电工技术及技能训练(第2版) 第1章

1、国家示范性高职院校建设项目成果中国电子教育学会推荐教材全国高职高专院校规划教材 精品与示范系列电工技术与技能训练（第电工技术与技能训练（第2版）版）李贤温李贤温 主编主编第1章 电路基础教学导航教知识重点1电路组成 2电路状态3电路基本物理量 4电流、电压参考方向知识难点电流、电压参考方向推荐教学方式从工作任务入手，从实际电路出发，让学生形成要解决问题到学习知识和能力的渴望建议学时4学时学推荐学习方法观察简单的实际电路，了解电路组成，分析电路工作原理和电路常见故障及排除方法必须掌握的理论知识1电路组成 2电路状态 3电流、电压参考方向需要掌握的工作技能1正确分析电路 2正确判断电路状态任务1.

2、1 认识实际电路 在日常生活或在生产实践中我们会遇到各种各样的电气线路。例如照明线路，收音机线路，电视机线路，厂矿企业中大量使用各种控制线路等，这些线路我们称为实际电路。实际电路是指用实际元器件连接成的线路。图1.1 手电筒的实际电路 图1.1为手电筒的实际电路，由二节1.5V的干电池，一只小灯泡，一段输电导线和一个开关组成。其中干电池称为电源，小灯泡称为负载，开关称为控制装置。 (a)手电筒电路 (b)稳压电源电路 (c)音响控制电路 任务1.2 了解电路模型 图1.1 手电筒的实际电路分析起来还算简单，如果我们拆开一个电视机，去观察它的实际电路会感觉眼花缭乱，无论是分析问题或解决问题都无从

3、下手，因此，我们引入电路模型的概念，电路模型是指用电路符号代替实际元器件画出的图形，简称电路。图1.2即为手电筒实际电路的电路模型，电路模型简称电路。无论简单电路还是复杂电路，都是由电源、负载、输电导线和控制装置等组成。对电源来讲，负载、输电导线和控制装置称为外电路，电源内部的一段称为内电路。下面就对电路的组成做简要介绍。 （a）手电筒电路模型 (b)电动剃须刀电路模型 1.2.1 电源 电源是供应电能的装置，它把其他形式的能转换为电能。例如，汽轮发电机把机械能转换成电能，干电池把化学能转换成电能。 1.2.2 负载 负载是使用电能的装置，它把电能转换为其他形式的能。例如，电灯把电能转换成光能

4、，电炉把电能转换成热能，电动机把电能转换成机械能。 1.2.3 输电导线 输电导线是电能的传输路径，把电能从一个位置传输到另一个位置。如汽轮发电机发出的电能通过输电导线传输到我们的家庭或厂矿。 1.2.4 控制装置 控制装置是控制负载是否使用电能的装置。如它能使电灯亮或暗，电动机停或转。 自己动手：观察实际电源、负载、输电导线、控制装置（每人一套） 任务1.3 区别电路状态 电路一般有三种状态：通路状态、断路状态和短路状态。 1.3.1 通路(工作状态) 通路就是电源与负载接成闭合回路，即图1.3所示电路中开关 合上时的工作状态。如忽略导线电阻,负载的电压降 就等于路端电压 。 QQULU 由

5、上式可见， 越小，则 越大越接近于 ，即带负载能力越强。SRLUSU图1.3 通路(负载工作状态)1.3.2 断路(非工作状态) 断路就是电源与负载没有接成闭合回路，如图l.4所示电路中的开关 断开时的工作状态。断路状态相当于负载 为无穷大，电路的电流 为零，即 ， 0QLRIILR图1.4断路(开路状态) 此时电源不向负载供给电功率。这种情况称为电源空载。电源空载时的端电压称为断路电压或开路电压，电源的开路电压就等于电源电压。1.3.3 短路(故障状态) 短路就是电源未经负载而直接由导线接通成闭合回路，如图1.5所示。图1.5中折线是指明短路点的符号。电源输出的电流就以短路点为回路而不流过负

6、载。若忽略导线电阻，短路时回路中只存在电源的内阻RS。这时的电流称为短路电流 。图1.5短路(故障状态) 因为电源内阻RS一般比负载电阻小得多，所以短路电流总是很大。如果电源短路状态不迅速排除，则由于电流热效应，很大的短路电流将会烧毁电源、导线以及短路回路中接有的电流表、开关等甚至引起火灾。所以电源短路是一种严重事故，应严加防止。 为了避免短路事故引起严重后果，通常在电路中接入熔断器(保险丝)或自动断路器，以便在发生短路时能迅速将故障电源自动切断。 自己动手：观察电路的三种状态（采用安全电压观察，观察时注意安全，每人一个电路）。任务1.4 了解电路的基本物理量 电路模型建立起来以后，要正确分析

7、或计算，还要用到一些基本的物理量。 1.4.1 电流 电流是电荷的定向移动。习惯上指正电荷运动的方向为电流的实际方向。在电路中某一段电路里电流的实际方向有时很难判定。为了分析电路的方便，引入电流“参考方向”的概念。 在一段电路或一个电路元件中事先假定一个电流的方向，这个假定的方向叫做电流的“参考方向”。我们规定：若电流的“参考方向”与实际方向相同，则电流值为正值，即i 0。如图1.6所示。若电流的“参考方向”与实际方向相反，则电流值为负值，即i 0，如图1.7所示。 图1.6电流“参考方向”与实际方向相同 图1.7电流“参考方向”与实际方向相反 自己动手：观察直流电流的实际大小和方向（用指针式

8、万用表测量直流电流，观察指针偏摆的方向和大小。改变电源的大小和正负极性，再测量一次，观察指针偏摆的大小和方向。每人一个电路，一块万用表）。 电流不仅有方向，还有大小，电流的大小用电流强度来度量，简称电流。 按照电流的方向和大小可分为两类：一类是方向和大小均不随时间变化的电流称为恒定电流，如图1.8所示，简称直流电流，它的大小在单位时间内通过输电导线横截面的电荷量是不变的，用I表 示，即电流I = tqtq（1.1） 图1.8恒定电流 另一类是方向和大小都随时间变化的电流称为变动电流，如图1.9所示。它的大小在不同时刻通过输电导线横截面的电荷量是变化的，用i表示，即电流 i = dtdq （1.

9、2） 图1.9变动电流 在国际单位制中，电荷q的单位是库仑，简称库，符号为（C），时间t的单位是秒，符号为（S）,电流i的单位是安培，简称安，符号为(A)，有时还用到千安(kA)、毫安(mA)或微安(A)，换算关系如下： lkA=l000A=l03A lmA=l0-3A 1A =l0-6A 其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交变电流，如图1.10所示，简称交流电流。 图1.10交变电流 (a) (b)自己动手： 用示波器观察交变电流的波形（每人一个示波器）。 1.4.2 电压 在外电路中，正电荷受电场力作用由电源的“十”端通过负载移向电源的“”端，正电荷所具有的电位能逐渐减小，从而把

10、电能转换为其他形式的能，这个过程电场力做了功，做的功与被移动的电荷量的比值称为两端间的电压。电压的方向在内电路是由“”指向“十”，在外电路是由“十”指向“”。 当电压的“参考方向”与实际方向一致时，电压值为正，即u0；反之，当电压的“参考方向”与实际方向相反时，电压值为负，即u0，如图1.11所示。 图1.11电压的“参考方向”与实际方向的关系 (a) (b) 电压不仅有方向也有大小，按照方向和大小也分为两类：一类是方向和大小均不随时间变化的电压称为恒定电压，简称直流电压，它的大小：任一时间电场力对单位电荷做的功，用U表示，即电压 U= qW (1.3) 另一类是方向和大小都随时间变化的电压称

11、为变动电压，其中一个周期内电压的平均值为零的变动电压称为交变电压，简称交流电压，它的大小：在不同时间内电场力对单位电荷做的功，用u表示，即电压 dqdWu= (1.4) 在国际单位制中，功W的单位为焦耳，简称焦，符号为（J）。电荷q的单位是库仑，简称库，符号为（C）。电压u的单位是伏特，简称伏，符号为(v)。有时还需要用千伏(kv)，毫伏(mv)或微伏(v)作单位。换算关系如下： lkV=l000V=l03V lmV=l0-3V 1V =l0-6V 一般情况下，电流参考方向的假定与电压参考方向的假定是无关的。但是为了方便起见，对一段电路或一个电路元件，如果假定电流的参考方向与电压的参考方向一致

12、，即假定电流从标以电压“十”极性的一端流入，从标以电压“”极性的另一端流出，则把电流和电压的这种参考方向称为关联参考方向，简称关联方向，如图1.12所示。 图1.12关联参考方向 自己动手：观察直流电压的实际大小和方向（用指针式万用表测量直流电压，观察指针偏摆的方向和大小。改变电源的大小和正负极性，再测量一次，观察指针偏摆的大小和方向。每人一个电路，一块万用表）。 1.4.3 功率 直流电情况下，在时间t内，电压UAB使电荷q从A点移到B点形成电流I并做了功WAB。我们称单位时间内做的功为电功率，简称功率，功率用符号P表示，公式如下： P tWABtqqWAB（1.5）U I 在电压和电流关联

13、参考方向下，当计算出功率值为正，即P0时，表明元件是吸收或消耗电能；当计算出功率值为负，即P0时，表明元件是发出电能，若在非关联参考方向下， 即 PUI 这样规定之后，若P0时，表明元件吸收或消耗电能；若P0时，表明元件发出电能。在国际单位制中，功率的单位为瓦特，简称瓦，符号为(W)。有时还用到千瓦(kW)。功率只有正负，没有方向。换算关系如下： lkW=l000W=l03W 自己动手：用相同电压的电池、不同功率的灯泡观察灯泡亮度。通电一段时间后断电测量电池的电压（每人一个安全电压电路，一块万用表）。 1.4.4 电能 在实际应用中，常用到电能这个物理量，电能的单位常用千瓦小时(kWh)或度表

14、示，lkWh的电能通常叫做一度电。一度电为l kWl h=1000 W3600s=3.6106 J。 在直流电路中，负载上的功率不随时间变化，则电路消耗的电能为 W=Pt （1.6） 若功率的单位为W，时间的单位为s，则电能的单位为焦耳(J)。 自己动手：用相同电压的电池、不同功率的灯泡，在相同时间内测量灯泡温度（每人一个安全电压电路，一块万用表，一只温度计） 1.4.5 电阻 电荷在电场力作用下沿输电体作定向运动时要受到阻碍作用，这种阻碍作用称为输电体的电阻，用符号R来表示。电阻的单位是欧姆()。有时用到千欧(k)、兆欧(M)。换算关系如下： lk=l000=l03 1M=l06 通过实验可

15、知，当温度一定时输电体的电阻不仅与它的长度和横截面积有关，而且与输电体材料的电阻率有关。即 R （1.7） SL 式中L为输电体的长度，单位为米(m)；S为输电体的横截面积，单位为平方毫米(mm2)；为输电体的电阻系数，单位为mm2/m。 电阻的倒数称为电导，用G来表示，电导在国际单位制中单位为西门子，符号为(s)。 G= R1 电阻是物体本身固有的一种特性。如果我们把物体做成一定阻值的元件，我们称这种元件为电阻元件，简称电阻。 自己动手：用电桥测量相同长度、不同截面、同种材料的电阻或测量相同长度、相同截面、不同材料的电阻，验证电阻的概念（一人一块电桥，一人一段导线）。 任务1.5 电流、电压

16、、电阻之间的关系（欧姆定律） 我们已经知道由于电压的作用在闭合回路中产生了电流，电流的流动又受到输电导体电阻的阻碍作用，那么电压、电流、电阻三者之间是一种什么样的关系呢？1827年德国科学家欧姆通过科学实验总结出：施加于电阻元件上的电压与通过它的电流成正比，在关联参考方向下，如图1.13(a)所示。即 URI (1.8) 我们称这一规律为部分电路欧姆定律，简称欧姆定律。遵循欧姆定律的电阻为线性电阻，即电阻的大小不随电压的高低和电流的大小变化而变化。 图1.13电压、电流、电阻三者之间的关系 a) b) 如果电阻元件上电压的参考方向与电流的参考方向为非关联方向时，如图1.13(b)所示，则欧姆定

17、律为 URI 所以欧姆定律的公式必须与电压、电流的参考方向配合使用。 自己动手：用万用表测量电阻和通过电阻的电流及电阻上的电压，验证三者之间的关系是否符合欧姆定律（每人一个安全电压电路，一块万用表）。 任务1.6 功率的计算 在关联方向下，我们知道功率P=UI，据欧姆定律，U=RI，则 P=UI=RII=RI2或P=UI= （1.9）RURUU2 在非关联参考方向下 P= UI= （RI）I=RI2 或P= UI= U（） 从上面看出，对于线性电阻元件来说，无论电压与电流参考方向是否关联 PRI2 0 也就是说，任何时刻电阻元件只能从电路中吸收电能，所以电阻元件是耗能元件。RURU2RU2 例

18、1.1把一个1K/1W的碳膜电阻误接到220V电源上，会有什么后果? 解：这时碳膜电阻吸收功率为 P =2202/1000= 48.4 W 但是这个碳膜电阻只能承受1W的功率，所以立即引起冒烟起火或碎裂，有可能引起人身伤害。任务1-7 电能的计算 在实际应用中，常用到电能这个物理量，电能的单位常用千瓦小时（kWh）或度表示，1kWh的电能通常叫做一度电。一度电为1kW1h1000W3600s3.6106J。 在直流电路中，负载上的功率不随时间变化，则电路消耗的电能为 WPt （1.6） 若功率的单位为瓦（W），时间的单位为秒（s），则电能的单位为焦耳（J）。 【自己动手】 用相同电压的电池、不

19、同功率的灯泡，在相同时间内测量灯泡温度（每人一个安全电压电路，一块万用表，一只温度计）。任务1.8 了解电压源和电流源 电源分电压源和电流源。1.8.1 电压源 电压是由电压源产生的。端电压始终保持不变的电压源称为理想电压源。大多数实际电压源如干电池、铅蓄电池及一般直流发电机都可近似看作为理想电压源。其符号如图1.14(a)所示。 理想电压源的内阻Rs=0，输出的电压U总是等于它的端电压Us，其外特性就是U=Us这样一条水平直线，如图1.14(b)所示。图1.14 理想电压源a) b) 而实际电压源是有内阻的，所以实际电压源可用图1.15(a)所示的理想电压源和内阻的串联组合来表示。我们称这一

20、规律为全电路欧姆定律。 图1.15 实际电压源 a) b) c) 实际电压源接上负载后，其端电压就会降低，如图1.15(b)所示，其端电压 U = UsIRs 由式可知，负载电流越大，端电压越小。实际电压源的伏安特性见图1.15(c)。 1.8.2 电流源 能输出恒定电流的电源称为理想电流源，其符号和伏安特性如图1.16所示。 理想电流源的内阻为无穷大，电源输出的电流等于电源电流，即I=IS，而实际上，电源的电阻不可能无穷大，所以实际电流源可用理想电流源与电阻的并联来表示，如图1.17所示。实际电流源接上负载后电流会有所减小。 图1.16 理想电流源 图1.17 实际电流源 1.8.3 电压源

21、与电流源的等效互换 在电路分析中，为了分析问题的方便起见，有时一个实际电源可以看作理想电压源和内阻串联，如图1.18(a)所示；也可以看作理想电流源和内阻并联，如图1.18(b)所示。这就要求在两者之间进行等效互换，这里所说的等效变换是指外部等效，就是变换前后端口处伏安关系不变，即A、B两端口电压均为U，端口处流出(或流入)的电流I相同。 图1.18 电压源与电流源的等效互换 a) b) 图1.18 电压源与电流源的等效互换 图1.18(a)中，其输出电流为 I= 图1.18(b)中，其输出电流为I=IS 根据等效的要求，上面两个式子中对应项应该相等，即 IS 或RS2=RS1 （1.10） 111SSSSSRURURUU2SRU1SSRU1211SSRR 这是实际电压源与实际电流源等效变换的条件。变换中要注意：如果A点是电压源的参考正极性，变换后电流源其电流的参考方向应指向A点。另外，还必须指出理想电压源与理想电流源之间是不能进行等效变换的。 知识梳理与总结 本章从任务入手，介绍了实际电路、电路模型、电路状态、电路的基本物理量等基础知识；引入了电流、电压的参考方向等概念；介绍了欧姆定律、电压源、电流源等基本内容；为后