電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）課件：直流電路

§1—3?§1—1電路及基本物理量§1—2?電阻與電導(dǎo)歐姆定律直流電路§1—4?§1—5?§1—6??§1—7??電功與電功率電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)基爾霍夫定律戴維南定理§1—1電路及基本物理量一、電路的組成、作用及狀態(tài)1.電路的組成由燈泡、連接導(dǎo)線、電池和開關(guān)組成的，將電池電能傳輸給燈泡使其發(fā)光的導(dǎo)電回路被稱為電路，在電路中電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流，如圖所示。電路與電流電路圖電路方框圖電路一般由電源、負(fù)載、導(dǎo)線和控制裝置四部分組成。（1）電源電源是為電路提供電能的設(shè)備，如干電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等。（2）負(fù)載負(fù)載又稱用電器，其作用是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?。?）導(dǎo)線導(dǎo)線起連接電路和輸送電能的作用。（4）控制裝置控制裝置的主要作用是控制電路的通斷，如開關(guān)、繼電器等。常見電源a)干電池?b)蓄電池?c)發(fā)電機(jī)組計(jì)算機(jī)電路2.電路的基本作用電能傳輸示意圖信息傳輸示意圖3.電路的狀態(tài)通路——電路構(gòu)成閉合回路，有電流流過(guò)。開路——電路斷開，電路中無(wú)電流通過(guò)。開路也稱斷路。短路——短路時(shí)電源未經(jīng)負(fù)載而直接由導(dǎo)線構(gòu)成回路。電路的三種狀態(tài)a）通路?b）開路?c）短路二、電流1.電流的形成電荷的定向移動(dòng)形成電流。在金屬導(dǎo)體中，能定向移動(dòng)的電荷是帶負(fù)電的自由電子；在導(dǎo)電液體如蓄電池電解液中，能定向移動(dòng)的電荷是正負(fù)離子（見圖）。電流的形成a）金屬導(dǎo)體中的電流?b）導(dǎo)電液體中的電流2.電流的大小電流的大小是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量，即如果在1秒（s）內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量為1庫(kù)侖（C），則導(dǎo)體中的電流就是1安培（A）。常用的電流單位還有毫安（mA）、微安（μA）等，不同單位間的換算關(guān)系如下。直流電流的測(cè)量a）測(cè)量電路圖?b）測(cè)量電路接線圖3.電流的方向習(xí)慣上把正電荷定向移動(dòng)的方向規(guī)定為電流的方向，因此，自由電子和負(fù)離子移動(dòng)的方向與電流方向相反。大小和方向都不隨時(shí)間而變化的電流稱為穩(wěn)恒電流（見圖a），簡(jiǎn)稱直流。大小和方向都隨時(shí)間作相應(yīng)變化的電流，稱為交變電流（見圖b），簡(jiǎn)稱交流。直流電和交流電a）直流電?b）交流電電流的正負(fù)a）I

＞0?b）I

＜0三、電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)1.電壓在金屬導(dǎo)體中雖然有許多自由電子，但只有在外加電場(chǎng)的作用下，這些自由電子才能做有規(guī)則的定向移動(dòng)而形成電流。電場(chǎng)力將單位正電荷從a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功，稱為a、b兩點(diǎn)間的電壓，用Uab表示。電壓的單位為伏特（V）。水壓與水流電壓與電流原則上電壓的參考方向可任意選取，但如果已設(shè)定電流參考方向，則電壓參考方向最好選擇與電流參考方向一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向。當(dāng)電壓的實(shí)際方向與參考方向一致時(shí)，電壓為正值；反之，電壓為負(fù)值。電壓參考方向的表示方法a）箭頭表示法?b）極性表示法?c）下標(biāo)表示法2.電位如果在電路中選定一個(gè)參考點(diǎn)（即零電位點(diǎn)），則電路中某一點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的電壓即為該點(diǎn)的電位，電位的單位也是伏特（V）。電路中任意兩點(diǎn)之間的電壓就等于這兩點(diǎn)之間的電位差，即Uab?=?Ua-Ub，故電壓又稱電位差。3.電動(dòng)勢(shì)電源移動(dòng)正電荷的能力用電動(dòng)勢(shì)表示，符號(hào)為E，單位為伏特（V）。電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于電源沒(méi)有接入電路時(shí)兩極間的電壓。電動(dòng)勢(shì)的方向規(guī)定為在電源內(nèi)部由負(fù)極指向正極，如圖所示。直流電動(dòng)勢(shì)的兩種符號(hào)§1—2?電阻與電導(dǎo)一、電阻與電阻率當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于做定向移動(dòng)的電荷會(huì)和導(dǎo)體內(nèi)的帶電粒子發(fā)生碰撞，所以導(dǎo)體在通過(guò)電流的同時(shí)也對(duì)電流起著阻礙作用，這種對(duì)電流的阻礙作用稱為電阻。導(dǎo)體的電阻常用R

表示。電阻的單位為歐姆（Ω），比較大的單位還有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。電阻率的大小反映了物體的導(dǎo)電能力，電阻率越小物體越容易導(dǎo)電，容易導(dǎo)電的物體稱為導(dǎo)體；電阻率越大越不容易導(dǎo)電，不容易導(dǎo)電的物體稱為絕緣體，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體稱為半導(dǎo)體（見圖）。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體二、電阻與溫度的關(guān)系一般來(lái)說(shuō)，各種材料的電阻率都隨溫度變化而變化，金屬的電阻率隨溫度升高而增大；電解液、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率則隨溫度升高而減??；而有些合金，如錳銅合金和鎳銅合金的電阻率幾乎不受溫度變化的影響，常用來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)電阻。三、電阻器的選用常用電阻器四、電阻器的主要指標(biāo)1.標(biāo)稱阻值標(biāo)志在電阻器上的電阻值稱為電阻器的標(biāo)稱阻值。2.允許誤差允許誤差是電阻器和電位器實(shí)際阻值相對(duì)于標(biāo)稱阻值的最大允許偏差范圍，它表示產(chǎn)品的精度。3.額定功率額定功率也稱標(biāo)稱功率，是指在一定的條件下，電阻器長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許消耗的最大功率。五、電阻器的標(biāo)志方法目前小功率的電阻器廣泛使用色標(biāo)法。色標(biāo)法就是用顏色表示電阻器電阻值和精度的標(biāo)志方法。兩種色環(huán)電阻器阻值的標(biāo)注圖a）四個(gè)色環(huán)的電阻器?b）五個(gè)色環(huán)的電阻器六、電導(dǎo)電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，用符號(hào)G表示，即導(dǎo)體的電阻越小，電導(dǎo)就越大，表明導(dǎo)體的導(dǎo)電性能越好。電導(dǎo)的單位是西門子，簡(jiǎn)稱西，用字母S表示?！?—3?歐姆定律一、部分電路歐姆定律只含有負(fù)載而不包含電源的一段電路稱為部分電路，如圖a虛線框部分所示。部分電路a）電壓與電流參考方向相同?b）電壓與電流參考方向相反部分電路歐姆定律的內(nèi)容是：流過(guò)導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。表達(dá)式為式中?I——導(dǎo)體中的電流，A；

U——導(dǎo)體兩端的電壓，V；

R——導(dǎo)體的電阻，Ω。全電路歐姆定律的內(nèi)容是：全電路中的電流與電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，與電路的總電阻（內(nèi)電路電阻與外電路電阻之和）成反比，表達(dá)式為

式中?I——電路中的電流，A；

E——電源電動(dòng)勢(shì)，V；

R——外電路電阻，Ω；

r——內(nèi)電路電阻，Ω。由上式可得

E=IR+Ir在閉合電路中，電源的電動(dòng)勢(shì)數(shù)值上等于U

外和U

內(nèi)之和，即E?=?U

外

+?U

內(nèi)簡(jiǎn)單的全電路?電源電動(dòng)勢(shì)E=U

外+U

內(nèi)電源的外特性曲線電路的三種狀態(tài)1.通路開關(guān)SA接到位置“3”時(shí)，電路處于通路狀態(tài)。電路中電流為端電壓與輸出電流的關(guān)系為通常把通過(guò)大電流的負(fù)載稱為大負(fù)載，通過(guò)小電流的負(fù)載稱為小負(fù)載。2.開路（斷路）開關(guān)SA接到位置“2”時(shí)，電路處于開路狀態(tài)，相當(dāng)于負(fù)載電阻R=?∞或電路中某處連接導(dǎo)線斷開，此時(shí)電路中電流為零，即電源的開路電壓等于電源的電動(dòng)勢(shì)。U=E-Ir=E3.短路開關(guān)SA接到位置“1”時(shí)，相當(dāng)于電源兩極被導(dǎo)線直接連接，電路中短路電流?I

短

=?E/r。由于電源內(nèi)阻一般都很小，所以短路電流極大，此時(shí)電源對(duì)外輸出電壓U?=?E-I

短

r?=?0?！?—4?電功與電功率一、電功1.電功的概念當(dāng)電流通過(guò)燈絲時(shí)就做功，電能轉(zhuǎn)化為熱能和光能。電流所做的功，簡(jiǎn)稱電功，用字母W

表示。電流通過(guò)電器把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量a）燈泡?b）電動(dòng)機(jī)2.電功的大小實(shí)驗(yàn)表明，電流在一段電路上所做的功等于這段電路兩端的電壓U、電路中的電流I和通電時(shí)間t

三者的乘積，即W=Uit3.電功的單位國(guó)際單位：焦耳（J），簡(jiǎn)稱焦常用單位：度（kW·h）1度＝1千瓦時(shí)?=?3.6×106

焦4.測(cè)量電路消耗電能的儀表——電能表電能表一般分為機(jī)械式和電子式兩種。電能表a）機(jī)械式電能表?b）電子式電能表二、電功率1.電功的概念為了衡量電流做功的快慢，需要引入一個(gè)新的物理量，即電功率。電流在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱為電功率，用字母P

表示，單位為瓦特，計(jì)算公式如下：對(duì)于純電阻電路，上式還可以寫為：幾種電氣設(shè)備的功率a）0.001?W的電子計(jì)算器?b）60?W的便攜式計(jì)算機(jī)?c）600?W的微波爐三、電流的熱效應(yīng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)使導(dǎo)體發(fā)熱的現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng)。1.焦耳-楞次定律焦耳-楞次定律的內(nèi)容是：電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，與電流的平方、導(dǎo)體的電阻以及通電的時(shí)間成正比，即Q=I2RtQ

的單位是焦耳（J）。2.電流熱效應(yīng)的應(yīng)用電流熱效應(yīng)在生活中的應(yīng)用實(shí)例a）電飯煲?b）電吹風(fēng)?c）電熨斗3.電流熱效應(yīng)的危害電流的熱效應(yīng)也有不利的一面，元器件和電氣設(shè)備發(fā)熱過(guò)多，不僅消耗電能，而且會(huì)加速絕緣材料的老化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電氣火災(zāi)。四、負(fù)載的額定值電氣元件和設(shè)備能夠長(zhǎng)期安全工作時(shí)所允許的最大電流、最大電壓和最大功率分別稱為額定電流、額定電壓和額定功率。電氣設(shè)備在額定功率下的工作狀態(tài)稱為額定工作狀態(tài)，也叫滿載；低于額定功率的工作狀態(tài)叫輕載；高于額定功率的工作狀態(tài)叫過(guò)載或超載。燈泡上的額定值§1—5電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)一、電阻的串聯(lián)如圖所示為由三個(gè)電阻組成的串聯(lián)電路。電阻的串聯(lián)電路及對(duì)應(yīng)的等效電路a）電阻的串聯(lián)電路?b）等效電路1.電阻串聯(lián)電路的特點(diǎn)（1）電路中流過(guò)每個(gè)電阻的電流都相等。I1?=?I2?=?I3?=?…?=?In（2）電路兩端的總電壓等于各電阻兩端的分電壓之和，即U?=?U1?+?U2?+?…?+?Un（3）電路的等效電阻（即總電阻）等于各電阻阻值之和，即R?=?R1?+?R2?+?…?+?Rn（4）電路中各個(gè)電阻兩端的電壓與它的阻值成正比，即兩個(gè)電阻串聯(lián)電路2.電阻串聯(lián)電路的實(shí)際應(yīng)用（1）分壓作用。電阻通過(guò)電流要產(chǎn)生電壓降，可以承擔(dān)電路的一部分電壓。（2）限流作用。在電源電壓不變的情況下，電路中的電流將要減小，所以串聯(lián)電阻可起到限流作用。（3）采用幾個(gè)電阻串聯(lián)來(lái)得到阻值較大的電阻。二、電阻的并聯(lián)家庭用電器的并聯(lián)連接1.電阻并聯(lián)電路的特點(diǎn)（1）電路中各電阻兩端的電壓相等，且等于電路兩端的電壓。U1?=?U2?=?U3?=?…?=?Un（2）電路的總電流等于流過(guò)各電阻的電流之和，即I?=?I1?+?I2?+?…?+?In（3）電路的等效電阻（即總電阻）的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和，即（4）電路中通過(guò)各支路的電流與支路的阻值成反比，即IR?=?I1R1?=?I2R2?=?…?=?InRn上式表明，阻值越大的電阻所分配到的電流越小，反之電流越大。電阻的并聯(lián)電路及對(duì)應(yīng)的等效電路a）電阻的并聯(lián)電路?b）等效電路兩個(gè)電阻并聯(lián)電路2.電阻并聯(lián)電路的實(shí)際應(yīng)用（1）凡是額定電壓相同的負(fù)載都采用并聯(lián)工作方式。（2）獲得較小阻值的電阻。（3）擴(kuò)大電流表的量程。三、電阻的混聯(lián)電路中既有電阻的串聯(lián)，又有電阻的并聯(lián)，這種連接方式叫作電阻的混聯(lián)?！?—6?基爾霍夫定律一、電路基本概念1.支路電路中的每一個(gè)分支稱為支路。它由一個(gè)或幾個(gè)相互串聯(lián)的電路元件構(gòu)成。其中含有電源的支路稱為有源支路，不含電源的支路稱為無(wú)源支路。2.節(jié)點(diǎn)3條或3條以上支路所匯成的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。3.回路和網(wǎng)孔電路中任一閉合路徑都稱為回路，一個(gè)回路可能只含一條支路，也可能包含幾條支路，其中，最簡(jiǎn)單的回路又稱獨(dú)立回路或網(wǎng)孔。復(fù)雜電路二、基爾霍夫定律1.基爾霍夫第一定律水流即對(duì)任一節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)：流入（或流出）該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零。流進(jìn)某一節(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和，即∑I

進(jìn)

=?∑I出。這就是基爾霍夫第一定律，又稱節(jié)點(diǎn)電流定律。電流與水流2.基爾霍夫第二定律在任一閉合回路中，各段電路電壓降的代數(shù)和恒等于零。這就是基爾霍夫第二定律，又稱回路電壓定律，用公式表示為∑U?=?0。上下樓梯復(fù)雜回路§1—7?戴維南定理戴維南定理的定義是:任何一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)對(duì)于外電路而言，都可以用一個(gè)具有恒定電動(dòng)勢(shì)的等效電源和電阻串聯(lián)來(lái)代替，等效電源的電動(dòng)勢(shì)E等于二端網(wǎng)