電工基礎(chǔ) 課件 范紹洋 模塊1、2 電工基本概念、電阻的連接

電工基礎(chǔ)模塊一電工基本概念

第二節(jié)

電位、電壓、電動勢

第一節(jié)

電荷、電流、電路

第三節(jié)

電場、電阻

第四節(jié)

電能、電功率思考：1、什么是電荷？2、什么是電流？第一節(jié)

電荷、電流、電路一、電荷物質(zhì)由分子構(gòu)成，在不受外力作用時，分子是做無規(guī)則的熱運動的。分子由原子構(gòu)成，原子由原子核與核外電子構(gòu)成，而原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成。每個質(zhì)子帶一個單位的正電荷，中子不帶電，質(zhì)子和中子的相對質(zhì)量都為1。核外的每個電子帶一個單位的負電荷，質(zhì)量可忽略不計。

帶電的最小粒子稱電荷，電荷有正、負之分，其中，負電荷也稱電子。一個電子或一個質(zhì)子所帶的電量是1.6x10-19庫侖。金屬導(dǎo)體中移動最活躍的是電子，而電子的移動則受到原子核束縛，即電子要克服原子核對它的束縛力之后才能自由移動。一般是以正電荷的移動方向作為電流的方向，而正、負電荷的移動方向相反，故金屬導(dǎo)體中的電流方向與電子的移動方向相反。電荷間的相互作用是：同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引。二、電流

電荷有規(guī)則的定向移動形成電流。在金屬導(dǎo)體中，電流是由自由電子在外電場作用下有規(guī)則運動形成的；在某些液體或氣體中，電流是由陰離子或陽離子在電場力作用下有規(guī)則地運動形成的。

電流分直流和交流。大小和方向不隨時間而變的電流稱直流電，如圖(a)所示，用“DC”或“—”表示直流；大小隨時間而變，但方向不隨時間而變的電流則稱脈動直流電，如圖(b)所示；大小和方向都隨時間而變的電流稱交流電，如圖(c)所示，用“AC”或“～”表示交流。（a）直流電流（b）脈動直流電流（c）交流電流

式中，時間t的單位是：秒(s)，比秒大的單位有分鐘(min)、小時(h)等，且有：1小時=60分鐘，1分鐘=60秒。

電量Ｑ(或q)的單位是：庫侖(c)，簡稱庫。

電流強度Ｉ的單位是：安培(A)，簡稱安。比安培大的單位有千安(KA)；比安培小的單位有毫安(mA)與微安(μA)。千安、安、毫安、微安每一級的進率是千進。即：1千安(KA)=1000安(A)；1安(A)=1000毫安(mA)；1毫安(mA)=1000微安(μA)1、電流方向

以正電荷移動的方向作為電流的方向。但在金屬導(dǎo)體中移動最活躍的是電子，而電子的移動方向與正電荷的移動方向相反。

在分析與計算電路時，當(dāng)無法確定電路中電流的真實方向時，可設(shè)定一個電流參考方向，并用箭頭在圖中標注出來。如果計算結(jié)果的電流為正值，則電流的真實方向與參考方向一致，如圖1-2(a)所示；如果計算結(jié)果的電流為負值，則電流的真實方向與參考方向相反，如圖1-2(b)所示。如果不規(guī)定電流的參考方向，則電流的正、負號是無意義的。

圖1-2電流的方向1、形成電流的條件

要具備自由移動的電荷、一定的電壓和閉合的電路這三個條件，才能形成電流。要有電流，這三個條件缺一不可。如斷開手電筒開關(guān)，小燈泡不亮，此時手電筒內(nèi)有電池，有電池則有一定的電壓和自由移動的電荷，但因開關(guān)斷開而使電路不閉合，故無電流，如圖1-3所示；或電池用久了，電壓不夠大，小燈泡也不能發(fā)亮；或手電筒內(nèi)部生銹而不導(dǎo)電，小燈泡也不能發(fā)亮。圖1-3電路的構(gòu)成示意圖三、電路1、電路的構(gòu)成一個最簡單的電路由電源、用電器、導(dǎo)線和開關(guān)構(gòu)成，如圖1-3所示。其中，用電器也稱負載。

電源：將其他形式的能轉(zhuǎn)變成電能的裝置稱電源。常用的直流電源有1.5伏或9伏的干電池、12伏或24伏的蓄電池、直流發(fā)電機等

用電器：是將電能轉(zhuǎn)變成其他形式的能的裝置，是耗能元件，如燈泡、直流電動機等。

導(dǎo)線：將電源和用電器連接起來的金屬導(dǎo)線，是將電能由電源輸送給用電器。常用的導(dǎo)線有鋁線和銅線，但因鋁線易斷且會產(chǎn)生氧化鋁而阻礙電流的流通，故少用鋁線。

開關(guān)：控制電路接通或斷開的裝置。在照明線路中常用的開關(guān)有單控開關(guān)、雙聯(lián)開關(guān)、多控開關(guān)、空氣開關(guān)、閘刀開關(guān)等圖1-3

電路的構(gòu)成示意圖2、電路圖用規(guī)定的電氣圖形符號、文字符號來表示電路連接情況的圖，稱為電路原理圖，簡稱電路圖。如圖1-6所示：圖1-6電路原理示意圖常用元器件和電工儀表的名稱及圖形符號3、電路的工作狀態(tài)電路有如下三種工作狀態(tài)：（1）通路：處處連通的閉合回路，也稱閉路。如圖1-6中的開關(guān)K閉合，則為通路，此時有電流通過電路中的燈泡，從而使燈泡發(fā)亮。（2）斷路：有某處斷開的電路，也稱開路。如圖1-6中的開關(guān)K斷開，則為斷路，此時電源兩端有電壓，但電路中無電流，燈泡不亮。（3）短路：電流沒有經(jīng)過用電器，而是由導(dǎo)線直接構(gòu)成回路。如圖1-6所示，如果用導(dǎo)線直接將開關(guān)的左端與燈炮的右端連接起來則為短路，此時電流不經(jīng)過燈泡，而直接由電源的正極流回負極。短路時電流相當(dāng)大，很容易引起火災(zāi)。我們要盡量避免線路發(fā)生短路，常用的預(yù)防短路的措施是安裝熔斷器(保險絲)或低壓斷路器(空氣開關(guān))。第二節(jié)電位、電壓、電動勢一、電位1.電位的大小

電荷在電路中某點所具有的能量稱電位，也稱電勢。將電荷從電路中的某點移送到參考點(即零電位點)所做的功(W)，跟被移送的電量(q)的比值稱為該點的電位，電位用V表示，即

式中，W、q、V的單位分別是：焦耳、庫侖、伏特。

參考電位點原則上是可以任意選定的，但我們一般選大地、機殼、多條支路的交叉點等作為參考點。電路中某點的電位，就是該點與參考點之間的電壓。如圖1-7所示，標出了A、B、C、O四點，選擇的參考點不同，則各點的電位也不同。圖1-7

電位與參考點關(guān)系(1)選O點為參考點，則VO=0，A、B、C各點的電位就是各點與O點之間的電壓，即:

VA=UAO，VB=UBO，VC=UC0

(2)選B點為參考點，則VB=0，A、C、O各點的電位就是各點與B點之間的電壓，即：VA=UAB，VC=UCB，VO=UOB

由此可知，一個電路只能選擇一個參考點，否則無法比較各點的電位。2.電位的方向

電位只有大小，沒有方向。電位就像我們平常所說的地勢一樣，地勢的高低是以水平面作為參考面來比較的，而電位則是以設(shè)定的某點作為零電位點來比較的。3.電位與電壓的關(guān)系

電路中某兩點的電位之差，稱為這兩點間的電壓。如a點的電位為Va，b點的電位為Vb，則a、b二點間的電壓為Uab=Va－Vb。1.電壓的形成

對干電池而言，其正極聚集正電荷，負極聚集負電荷，則正、負極之間就形成了一定的電壓。兩極聚集的電荷數(shù)越多，兩極間的電壓則越大。2.電壓的大小

干電池的正極(a點)與負極(b點)之間的電壓(Uab)，在數(shù)值上等于電場力把正電荷由正極移送到負極所做的功(Wab)與被移送的電荷量(q)的比值。即

式中，Wab、q、Uab的單位分別為：焦耳、庫侖、伏特。電壓是衡量電場力做功本領(lǐng)大小的物理量。

電壓的單位是：伏特(V)，簡稱伏。比伏特小的單位有毫伏(mV)和微伏(μV)，比伏特大的單位有千伏(KV)。千伏、伏特、毫伏、微伏等單位每一級的進率是一千進。即：1千伏(KV)=1000伏(V)；1伏(V)=1000毫伏(mV)；1毫伏(mV)=1000微伏(μV)。

電路中某兩點之間的電壓，等于這兩點的電位之差。如：UAB=VA-VB，UBA=VB-VA。

電位如同地勢，其大小與參考點的選擇有關(guān)；電壓如同高度，其大小與參考點的選擇無關(guān)。

安全電壓等級有：42V、36V、24V、12V和6V。

一般情況下，安全電壓是指36V以下的電壓。在潮濕的遂道、金屬管道內(nèi)，應(yīng)使用12V以下的安全電壓。3.電壓方向

電壓的方向是從高電位指向低電位，俗稱電壓降。如干電池向外提供的端電壓，其電壓方向是由電源的正極指向電源的負極。二、電動勢1.電動勢的大小

在電源內(nèi)部，電源力把單位正電荷從電源的負極經(jīng)電源內(nèi)部移送到正極所做的功，稱電源電動勢，用E表示。如果被移送的電量為q庫侖，所做的功為W焦耳，則電源的電動勢為：

式中，W、q、E的單位分別為：焦耳、庫侖、伏特。2.電動勢的方向

直流電源電動勢的方向是由電源的負極經(jīng)電源內(nèi)部指向電源的正極，即由低電位指向高電位，故電動勢的方向與電壓的方向剛好相反。第三節(jié)

電場、電阻一、電場帶電體周圍的空間或變化磁場周圍的空間里存在的具有力和能量的特殊物質(zhì)稱電場。電場對放入其中的電荷有作用力；當(dāng)電荷在電場中移動時，電場力對電荷做功。電荷間的作用力總是通過電場進行的。二、電阻

1.電阻的定義導(dǎo)體內(nèi)部對電流的阻礙作用稱為電阻。我們所說的導(dǎo)體，一般是指金屬導(dǎo)體。金屬導(dǎo)體內(nèi)部有大量活躍移動的負電荷，在移動過程中會與正電荷頻繁碰撞，從而阻礙其移動，這種阻礙作用就稱電阻。電阻只有大小，沒有方向。

2.常見電阻器

電阻器是一種較常見、應(yīng)用較廣泛的電子元器件之一，也是汽車電氣電子設(shè)備中用得最多的基本元件之一，主要用于控制和調(diào)節(jié)電路中的電流和電壓，或用做消耗電能的負載。

常見的電阻器可分為固定電阻器、可變電阻器和敏感電阻器等。電阻器的主要參數(shù)有標稱阻值、允許誤差和額定功率。3.電阻定律

金屬導(dǎo)體的電阻跟導(dǎo)體的材料、長度、粗細、溫度等有關(guān)。在溫度保持不變(200C)時，一定材料制成的導(dǎo)體的電阻，跟它的長度成正比，跟它的橫截面積成反比。即

一般情況下，金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而變大。如白熾燈的燈絲是用鎢絲制成的，燈絲發(fā)光時的溫度約為2000℃，鎢的電阻隨溫度的升高而增大，溫度升高1℃，電阻約增大0.5%，所以，燈絲正常發(fā)光時的電阻比常溫時的電阻大得多。

材料的電阻率用ρ表示，單位是歐姆.米(Ω·m)；長度用L表示，單位是米(m)；粗細是指導(dǎo)體的橫截面積，用s表示，單位是平方毫米(mm2)；電阻用R表示，單位是歐姆(Ω)，簡稱歐。比歐姆(Ω)大的單位有：千歐(KΩ)，兆歐(MΩ)。兆歐、千歐、歐姆等單位每一級的進率是一千進。即：1兆歐(MΩ)=1000千歐(KΩ)；

1千歐(KΩ)=1000歐(Ω)。第四節(jié)電能、電功率一、電能1.電能的定義

電以各種形式做功的能力稱電能，也稱電功。有直流電能、交流電能、高頻電能等，這幾種電能可相互轉(zhuǎn)換。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾娔?，主要由水能、熱能、風(fēng)能、太陽能、核能等轉(zhuǎn)換而來。電流做功的過程，就是將電能轉(zhuǎn)變成其它形式的能的過程，如電流通過電爐，是將電能轉(zhuǎn)變成熱能。電能用W表示，單位是焦耳(J)。2.電能的大小

電流通過導(dǎo)體所做的功，跟導(dǎo)體兩端的電壓、通過導(dǎo)體的電流、通電時間三者都成正比。即：

式中，U、I、t、W分別表示電壓、電流、通電時間、電功，它們的單位分別為：伏、安、秒、焦耳。其中，時間的單位有：小時(h)；分鐘(min)；秒(s)等。電能的常用單位是度，也稱千瓦時(Kwh)。1千瓦時(度)的電能可供一只1千瓦的白熾燈正常工作1小時。故有1度=1千瓦×1小時=1000瓦×3600秒=3.6×106焦耳二、電功率1.電功率定義

電功率是描述電流做功快慢的物理量。

電流在單位時間內(nèi)所做的功稱電功率。如果電流在t秒內(nèi)所做的功為W焦耳，則其電功率為：

電功率用P表示，單位是瓦特(w)，簡稱瓦。比瓦特大的單位有千瓦(kw)，兩者的進率為一千進，即:1千瓦(Kw)=1000瓦(w).2.電功率大小因為W=UＩt，所以有

即電流在某段電路的電功率，跟其電壓和電流都成正比。

式中，U、I、P的單位分別是：伏、安、瓦。電流通過電阻，是將電能轉(zhuǎn)化成其它形式的能而消耗掉，因此，電阻是耗能元件。

電功率的常用單位是匹，如空調(diào)是講幾匹的。

1匹=735瓦=0.735千瓦。

用電器銘牌上標注的電壓和電功率，稱額定電壓和額定功率。如果實際電壓低于額定電壓，則用電器不能正常工作，其實際功率也小于額定功率；如果實際電壓高于額定電壓，則會損壞用電器。電工基礎(chǔ)模塊二電阻的連接

第二節(jié)電阻的連接

第一節(jié)

基本定律

第三節(jié)基爾霍夫定律

思考：1、什么是歐姆定律？第一節(jié)

基本定律一、歐姆定律歐姆定律反映的是電路中的電流、電壓和電阻三者之間的關(guān)系的定律，含部分電路歐姆定律和全電路歐姆定律。1.部分電路歐姆定律：通過某段電路的電流，跟這段電路兩端的電壓成正比，跟這段電路的電阻成反比。即

式中，U、R、I的單位分別是：伏、歐、安。由

可得：

如果測出了電阻兩端的電壓和通過電阻的電流，則可計算出其阻值。這就是伏安法測電阻的原理。如下圖所示。

但不能由公式就說：電阻與電壓成正比，與電流成反比。因為由電阻定律可知，電阻的大小只與材料、長度、粗細和溫度有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。當(dāng)加在電阻兩端的電壓增大或減小時，通過電阻的電流也跟著增大或減小，但其比值(即R的值)卻保持不變。

2.電阻的伏安特性

電阻阻值不隨電壓、電流變化而改變的電阻稱為線性電阻。日常所說的電阻都是線性電阻，其阻值是一個常數(shù)，其伏安特性曲線是一條直線，如下圖所示。

電阻的伏安特性曲線反映的是電阻兩端的電壓U與通過電阻的電流Ｉ之間的對應(yīng)變化關(guān)系，即以電壓為橫坐標，以電流為縱坐標，作出的電阻變化的曲線(是一條通過原點的直線)。3.全電路歐姆定律

通過閉合電路的電流，跟電源的電動勢成正比，跟電路的電阻與電源的內(nèi)阻之和成反比。即

式中的r或R0稱內(nèi)阻，是指電荷移動時在電源內(nèi)部所受的阻礙作用；R稱外阻，是指電荷在除電源之外的電路中所受的阻礙作用，也是指整個電路中除電源之外所有電阻的阻值之和。如下圖所示，外阻R等于R1、R2、R3三個電阻連接后的總電阻，即

由

可得：E=ＩR+Ｉr=U+U0，即電源的電動勢在數(shù)值上等于內(nèi)、外電壓降之和。其中，ＩR=U，稱外壓降，也稱電源向外輸出的端電壓；Ｉr=Uo，稱內(nèi)壓降，是指電流通過電源內(nèi)阻消耗電能后降低的電壓。例如1.5伏的干電池，向外輸出的電壓一定小于1.5伏，因為它有內(nèi)壓降。

二、焦耳定律焦耳定律是指將電能轉(zhuǎn)變成熱能的定律。電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量(也稱電熱)，跟導(dǎo)體中電流的平方、導(dǎo)體的電阻和通電時間都成正比，即：

式中，Ｉ、R、t、Ｑ的單位分別為：安、歐、秒、焦耳。

電流通過純電阻電路，如電爐、電烘箱等用電器時，消耗的電能全部轉(zhuǎn)變成熱能，此時電功等于電熱，此時W=Ｑ，即：UIt=I2Rt；而電流通過電感電路，如電風(fēng)扇、電動機等用電器時，電能轉(zhuǎn)變成動能和熱能，因此電功不等于電熱，此時電功計算式W=UＩt與電熱計算式Ｑ=I2Rt不能混用。第二節(jié)

電阻的連接一、電阻的串聯(lián)

1.電阻串聯(lián)的定義將電阻一個接一個地依次連接起來，稱電阻的串聯(lián)。如下圖所示是三個電阻的串聯(lián)2.串聯(lián)電阻電路的特點串聯(lián)電阻電路中的電流、電壓、電阻之間的關(guān)系為：

(1)電流相等。串聯(lián)電阻電路中，通過各電阻的電流相等。即：

I=I1=I2=I3

(2)電壓相加。串聯(lián)電阻電路兩端的總電壓，等于各電阻兩端的電壓之和。即：U=U1+U2+U3電動勢不相等的電源，可串聯(lián)起來使用，且串聯(lián)后可向外提供一個較大的電壓。

(3)電阻相加。串聯(lián)電阻電路的總電阻，等于各電阻之和。即：R=R1+R2+R3(4)串電阻分壓。串聯(lián)電阻電路中各電阻分擔(dān)的電壓與其阻值成正比。即：3.串聯(lián)電阻的應(yīng)用

在工程上，常利用幾個電阻串聯(lián)構(gòu)成分壓器，將同一電源向外提供不同的電壓；利用串電阻分壓的方法來擴大電壓表的量程，如將微安表改裝成電壓表；利用串電阻的方法來限制、調(diào)節(jié)電路中的電流，如電子電路中用二極管來限流；利用將小阻值的電阻串聯(lián)后來獲得較大阻值的電阻等。二、電阻的并聯(lián)

1.并聯(lián)電阻的定義將多個電阻的一端接在一邊，另一端接在另一邊，稱電阻的并聯(lián)，如下圖所示是三個電阻的并聯(lián)。2.并聯(lián)電阻電路的特點并聯(lián)電阻電路中的電流、電壓、電阻的關(guān)系為：(1)電流相加。并聯(lián)電阻電路中的總電流，等于通過各電阻的電流之和。即：Ｉ=Ｉ1+Ｉ2+Ｉ3(2)電壓相等。并聯(lián)電阻電路兩端的總電壓，與各電阻兩端的電壓相等。即：U=U1=U2=U3電動勢不相同的電源，不能并聯(lián)在一起使用。(3)電阻倒數(shù)和。并聯(lián)電阻電路的總電阻的倒數(shù)，等于各電阻的倒數(shù)之和。即：

多個電阻并聯(lián)后的總電阻，小于電路中最小阻值的電阻；3、并聯(lián)電阻的應(yīng)用

在工程上，常利用并聯(lián)電阻的分流作用來擴大電流表的量程，如將微安表改裝成電流表；實際上，凡是額定電壓相同的用電器幾乎都采用并聯(lián)，如各種電動機、各種照明燈具都采用并聯(lián)，這樣既可以保證用電器在額定電壓下正常工作，又能在斷開或閉合某個用電器時，不影響其它用電器的正常工作；利用將大阻值的電阻并聯(lián)后來獲得較小阻值的電阻；等等。三、電阻的混聯(lián)

既有串聯(lián)，又有并聯(lián)，稱為混聯(lián)。如下圖所示。

要計算混聯(lián)電阻電路的總阻值，可先將電路化簡或畫出易理解的等效電路圖，然后再計算。第三節(jié)

基爾霍夫定律

對于復(fù)雜的電阻混聯(lián)電路，可采用基爾霍夫定律、戴維寧定理、疊加定理、二端網(wǎng)絡(luò)、電流源與電壓源等效變換等方法來計算。在此只介紹基爾霍夫定律。

基爾霍夫定律包含節(jié)點電流定律和回路電壓定律。要理解這兩個定律，必須先了解如下四個基本概念。一、四個概念1、支路：由一個或幾個元件首尾相連接而構(gòu)成的無分支的電路，稱支路。

如圖2-11所示，有如下三條支路：(1)E1和R1構(gòu)成一條支路；(2)E2和R2構(gòu)成一條支路；(3)R3構(gòu)成一條支路。

有些支路含有電源，稱有源支路；有些支路不含有電源，稱無源支路。圖2-11

支路、節(jié)點、回路、網(wǎng)孔2、節(jié)點三條或三條以上支路匯聚的點，稱節(jié)點。如圖2-11所示，A點和B點都是節(jié)點。3、回路任一閉合的電路，稱回路。如圖2-11所示，有三個回路：回路1：A點→R2→E2→E1→R1→A點；回路2：A點→R3→E2→R2→A點；回路3：A點→R3→E1→R1→A點。4、網(wǎng)孔不含有其它回路的回路，稱網(wǎng)孔。網(wǎng)孔也是最小的回路，相當(dāng)于魚網(wǎng)的網(wǎng)眼。如上面的三個回路中的回路3，包含了回路1和回路2，因此，回路3就不是網(wǎng)孔，只有回路1和回路2才是網(wǎng)孔。二、節(jié)點電流定律

通過同一節(jié)點的電流代數(shù)和為零+，即ΣＩ=0，稱為基爾霍夫節(jié)