制成的導體的電阻跟它的長度成正比，跟它的截面積成反比，這個規(guī)律叫做電阻定律。用公式表示為

式中ρ表示電阻率，其值由電阻材料的性質決定，單位是歐[姆]米，符號為Ω·m；L表示導體的長度，單位是米，符號為m；S表示導體的截面積，單位是平方米，符號為m2；R表示導體的電阻，單位是歐[姆]，符號為Ω；現象結論1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律

在國際單位制中，電阻的常用單位還有千歐（kΩ）和兆歐（MΩ），它們之間的換算關系是1kΩ=103Ω，1MΩ=103kΩ=106Ω

幾種常用材料在20℃時的電阻率見表1-2。1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律

導體的電阻不僅和材料性質、尺寸有關，還和溫度有關。對金屬導體而言，溫度升高使分子的熱運動加劇，而自由電子數幾乎不隨溫度變化，電荷運動時碰撞次數增多，受到的阻礙作用加大，導體的電阻增加。有些半導體和電解液，溫度升高自由電荷數目增加所起的作用超過分子熱運動加劇所起的阻礙作用，電阻減小。在一般情況下，電阻隨溫度的變化不大，其影響可不用考慮。1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律【例1－4】

一根銅導線長L=2000m，截面積S=2mm2，導線的電阻是多少？解：查表可知銅的電阻率ρ=1.75×10-8Ω·m，由電阻定律可求得1.2知識準備1.2.5電阻和電阻定律【例1－5】有一根阻值為lΩ的電阻絲，將它均勻拉長為原來的2倍，拉長后電阻絲的阻值為多少？解：設電阻絲長L，截面積S，則它的體積V=SL。在均勻拉長過程中，體積V一定，長度變?yōu)?L后，截面積就為0.5S。1.2知識準備1.2.6部分電路歐姆定律任務導引

在手電筒電路中，閉合開關，小燈泡兩端加上了電壓，小燈泡中才有持續(xù)的電流，那么，所加的電壓與燈泡的電流又有什么關系呢？德國物理學家——歐姆1.2知識準備1.2.6部分電路歐姆定律

將學生電源、開關、電壓表、電流表、電阻器按圖1-15(a)所示連接電路，閉合開關，調節(jié)學生電源至不同檔位，觀察電壓表與電流表讀數，作好記錄，分析電壓表、電流表讀數與電阻阻值的關系。做中學、做中教1.2知識準備1.2.6部分電路歐姆定律實驗結論

觀察上述數據可以發(fā)現：電路中的電流I與電阻兩端的電壓U成正比，與電阻R成反比，這就是部分電路的歐姆定律。用公式表示為

式中，I表示電流，單位為A；U表示電壓，單位為V；R表示電阻，單位為Ω。1.2知識準備1.2.6部分電路歐姆定律【例1－6】某段電路的電壓是一定的，當接上10Ω的電阻時，電路中產生的電流是1.5A；若用25Ω的電阻代替10Ω的電阻，電路中的電流為多少？

解：電路中電阻為10Ω時，由歐姆定律得

U=IR=1.5×10=15V

用25Ω的電阻代替10Ω的電阻，電路中電流I＇為1.2知識準備1.2.6部分電路歐姆定律基本概念

如果以電壓為橫坐標，電流為縱坐標，可畫出電阻的U-I關系曲線，稱為電阻元件的伏安特性曲線，如圖1-16所示。圖1-16電阻伏安特性曲線電阻元件的伏安特性曲線是過原點的直線時，稱為線性電阻。即此電阻元件的電阻值可以認為是不變的常數，直線斜率的倒數表示該元件的電阻值。如果不是直線，則稱為非線性電阻。通常所說的電阻都是線性電阻。1.2知識準備1.2.7電能與電功率任務導引

圖1-17（a）所示為某電熱水器銘牌，銘牌上標注的額定功率2600W的含義是什么？圖1-17（b）單相電度表面板上的KW·h含義是什么？每個月的電費是怎樣計算出來的？1.2知識準備1.2.7電能與電