直流电路基础知识ppt课件

项目一直流电路基础知识 项目一直流电路基础知识 知识目标 了解电流 电压 电动势的基本概念 掌握其单位及单位的换算 了解电阻的概念和电阻与温度的关系 掌握欧姆定律 熟练应用欧姆定律进行计算 理解电能和电功率的概念 掌握焦耳定律 掌握电能 电功率的计算 技能目标 会使用直流电压表 电流表会用万用表测量直流电压 直流电流和电阻 任务一电路及电路图 1 1电路的组成电路是电流流通的途径 电能转化为其它形式的能要通过闭合电路来完成 因此 为了利用电能 必须组成各种形式的电路 电路是由电源 导线 开关和负载四大部分组成 下图是直流电动机控制回路 当开关闭合 电池给电动机供电 电动机转动 当开关断开 电流不能形成回路 电动机停止转动 1 电源电源是电路的源泉 它为电路提供电能 现在应用的电源有各种干电池电源 太阳能电源 风力发电电源 火力发电电源 水力发电电源 核能发电电源等 2 导线导线构成电路的通路 因为用途不同 导线的种类繁多 主要用于电力系统作为输电导线 3 开关开关是控制电路通 断的电器 设备 根据用途不同 其体积 形状差别很大 用在电子仪器 设备上的有微型开关 用在电力设备上的有耐高压 大电流的高压开关 用在运动设备上有接近开关 用在一般设备上的有刀开关 空气开关等 4 负载负载是消耗电能的设备 电路通过负载 将电源的电能转化为热能 机械能 光能等其他形式的能 为人们所用 电路的负载常用的有以电动机驱动的各种机械 以电阻加热的电炉 电热器 电吹风 电烙铁等 以发光为目的的各种电光源 在电子电路中的各种耗能器件 发射装置等 都可以视为电源的负载 图1 4各类开关 b 低压电器断路器 c 电子接近开关 d 电路符号 a 低压电路翘板开关 图1 5电路负载 a 电动机 b 节能灯 c 电暖器 d 电路符号 1 2电路的物理量1 2 1电流1 电流的形成 电流就是电子在电场力作用下有规则的定向运动 在导体中形成电流的条件是 有可以移动的电荷和维持电荷作定向移动的电场 2 电流强度单位时间内通过导体截面电荷量的多少称为电流强度 它是表征电流大小的物理量 电流强度的单位为安培 简称安 符号为A 图1 6电流的形成 a 未通电状态 b 通电状态 设在 t时间内 流过截面S的电荷量为 Q 则电流强度为如果电流的大小和方向都不随时间的变化而变化 则称为稳恒直流电 简称直流电 其数学表达式为3 电流的正方向在电路的计算中 电流的实际方向有时不好确定 为了计算方便 可先假定一个电流的正方向 这个假定的电流正方向称为参考方向 并在电路中用箭头标出 通过计算后 如果计算值为正 则电流的实际正方向与假定的参考方向相同 如果计算值为负 则电流的实际正方向与假定的参考方向相反 I I 0 I I 0 实际方向 参考方向 a 参考方向与实际方向相同 b 参考方向与实际方向相反 1 2 2电压 电位 电动势1 电压下图是水的循环流动示意图 我们以水的循环流动来说明电流在电路中的流动原理 流和水流有着相似的规律 如图1 10所示 要想形成图中电流 必须在白炽灯两端存在电位差 类似水槽的水位差 A B极板之间的电位差称为A B两点之间的电压UAB 电压的正方向规定为 由高电位指向低电位 即从电源的正极指向负极 电压的方向用 号来表示 电压的单位是伏特 简称伏 符号为V 图1 9水流方向 图1 10电动势 电压说明图 2 电位电位的定义 取电路中任一点作为参考点 并规定为零电位 电路中任一点到参考点之间的电压 就称为该点的电位 电位的方向 当某点到参考点的电压为正时 则该点的电位为正 当某点到参考点的电压为负时 则该点的电位为负 电位用符号 V 来表示 电压是电路中的两点电位之差 电路中任意两点间的电压大小 仅取决于这两点电位的差值 与电位参考点的选择无关 电位的单位与电压的单位相同 3 电动势电动势就是表征电源力对电荷做功能力的物理量 电动势的方向规定为由电源的负极指向正极 用 号来表示 如图1 10所示 电动势的方向规定为由电源的负极指向正极 用 号来表示 电动势的单位也是伏 符号为V 1 2 3电流 电压的测量1 电流的测量测量时将表的两个接线端串联在电路中 千万不可并联在电路上 表的 端为电流的流入端 表的 端为电流的流出端 根据表针所指示的刻度 读出电流的大小 2 电压的测量测量时将表的两个接线端并联在被测电压的两端 测量时表的 接线端接被测电压的正极 接线端接被测电压的负极 根据表针所指示的刻度 读出电压的大小 1 3电阻1 3 1导体的电阻1 导体电阻的概念图1 14所示是电子在导体中流动示意图 图1 14a和图1 14b是不同的两种导体材料 材料内的原子结构不同 导体对电子流动呈现出的 阻力 不同 图1 14c是同一种导体材料 由于材料的截面积不同 导体对电子流动呈现出的 阻力 不同 导体对电流的阻碍作用称为导体的电阻 用符号 R 来表示 其基本单位为欧姆 较大的单位有k 和M 其换算关系为1M 1000k 1k 1000 图1 14电子在导体中流动示意图a 导体中 障碍物 少b 导体中 障碍物 多c 导体截面积不同电子所受阻力不同 2 导体的电阻率与温度系数1 电阻定律导体电阻的大小与导体的电阻率和导体长度成正比 与导体的横截面S成反比 用公式表示为当温度变化时 导体的电阻率也随之变化 如果导体的电阻率随温度的升高而升高 则为正温度系数导体 反之 则为负温度系数导体 所有金属的电阻率都随温度的升高而增大 因此 金属均为正温度系数导体 当温度在0 100OC范围内变化时 大部分金属的电阻率与温度成如下的线性关系 温度为t 时的电阻率 单位为 m 0 温度为0 时的电阻率 电阻的温度系数 1 3 2电阻器1 电阻器的作用和分类电阻器是应用具有一定电阻率的导电材料制成的电路元件 电阻器亦简称为电阻 是工程技术中用量最大的电路元件之一 为了适应不同电路和不同工作条件的需要 电阻器的品种规格繁多 按外形结构可分为固定式和可变式两大类 常用电阻器的外形及用途 2 电阻元件模型及电路符号实际电路中的电阻器 白炽灯 电炉 电烙铁等电路器件 在电路中表现出来的都是电阻的特性 为了分析方便 就不考虑它们的结构 形状等次要因素 只考虑它的电阻 这个电阻就称为实际电路器件的电阻元件模型 电阻元件模型也简称为电阻 其电路符号如图1 16所示 电阻是耗能元件 它将电能不可逆地转换为热能 电阻器的外形 特征及用途 电阻的标称阻值的标注方法 1 直标法主要参数直接标注在电阻器的外壳上 表示电阻器的商标 RJ R 代表电阻器 J 表示电阻器由金属材料制作而成 1W 表示电阻器的额定功率为1W 5 1k 表示电阻器的的电阻值为5 1k 5 电阻值的允许偏差值为 5 电阻的标称阻值的标注方法 2 数码法用3或4位阿拉伯数字来标注电阻的阻值 472表示 104表示 4501表示 1123表示 电阻的标称阻值的标注方法 3 色标法用不同颜色的色环或色点表示电阻的阻值和允许误差 使用最多的标注方法 电阻的标称阻值的标注方法 案例 色环电阻的识别 例 识别某四环电阻电阻 棕绿红金 解 第一位有效数字 3 第二位有效数字 3 第三位10的5次方 即100000 第四位允许误差为 5 即阻值为 33 100000 3 3 106 3 3M 敏感电阻器实物 压敏电阻 光敏电阻 正温度热敏电阻PTC 汽敏电阻 负温度热敏电阻NTC 湿敏电阻 线性电阻和非线性电阻 电阻两端的电压与通过它的电流成正比 其伏安特性曲线为直线 这类电阻称为线性电阻 其电阻值为常数 反之 电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系的电阻称为非线性电阻 其电阻值不是常数 一般常温下金属导体的电阻是线性电阻 在其额定功率内 其伏安特性曲线为直线 电视机的消磁电阻在电视机正常工作时 它的阻值很大 耗电很少 然而在电视机刚刚接通电源的一刹那 消磁电阻的阻值因发热阻值变得很大 做正常工作电流很小 消磁电阻就是非线性电阻 1 3 3电阻的测量测量电阻用欧姆表 图1 17是用指针式万用表的欧姆挡测量电阻 测量前先将万用表的旋转开关旋到电阻挡 然后将两表笔短路校零 两表笔短路的同时旋转表盘上的校零可调电阻 使表针指到右边零刻度 测量时两表笔搭在被测电阻的两端 表针指示的刻度既是被测电阻的阻值 如果被测电阻连接在电路中 测量时必须将电阻与电路断开 更不允许电路带电测量 图1 16电阻元件的电路符号 图1 17电阻的测量 1 4欧姆定律我们生活中有这样的经验 当我们打开水龙头时 如果水管中的压力大 水流就大 如果水管中的压力小 水流就小 见图1 18 在同一条水管中 水管中水的压力大 水的流速大 反之 水的流速小 在广场的音乐喷泉中 喷出的水柱高度随着音乐的节奏跳跃变化 水柱高时水泵的出口压力高 水柱低时水泵的出口压力低 图2 18水管压力不同 水的流速不同 a 水管压力小 水流缓慢 b 水管压力大 水流速度快 在电阻电路中 电压和电流也有着类似的规律 即加在同一个电阻上的电压高 电阻中的电流大 反之 电流小 1 4 1电阻电路欧姆定律一段只含有电阻 而不含有电源的电路 称为电阻电路 如图1 19所式 a 关联参考方向b 非关联参考方向图1 19部分电阻电路 电阻电路的欧姆定律可表述为 流经电阻的电流与加在电阻两端的电压成正比 与电阻的阻值成反比 其表达式为或 1 7 在式1 7中 电压与电流的正方向设定为一致 称为关联参考方向 如图1 19a所示 如果电压与电流的正方向设定相反 如图1 19b所示 则称为非关联参考方向 非关联参考方向的表达式为 1 8 在以后的电路分析中 如不加特别说明 均为关联参考方向 a 关联参考方向b 非关联参考方向图1 19部分电阻电路 欧姆定律只适应于线性电阻电路 即当电压和电流变化时 电阻的阻值不变 图1 20a是线性电阻的伏安特性曲线 某些电阻元件 如半导体二极管的正向电阻 白炽灯的灯丝电阻 它们不遵循欧姆定律 伏安特性曲线是一条曲线 这种电阻称为非线性电阻 它的阻值随工作电压的变化而变化 如图1 20b所示 a 线性电阻的伏安特性b 非线性电阻的伏安特性图1 20电阻的伏安特性曲线 1 4 2全电路欧姆定律由含有内阻的电源和负载电阻组成的闭合回路称为全电路 最简单的全电路如图1 21所示 图中E为电动势 RO为电动势的内阻 R为外电路负载电阻 图1 21简单的全电路 全电路的欧姆定律可表述为 通过全电路的电流与电源的电动势成正比 与电路中的总电阻成反比 其表达式为或 1 9 由式中可见 为外电路电阻上的电压 令 为内电路内阻上的电压 令 则有 1 10 此式称为全电路电压平衡方程式 它说明了在一个闭合电路中 电压升 电动势E 等于电压降 欧姆定律的应用并不是简单的套用公式 而往往是要分析解决实际问题 实训 电路物理量的测量 实训内容 学习电阻的测量 验证欧姆定律 计算电功率 实训要求 测量电阻前要校零 学习电阻的测量和读数 通过对电阻 电流 电压三个参数的测量 将测量值代入以验证欧姆定律的正确性 b 测电阻 a 电子调零 c 测量电路中电流 d 测直流电压 案例1收音机电流调试 1 4 3活学活用1 确定电路的工作电流大家知道 测量电流要将电流表串联在电路中 需要将电路断开将表串入 测量很不方便 我们又知道 测量电压是将电压表并联在被测电路两端 测量时很方便 在条件许可的情况下 都是利用测量电压的方法 测量出电压 再换算出电流 案例叙述图1 23a b是收音机的外形和内部电路 图1 23c是收音机的部分电路及测量图 我们在组装收音机时 要调整电路的静态电流 在调整时要测量电流的大小 图1 23测量收音机的工作电流a 收音机外形b 收音机内部电路c 收音机部分电路及测量方法 案例分析图中电阻R17的工作电流要求为0 4 0 6mA 电阻的阻值为51 因为电流不方便测量 我们用测量R17电阻两端电压的方法来间接的取得被测电流 根据欧姆定律U IR 0 4 0 6 51V 20 4 30 6 mV即测出的电压值在20 4 30 6mV之间时 电路中的电流值为合格 案例2变频器检测过电流 案例叙述图1 24为变频器 一种用于电动机调速的电力电子设备 内部电流检测电路 该检测电路为变频器的电子保护电路提供电流检测信号 图中采用了电阻率很小的金属板作为 检测电阻 当工作电流流过检测电阻 在电阻两端产生电压降 这个电压降就是电流检测信号 检测电阻的阻值为0 002 变频器额定工作电流为100A 当电流不超过100A时 变频器不报警 图1 24变频器检测电流的测量 变频器因为报警过电流 维修人员对变频器的工作电流进行检查 现测得金属板两端的电压为0 25V 请分析变频器是否真的过电流 案例分析变频器正常工作时金属板两端电压为U IR 100 0 002V 0 2V测得值为0 25V时对应的电流值为I U R 0 25 0 002 125A因为125A 100A 显然变频器是处于过电流状态 要进一步检查变频器的过电流原因 案例1电烙铁发热量不足 2 电路参数发生了变化 使电路工作不正常案例现象某电气维修工使用的一把电烙铁发热量不足 不知是什么原因 电烙铁的正常工作参数为 电压220V 电流90mA 图1 25电烙铁a 电烙铁外形b 等效电路 案例分析电烙铁的发热体就是一个线绕电阻 如图1 25b所示 发热量不足一是外加电压低于220V 二是电烙铁的工作电流小于正常值 用电压表测量220V电源电压 为正常值 用电阻表 万用表的欧姆档 测量电烙铁的发热体电阻 阻值为3 1k 根据欧姆公式 计算电烙铁的实际电流为I U R 220 3 1k 71mA由于71mA 90mA 使电烙铁的发热量不足 其原因为发热体老化 阻值变大所至 案例2豆浆机工作无力 案例现象有人买了一台新的豆浆机 在农贸市场内卖鲜豆浆 发现豆浆机在工作中转动无力 不知什么原因 后来换了一台新的机子仍然如此 案例分析该豆浆机离电源较远 配线较长 由于导线存在导体电阻 使豆浆机工作时在导线上产生了较大的电压降落 加在电动机上的电压减小 造成电动机工作无力 等效电路如图1 26所示 图1 26等效电路图 电动机通电时用电压表测量ab和cd两端电压 测得值为Uab 220V Ucd 160V 在导线上电压损失了60V 停机 将导线cd端连在一起 用电阻表测量a b两端电阻 阻值为15 解决方案显然电动机工作无力是因为导线电阻太大 使加在电动机上的电压严重低于额定电压 220V 造成的 更换截面积大的导线 为了使电动机两端电压不低于200V 更换的导线总电阻Rab要小于5 该案例是应用欧姆定律的概念分析解决问题 案例1用手持试电笔测量220V电压时 为什么没有触电的感觉 3 用欧姆定律分析工程现象案例现象图1 27所示是用试电笔测试电路是否带电 试电笔是电工测量电器是否带电的常备工具 其内部装有一只限流电阻和发光氖管 当被测量的电器带电时 电流通过限流电阻 发光氖管及人体入地 发光氖管发光指示有电 此时虽然有电流通过人体 但人们没有触电的感觉 案例分析试电笔限流电阻为880k 氖管的电阻和人体的电阻都比限流电阻小得多 可忽略不计 即认为电路中只有限流电阻 如图1 27b所示 根据部分电阻电路的欧姆定律 有 即通过人体的电流为0 25mA 由于电流微弱 对人体无害 图1 27试电笔的使用a 试电笔测试示意图b 测试等效电路 案例2家用电器的遥控器为什么都不设电源开关 案例现象空调器 电视机 投影仪等很多电器用的遥控器 都不设电源开关 电池接上以后 电路总在通电状态 如1 28b框图所示 案例分析遥控器的内部电路可以等效为一个阻值很大的电阻 在不工作时 没有按下发射按钮 电路的电流很小 只有A 5A 和电池的自然放电差不多 因此不用设电源开关 大大方便了应用 图1 28遥控器a 遥控器外形b 遥控器内部框图 1 5电功与电功率1 5 1电功电流在电路中流动 通过负载时要对负载做功 如电流流入电动机的绕组 电动机输出转矩 拖动机械负载运动做功 电能通过电动机将电能转化为机械能 电能通过负载做功的大小 与流过负载的电流I 负载两端的电压U以及通电时间t成正比 其数学表达式为在工程上电功又称电能 常用kW h 千瓦时 表示 1kW h就是通常说的1度电 它与焦耳之间的换算关系为1kW h 1000W 3600s 3 6 106J在工程上电能是由电能表进行测量的 电能表俗称电度表 图1 31是电能表的外形图 电能表在测量过程中是通过表内的转动机构带动字轮 由字轮上的数字指示出电路消耗的电能 图1 31电能表 1 5 2电功率在日常生活或工程中 不仅要了解电流做功的多少 还要知道电流做功的快慢 电流做功的快慢是用 电功率 来表示的 1 电功率电流在单位时间内所做的功称为电功率 用P来表示 其表达式为电功率的基本单位为W 瓦 还有kW 千瓦 和mW 毫瓦 2 额定功率为了使电器能安全 可靠地工作 对电器的工作电压和电流都有一个规定值 这个规定值就称为电器的额定电压和额定电流 额定电压和额定电流的乘积 称为电器的额定功率 额定电压 电流 电功率统称为用电器的额定值 用电器的额定值都在铭牌上标出 以方便使用 在应用时 用电器所加电压和电流不能高于或低于额定值 如所加电压偏高 会影响用电器的使用寿命 严重时还可能将用电器烧坏 当所加电压低于额定电压时 用电器的输出功率达不到额定值 不能正常工作 3 实际功率用电器在实际电压下工作时所消耗的功率为实际功率 用电器实际消耗的功率 分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流 1 5 3电流的热效应电流在通过导体时 导体要消耗电能而发热 这种现象称为电流的热效应 电流的热效应在电器设备中得到广泛地应用 电烙铁 电烤箱 电暖气等都是利用电流的热效应加热工作的 电流的热效应也有其不利的一面 它使工作中的电器设备发热 这不但消耗了电能 还会造成电器设备过早老化 如果温升超过允许值 还会烧坏电器设备 因此 常用给电器设备吹风降温的方法来减少电流的热效应造成的危害 案例1电热水器电线容量计算 1 5 3活学活用1 电参数测算案例任务有一家庭需安装一台额定电压为220V 额定功率为1200W的电热水器 见图1 32 请核算墙体内的电源线容量是否能满足需要 已知墙体电线为塑料绝缘铜导线 线径为2 0mm 安全载流量为 5 8 A mm2 图1 32电热水器安装图 案例分析1 墙体内电源线电流容量等于 单位截面积电流容量 导线总截面积 5 8 A 2 10 16 A2 电热水器总电流为A因为5 45A 10A 即电热水器的电流比电源线的下限电流容量还要小 因此电热水器可以安全的工作 案例2某企业电压不稳 造成用电器工作不正常 案例现象某企业经常自己发电 电压稳定性差 电压在200 240V之间波动 车间用的白炽灯忽明忽暗 经常损坏 案例分析以额定电压为220V 额定功率为40W的白炽灯为例 若把它接在220V的电路中 通过灯泡的电流为灯泡的电阻为 当电路电压降为200V 输出功率为因为电压下降 白炽灯的功率由40W下降为33 1W 发光变暗 当电路电压升为240V 输出功率为因为47 64W 40W 白炽灯处于较强的过载状态 虽然发光亮度增加 但白炽灯的寿命大大下降 案例总结一切电器 工作在额定状态是最佳状态 我们要尽量使电气设备工作在额定状态 在购买电器设备时 要认真核实设备的使用条件 一是要和电源相符 二是要和电器驱动的设备相匹配 W 案例1电阻器体积与耗散功率 2 功率与体积案例现象阻值相同 功率不同的电阻器体积是否相同 案例分析电阻器是耗能器件 电能通过电阻器转化为热能 电阻器的应用有两个方面 一个是以发热为目的的电阻器 如电烙铁 电炉丝 电饭锅 电暖器 电器设备专用的耗能电阻 企业加热用的电阻炉等 另一个是以满足电路功能需要为目的的电阻器 该类电阻器已经标准化 系列化 其体积随着电阻器的耗散功率的增大而增大 电阻器的本质是消耗电能 消耗电能就要发热 发热就要散热 散热就要有一定的体积 因此 电阻器的体积与电阻器耗散功率成正比 电阻器除了标明其阻值的大小之外 还要标明电阻器的耗散功率 电阻器的体积和阻值没有关系 因其用途不同 消耗的功率不同 同一阻值的电阻器因其耗散功率不同 其体积不同 所以选择电阻器时必须要有两个参数 阻值和耗散功率 图1 33a中电力电阻耗散功率大 体积也很大 图1 33b为1 8W碳膜电阻 功率很小 体积也很小 图1 33c为电子线路板中的贴片电阻 因流过的电流很小 功率很小 所以体积更小 图1 33不同功率体积的电阻a 电力电阻b 1 8W碳膜电阻c 安装在电子电路板上的贴片电阻 案例2电气设备的体积与功率 案例现象各种电器设备 其输出功率不同 体积是否也不同 案例分析在电气设备中 一般规律是输出功率越大 设备的体积越大 以电动机为例 电动机的输出功率大 输出转矩大 转子 机轴的直径就大 相应的体积就大 另一方面 电器设备的输出功率大 其本身的损耗大 为了散热 其体积也大 在电子设备中 决定体积的因素一是器件的制作水平 二是使用方便 三是散热情况 对于低能耗的电子设备 影响设备体积的主要是器件的制作水平和使用要求 高能耗的电子设备影响设备体积的主要因素是散热情况 最初的电子管计算机 计算功能非常有限 但体积和耗电量大的惊人 体积需要几个房间才能装的下 耗电功率160kW 现在的计算机因为有了更加先进的低能耗电子器件 使计算机的体积大大减小 功能大大增强 现在的台式机耗电功率200W左右 笔记本计算机耗电功率50W左右 这都归功于科学的进步 任务二直流电路分析 2 1电阻的串并联2 1 1电阻的串联将两个或两个以上的电阻首尾依次相接 这种连接方式称为串联 如图2 2所示 电阻串联电路的特点 1 串联电路的总电阻等于各串联电阻之和总电阻的表达式为 图2 2电阻的串联 2 各电阻中通过的是同一电流根据欧姆定律 串联电路的电流为 3 串联电路两端的总电压等于各电阻上的分电压之和总电压的表达式为 4 串联电路具有分压作用串联电路各电阻上的电压与电阻的阻值成正比 阻值越大 所分得的电压也越大 各电阻上分得的电压为 案例1将电流表改为电压表 2 活学活用案例内容有一个电流表头 如图2 4a所示 内阻R0 1000 满偏电流I0 0 1mA 即满偏电压为0 1V 现将它改装成量程U 10V的电压表 怎样改装 案例分析根据串联电路具有分压作用的特点 在表头上串联一个合适的分压电阻 即可将电流表改装成一块电压表 改装电路如图2 4b所示 图2 4扩大电压表量程a 电流表头b 改装等效电路 根据串联电路总电阻等于分电阻之和 有R RO RXk RX R RO 100k 1k 99k 在表头上串联一个99k 的电阻 即可将表头改装为一只10V量程的电压表 案例2可调电阻原理分析 案例叙述 在电工和电子电路中 为了使电压连续可调 需要一种可调整阻值大小的电阻器 案例分析 根据电阻的分压原理 如果用一可移动的金属触点在电阻体上滑动 就可以改变电阻的阻值 相应的可以改变动触点到两个端点的电压值 图2 5可调电阻外形a 带手柄的可调电阻b 微型可调电阻c 等效电路 图2 5a b是可调电阻的外形 图2 5c是等效电路图 图中a c两点为可调电阻的端点 b为动触点 从等效电路中可见 当将动触点向上移动 a b之间的电阻减小 b c之间的电阻增加 相应的如果在a c之间加上电压U1 则动触点向上移动时 U2电压增加 反之 U2电压下降 由于改变可调电阻的动触点可以改变动触点到参考点的电位 因此又将带手柄的可调电阻称为电位器 案例3利用电阻串联降压限流 案例叙述 图2 6是电阻串联电路 分析其工作原理 案例分析 图2 6a是指示灯电路 指示灯可等效为一个电阻 为了限制指示灯中电流 根据串联分压原理 通过串联电阻分压 使加在指示灯上的电压U2为合适值 使指示灯正常发光 图2 6b降压原理和图2 6a相同 发光二极管也可以看作为一个电阻 该电路是电子设备上广泛使用的一种指示电路 图2 6c是电阻串联在高压电路中的一种应用 电路总电压为310V 为了提高电路的工作可靠性 降低加在电阻上的电压值 采用了4个相同阻值的电阻相串联 每个电阻上分得的电压为310V 4 77 5V 采用在一条支路中多个电阻串联来均分功率 均分电压 以此来提高电路的工作可靠性 方便电路的安装 是电工和电子电路经常采用的方法 图2 6电阻串联电路a 电阻与指示灯串联b 电阻与发光二极管串联c 电阻在高压电路中串联 2 1 2电阻的并联和混联将两个或两个以上的电阻首 尾分别接在一起 使电流有多条通路 这种连接方式称为并联 如图2 7所示 1 电阻并联电路的特点 1 各并联电阻两端的电压相等 2 并联电路的总电流等于各电阻中电流之和 即 2 5 3 并联电路的总电阻的倒数等于各并联电阻倒数之和 即 图2 7电阻的并联 4 并联电路具有分流作用 并联电路中流过电阻的电流与电阻的阻值成反比 阻值越小 流过的电流越大 阻值越大 流过的电流越小 当有两个电阻并联时 其分流公式为 5 各并联电阻上所消耗的功率与电阻的阻值成反比并联电路中电阻的阻值越小 消耗的功率越大 阻值越大 消耗的功率越小 总功率等于各并联电阻功率之和 其数学表达式为P P1 P2 P3 2 电阻的混联在一个电路中 既有电阻串联又有电阻并联 称为混联电路 图2 9就是一个电阻混联电路 在计算混联电路时 将电路中串联或并联的电阻按串联或并联的计算方法一步步进行化简 最后求出整个电路的等效电阻值 图2 9电阻的混联电路 例2 1 混联电路如图2 10所示 已知 V 试求电路的总电阻R和总电流I 解 图2 10例2 1图 案例1工作在电网上的负载都为并联 3 活学活用案例叙述 工作在电网上的各种负载都为并联工作 为什么 案例分析 图2 11是电网中的一条火线和一条零线 火线和零线之间的电压为220V 在火线和零线上并联着各种用电负载 图2 12是计算机 扫描仪 打印机并联在一起的情况 图2 11并联负载 根据并联电路各电阻上 各负载 所加电压相同的特点 在电力供电系统中 采用负载并联的运行方式 供电系统为用电器提供一个相同的额定电压 各种负载都要按照这个额定电压设计电路 例如我国民用市电的额定电压为220V 各种用电器的额定电压也都是220V 只要买了按照我国标准电压生产的电器 在我们国内都能用 我们可以想象一下 如果我们国家的低压 指220V 标准有多种 电器的电压标准也有多种 使用起来是何等的麻烦 图2 12三个负载并联 案例2电阻并联分流在工程中的应用 案例叙述 在工程检测中 经常对大电流进行检测量 被测电流小到几十个安培 大到几百安培 这样大的电流是不能直接测量的 一般都采用间接测量的方法 案例分析 根据并联电路加的为同一电压 又具有分流特性 当测量大的电流时 我们在电路中串联上一个电流表和电阻并联分流电路 如图2 13所示 图2 13分流电路 图2 13a是分流原理图 设表头的直流电阻为1k 满偏电流为0 1mA 则表头两端满偏电压降为U RI 1k 0 1mA 0 1V设被检测电流为100A 则检测电阻的阻值为R U I 0 1V 100A 0 001 因为是为了检测电路中的电流 分流电路的损耗越小越好 该电路的电功率损耗为P 0 1V 100A 10W该并联电路通过分流的方法 解决了用一个小电流表头 测量电路的大电流 图2 13b是表头和分流电阻的连接图 图2 13的分流电路并联的是一个表头 直接由表头指示出电路中的电流 该分流电路也可以作为电流检测电子电路的取样输入端 0 1V电压通过电子电路放大 作为其它控制之用 案例3通过电阻并联得到大电流和大的功率 案例叙述 在电子电路或电力电路中 经常采用电阻并联工作 请解释原因 案例分析 由于电阻并联 电路中电流等于各个电阻中电流之和 功率也等于各个电阻的功率之和 在电子电路或电力电路中 当一个电阻提供的电流不能满足要求时 可以将几个电阻并联使用 在工程中有的电阻由于发热原因其功率 即电阻的体积 不能做的太大 当一个电阻不能满足电路的功率要求时 可以将几个电阻并联使用 有的设备 或电子电路板 因受到空间限制时 也可以将几个电阻并联应用 图2 14a是变频器的制动电阻 在制动时有上百安培的电流通过 采用几个电阻并联工作 图2 14b是电子电路的几个电阻并联 并联减小了安装体积 也把电阻的热量通过几个电阻均分 图2 14电阻并联应用a 大功率电阻并联b 小功率电阻并联 案例4电阻保护并联 案例叙述 在高压电网和高压电路中 为了防雷 装有避雷器 在低压电路中 为了防止电路过压 安装压敏电阻 避雷器和压敏电阻是怎样对电路进行保护的 a b c d 图2 15电阻保护并联 案例分析 电网防雷保护原理是根据电阻和电网并联 电网和电阻上加的是同一电压 当雷电超过了电网的工作电压 避雷器的导通电压 避雷器导通 将雷电流通过避雷器旁路 保护了电网不会超压而损坏 避雷器实际上是一个压敏电阻 导通电压值高于电网的正常工作电压 又低于电网的损坏电压值 当避雷器导通后 雷电低于了一定值 避雷器又自动关闭 不影响电网的正常工作 电路中并联压敏电阻的保护原理为 压敏电阻上所加电压低于导通电压时 其阻值很大 相当于开路 当高于导通电压 电阻很小 相当于短路 在电路中主要是进行过压保护 一但过压 压敏电阻短路 将电路的保护熔断器熔断 切断电源 保护了负载不被烧毁 图2 15c是压敏电阻在电路中的连接图 图2 15d是压敏电阻外形 2 2电池2 2 1电池简介电池是将化学能或其它形式的能变换成电能的装置 常见电池外形如图2 16所示 1 一次电池电能用完不能再充电的电池称为一次电池 常见的有锰锌干电池 碱锰干电池 水银电池与碱性电池等 1 锰锌干电池是一次电池的代表性产品 其性能一般 且电压稳定性差 但因其价格低廉 所以销量位居一次电池首位 拥有最广大的应用市场 锰锌电池主要应用在照明 手电筒 音响 收放音机 家庭用品 电动玩具等 图2 16几种电池外形 2 水银电池放电电压稳定 性能好 但因为使用水银 价格较高且有污染 水银电池研发于二战期间 当时仅供军用 目前主要应用在相机 手表 助听器 医疗仪器等小型电子产品上 3 碱锰干电池此电池用二氧化锰取代水银 其电压稳定性虽不如水银电池高 但价格比水银电池便宜三分之二左右 使用寿命为锰锌电池的两倍以上 因现在高性能碱锰电池陆续开发成功 其性能价格比具有很大优势 现阶段主要应用于音响 相机 家庭用品及电动玩具等 4 氧化银电池大多为钮扣型 其性能比水银电池更好 低温特性极佳 适合小型高能量输出场合 也因使用银之故 价格三倍于水银电池 目前主要应用于手表及照相机 5 锂一次电池有工作电压及放电电压平稳及自放电性低的特点 并具有高能量密度 主要用于电子表 计算机 数码相机等 2 二次电池可以充电 能多次反复使用的电池称为二次电池 常见的二次电池有铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 二次锂电池 锂离子电池和高分子锂电池等 1 铅酸电池又称铅酸蓄电瓶 体积大 输出电流大 价格低 广泛应用于汽车 船舶等电路中 2 镍镉和镍氢电池镍镉电池和镍氢电池的容量较小 镍镉电池有坚固耐用和价格适中的优点 是家用和移动电器的常用电源 其最大的缺点就是必须等到电池电力完全用尽才能再次充电 而且充电时必须完全充满 否则电池储存电力的容量就无法发挥到最大限度 3 燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置 如果保证源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时 它就可以连续发电 所以也称为联蓄电池 依据电解质的不同 燃料电池又分为氢氧燃料电池 碱性燃料电池 磷酸型燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池 固体氧化物燃料电池等 燃料电池具有能量转换效率高 洁净 无污染 噪声低 模块结构 积木性强等优点 既可以集中供电 也适合分散供电 高温型燃料电池可实现热电联供 燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的高效 清洁发电方式 在洁净煤燃料电池电站 燃料电池汽车 移动电源 不间断电源 潜艇及空间电源等方面 有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场 太阳能光伏电池是一种将太阳能转换为电能的半导体器件 太阳能是无污染 取之不尽的可再生能源 太阳能光伏电池的最大优点就是取自太阳能 太阳能光伏电池的发展很快 发电效率也在不断提高 已经应用于较大规模的太阳能太阳能发电站 在边远无电地区 高空障碍灯 光伏水泵 高速公路无线电话亭 海洋检测设备 气象观测设备以及太阳能路灯等方面得到广泛应用 太阳能光伏电池的输出具有恒流特性 图2 18b是太阳能光伏电池串联的U I特性曲线 由图中可见 输出电压在0 5V之间变化时 输出电流的变化很小 图2 18光伏电池a 光伏电池板b 光伏电池U I特性曲线 2 2 2电池的联接方式每种电池都有额定电动势和额定放电电流 如用单个电池对负载供电不能满足要求时 可将相同规格的几个电池串联或并联在一起使用 电池的串联当负载需要较高电压 而单个电池不能满足要求时 可以采用多节电池串联 它是将电池的正极 负极依次相接 总电动势由终点引出 如图2 19所示 图2 19电池串联 电池串联后的总电动势等于各个电池电动势之和 即电池串联后电池组的总内阻等于每个电池的内阻之和 即式中 电池组的总电阻 各电池的内阻 当将电池连接成串联电池组时 负载电流不能超过任何一个电池的额定电流 同时 应特别注意串联时极性不要接反 电池的并联当单个电池的额定放电电流不能满足负载的要求时 可以采用电池并联 它是将几个电池的正极 负极分别接在一起 如图1 20所示 图1 20电池的并联 电池并联时 并联电池的电动势必须相同 其内阻亦应相同 并联后的总电动势与单个电池的电动势相同 当电池的内阻相等时 并联电池组的内阻为 2 12 采用电池并联供电 要求各个电池的电动势相等 否则电动势大的电池将对电动势小的电池放电 在电池内部形成一个环流 使电池损坏 此外 各电池内阻也要基本相同 否则 内阻小的放电电流会过大 因此 新旧电池不能并联使用 案例1一次电池和二次电池选用 2 2 3活学活用案例叙述 一次电池为一次性电池 二次电池可以反复充电使用 这两种电池怎样选择 案例分析 选择电池的原则一个是应用成本 一个是应用方便 一次电池价格低 使用方便 二次电池价格高 使用时要进行充电和维护 在放电电流比较小 一次性电池能用较长时间的场合 一般选择一次性电池 如手表 遥控器 收音机 手电筒等 在放电电流比较大的场合 如手机 手提电脑的备用电源 电动自行车 电动汽车等 这些电器的用电量较大 必须采用二次电池 如果采用一次电池 手机两三天换一块电池 电动自行车一天换一块电池 一是应用成本非常高 二是使用也非常麻烦 在一些特殊场合 就必须采用二次电池了 例如太阳能发电 到了晚上没有阳光 发电停止 为了在晚上也能用到电能 就必须配用二次电池 白天电池充电 晚上电池放电 配用电池如图2 22所示 风力发电也存在电能中断的问题 当没有风时 供电停止 为了保持连续供电 也要配用二次电池 有风时充电 无风时电池放电 保证用电器连续工作 图2 22太阳能和风力发电配用的铅酸蓄电池 案例2二次电池的充电 案例叙述 二次电池在应用中 要经常充电 电池是怎样充电的 案例分析 二次电池充电的条件是 充电电压要高于电池的电动势 才能形成充电电流 充电电路如图2 23a所示 在回路中接有两个电动势E1和E2 当E1 E2时 E1处于放电状态 E2处于充电状态 图中R为限流电阻 充电状态的电动势由于电流的方向和电动势的方向相反 处于吸能状态 将电能转化为化学能储存起来 当充电到一定程度 电池内完成了化学的转化过程 充电就完成了 在充电过程中 要注意两个问题 一是不能过充 当充电完成以后 要切断充电电路 过充电对电池是非常不利的 对充电有严格要求的电池 在电池内部都有防过充电保护电路 如手机电池 以防长时间过充电对电池的损害 二是不能欠充电 电池长期的欠充电 对电池也是很不利的 会降低电池的使用寿命 给二次电池充电 很多都是取自电网的交流电 通过充电器中的电源变换电路 将交流电变为适合被充电电池的低压直流电 充电器和电池有严格的电压配套关系 一般不可互用 否则因为电压不匹配会造成事故 图2 23b是电动自行车的一种充电器 图2 23充电电路与充电器a 充电电路b 充电器 2 3电压源和电流源及其应用2 3 1电压源电压源是我们早已熟悉的电源表示方法 由内阻R0和电动势E相串联 电压源的符号如图2 25a所示 当电压源的内阻为零时 称为理想电压源或恒压源 其电路符号如图2 25b所示 图2 25电压源符号 当将电压源与负载电阻相连时 如图2 26a所示 由于电流通过电压源内阻时产生了电压降 使电压源的端电压比电源的电动势要小 即 2 13 图2 26电压源供电电路 2 3 2电流源用一恒定电流与一内阻相并联来表示的电源称为电流源 其符号如图2 27a所示 电流源的内阻越大 在上的分流越小 输出电流越接近 当内阻为无穷大时 不存在 称为理想电流源或恒流源 其输出电流与端电压无关 理想电流源的符号如图2 27b所示 图2 27电流源 在实际电源中 当电源的内阻 时 在上的分流可以忽略 即可将其视为理想电流源 实际电源中 光电池 串激直流发电机以及晶体管等的输出特性 都比较接近恒流源 如果将电流源接入负载电阻 如图2 28a所示 则电路中的电流为其U I特性曲线如图2 28b所示 负载中的电流越小 输出电压越高 图2 28电流源与输出特性 案例1电源短路的危害 2 3 3活学活用案例叙述 电源在工作中或因事故造成短路会有什么危害 案例分析 我们在工作中 接触到的大部分电源是恒压性质的电源 因为电源的内阻很小 一但短路 将会引起很大的灾害 图2 29a是电源短路的情况 由电路参数可知 短路电流可达I U R 220 0 5 0 5 0 5 A 147A 欧姆定律 每条导线上的短路功率和电源上的短路功率为P UI I2R 1472 0 5W 10 8kW 电阻电路的电功率 10 8kW的短路功率可引起导线严重发热 点燃绝缘层引起火灾 造成财产的严重损失和人员伤亡 对于电气设备上的小功率电源 因为负载短路 可将电源烧毁 造成设备不能正常工作 所以 不管是大功率电源还是小功率电源 都不能短路 图2 29电源短路a 电源短路示意图b 电源短路引起的大火 电源在工作中 除了短路造成灾害之外 如果超载工作 也会引起严重后果 一会议礼堂因为接入了过多的大功率灯光设备 使电源导线超载过流发热 引起大火 因人员来不及疏散 造成大量的人员伤亡 案例2高压恒流除尘器 案例叙述 在水泥厂 发电厂等产生大量粉尘和烟雾的企业 要安装除尘设备 在电子除尘设备中 采用高压恒流源作为除尘器的电源 为什么要用恒流源 除尘器又是怎样工作的 案例分析 除尘器的恒流高压电源简称 恒流源 电源的内阻很大 输出电流恒定 根据恒流源的特点 输出电压随负载的变化而变化 U ISR 当负载R的阻值变大 U上升 当负载R的阻值变小 U下降 这个特性特别适应于电子除尘 负载R就是除尘示意图2 30a中a b两点间的等效电阻 U为a b两点间的等效电压 图2 30a是除尘示意图 高压恒流源的负极接到除尘器的电晕线上 电晕线发射电子 电子在电场力的作用下飞向粉尘颗粒 使粉尘颗粒带电 带电的粉尘颗粒飞向阳极板 在阳极板上被粉尘收集装置收集 图2 30b是除尘器电源装置图 图2 30电子恒流除尘器 2 4基尔霍夫定律与支路电流法电路分为简单电路和复杂电路 不能应用电阻的串并联等方法进行化简解出的电路称为复杂电路 如图1 31所示 此图是汽车运行时发电机给蓄电池充电同时又点亮车灯的连线图 将图中的发电机和蓄电池分别用电压源E1 E2来等效 车灯用电阻R3来等效 如图1 31b所示 此图中的各个支路电流不能应用以前学过的方法解出 故此电路是一个复杂电路 我们还要学习求解复杂电路的方法 图1 31汽车电路接线图 支路 电路中通过同一电流的各个分支 称为支路 图2 31中 共有AF BH CD三条支路 节点 三条或三条以上支路的汇合点称为节点 图2 31中的B H点即为节点 回路 电路中任一闭合路径称为回路 图2 31中的ABCDHFA ABHFA BCDHB都是回路 回路中不包含支路的称为自然回路 也称为自然网孔 ABHFA BCDHB就是两个自然网孔 图2 31汽车电路接线图 2 4 1基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律也称为节点电流定律 它确定了节点电流之间的关系 基尔霍夫电流定律可叙述为 在任意时刻流入节点的电流等于流出节点的电流 即 2 18 基尔霍夫电流定律表达了电流的连续性原理 即在一条支路中 任意时刻流入该支路某一横截面的电荷量 等于该时刻流出该支路任意横截面的电荷量 否则 在支路中就会产生电荷的堆积 从而产生电位的变化 这是不可能的 所以 对于节点而言也是如此 在任意时刻流入节点的电荷量恒等于流出节点的电荷量 对于图2 31中节点B 可以列出电流方程式为 基尔霍夫电流定律可以推广为任何电路中的封闭面 即广义节点 图2 32所示为一只晶体三极管 可以把它视为一个广义节点 它的三个电极电流之间的关系为 图2 32广义节点 2 4 2基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律是说明回路中各电压之间相互关系的定律 基尔霍夫电压定律叙述如下 在任意时刻 沿回路绕行一周 回路中所有的电动势的代数和等于回路中所有电阻电压降的代数和 数学表达式为 在应用上式列方程时 首先要规定一个绕行方向 凡电路中电动势的参考方向与绕行方向一致的取正号 与绕行方向相反的取负号 电阻中电流的参考方向与绕行方向一致的 电压取正号 与绕行方向相反的 电压取负号 如图2 31所示电路 以ABCDHFA回路列方程 选定顺时针方向绕行 根据绕行方向 与绕行方向一致 取正值 与绕行方向相反 取负值 R01电阻中电流的参考方向与绕行方向相同 R01上的电压取正值 R02中的电流参考方向与绕行方向相反 R02上电压取负值 列出电压方程式为 2 4 3支路电流法支路电流法是以电路中的支路电流为未知量进行求解的一种方法 下面仍以以图2 31为例来说明支路电流法的解题过程 为了清楚起见 此图给出数字并重绘如图2 33所示 求解之前先要设定电流的正方向 参考方向 和回路的绕行方向 设定的电流正方向不一定就是电流的实际方向 当计算出的电流值为正 说明电流的实际方向与设定的方向相同 当计算出的电流值为负 则说明电流的实际方向与设定的方向相反 沿回路的绕行方向可顺时针也可逆时针 在图2 33中标出了电流 电动势及绕行方向的参考方向 图2 33支路电流法例图 根据基尔霍夫电流定律列节点电流方程电路中有两个节点 可列出两个方程 以A点列出的方程为以B点列出的方程为I3 I1 I2以上两个方程相同 可以证明 在一个复杂电路中 如果有n个节点 则可列出n 1个独立的方程 本电路有两个节点 节点A和节点B 因此只能列出一个独立的方程 2 根据基尔霍夫电压定律列回路电压方程在复杂电路中 并不是列出的所有回路电压方程都是独立的 理论分析可以证明 以电路中的自然网孔列出的回路电压方程都是独立的 本电路有两个自然网孔 可以列出