电工基础教学作者杨正红

1、电工基础教学作者杨正红绪 论一、电能的应用及重要作用如今电能以其巨大的威力发挥着越来越重要的作用，在人类社会的各个领域中应用越来越广泛。在现代工业中，各种现代化的生产机械和设备几乎都是由电能来驱动的；在现代农业中，排灌、田间机械化作业、粮食和饲料加工也是依靠电能来完成的；在现代国防中，雷达、导弹、军舰等现代化的军事设备同样离不开电能；电气机车、飞机、轮船等现代化的交通工具以及各种现代化的科研设备、医疗设备等也与电能有着密不可分的联系；电灯、电话、电视机、影碟机、电脑、冰箱、微波炉、空调机各种电器产品的使用，办公自动化和信息网络化的实现等都离不开电能。二、电能和优点在各种形式的能量中，电能之所以

2、占有重要的地位并获得广泛应用，是因为电能具有以下优点：1电能的生产方便利用转换器（如发电机、核电站、干电池、光电池等）可以方便把其他形式的能（如热能、水能、原子能、化学能等）转换成电能。2电能的输送和分配方便电能通过导线可以很方便地进行距离输送和分配，而且输配设备比较简单，输电效率也很高，这样就解决了发电厂（大多建在有能源的地方）和用电单位（遍布各地的工厂、城乡等）不在一处的矛盾。此外，电能还可以以电磁波的形式向四面八方传播，如无线电通讯等。3电能的使用转换方便电能可以利用电器（如电动机、电炉、电灯等）转换成其他形式的能（如机械能、热能、光能等）电能之间也可以转换，如蜊 用整流器将换交流电能转

3、换为直流电能，利用振荡器将直流电能转换为交流电能。4电能的控制方便利用电能控制各种设备迅速而准确，并且易于实现远距离控制和生产过程的高度自动化。例如，能对生产过程或设备实现程序控制、数字控制或最佳状态控制；能检测生产过程的各种参数并转换成一定的电信号，实现自动调节和智能化管理等。此外，利用电能还能实现巡回检测、数据分折、程序显示、故障处理等功能。三、本课程的性质、内容。任务和要求电工基础是中等职业技术学校电子类应用专业、家用电器维修专业、机电专业、计算机应用专业的一门主干技术基础课程，在我校应用电子、电气化、计算机等专业的人才培养中具有重要地位，该课程的特点是理论性强、实用性强、概念抽象、涉及

4、的基础理论较广，对各专业课程来讲是一门要求概念清楚、原理方法的掌握应扎实牢固的非常重要的先修课程，且实验、实训项目较多。本课程主要是研究和应用电路的基本元件、基本概念、基本物理量、基本定律和基本分折计算方法等。本课程的任务是通过学习掌握较系统的电工理论基础知识，培养一定的电工实验技能，为进一步学习其他专业课打下基础。具体要求是：1掌握直流电路与交流电能的基本概念、基本定律和基本分折计算方法。3了解电容器、自感与互感、变压器的基本知识。4掌握线性电路中过渡过程的基本概念和基本分析方法。5掌握电路中基本物理量的测量方法，能用实验的方法验证有关定律，培养实验技能。第一章 电路的基本概念和基本定律章目

5、录第一节 电路的组成第二节 电路中的基本物理量第三节 电阻第四节 欧姆定律第一章 电路的基本概念和基本定律第六节 电功与电功率上一页下一页返 回结 束第五节 串、并联电阻的分压分流作用上一页下一页返 回结 束第一章 电路的基本知识和基本定律教学要求教学要求 1.了解电路的组成，了解常用电阻器， 理解电路的三种状态，理解有关基本物理量的定义，熟记它们的单位和符号。 2.熟练掌握欧姆定律及应用。 3.了解电流热效应的应用和可能造成的危害，了解负载额定值的意义。 4.了解电流做功及掌握电功率的定义。一、电路和电路的组成二、电路图三、电气图形符号第一章 电路的基本知识和基本定律节目录第一节 电路的组成

6、四、电路的三种状态一、电路和电路的组成1、电流所流经的路径称为电路。第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图一、电路和电路的组成 2.电路通常总是由电源、负载和中间环节（导线和开关）等基本部分组成。第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图将非电能转化为电能的装置将电能转化为其他形式能量的装置用于传输和分配电能二、电路图 1.用统一规定的图形符号画出的电路模型图称为电路图。第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图2.电路图中常用的部分图形符号如表1-1所示。三、电路中的电气图形符号第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图四、电路的三种状态通路：电路各部分连

7、接成闭合回路，有电流通过时的状态。（负载工作状态）开路：电路断开，没有电流通过时的状态。（断路状态）短路：电路（或电路的一部分）被短接。如果电源两端直接由导线接通的状态为电源短路，这是一种危险状态，应避免出现。（故障状态）（a）(b)(c)一、电流二、电压与电位第一章 电路的基本知识和基本定律节目录第二节 电路中的基本物理量三、电动势1、电流(1)、电流的形成电荷的定向运动称为电流。第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电路中的基本物理量(2)、电流的实际方向规定以正电荷移动的方向为电流的实际方向。第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流I(3)、电流的参考方向在分析或计算电路时，常常要求求

8、出电流的实际方向。第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用箭头或双下标表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。 如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。电流的实际方向和参考方向(4)、电流的大小通常规定用单位时间内通过导体横截面的电量来表示电流的大小，以字母I表示。第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流 我们规定：电量的单位是C，时间的单位是s，那么电流的单位是A。电流常用的单位还有kA、mA、A，其换算关系是：(5)、直流电流直流电流:凡大小和方向都不随时间变化的电流，称为直流电流，简称直流（

9、DC）。第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流0It(6)、交流电流第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流交流电流:凡大小和方向都随时间变化的电流，称为交变电流，简称交流（AC）。0举例第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流例： 某导体在5min内均匀通过的电荷量为，求导体中的电流是多少？例11：某导体在6min内均匀流过横截面的电荷量为9C，问流过该导体的电流是多少毫安？ 已知：Q=9C，t=660=360s。求：I。解： I=0.025A=25mA解：(7)、电流的测量电流的测量：第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流 测量电流时必须把电流表串联在电路中，同时要选择好电流表

10、的量程（测量范围），使其大于实际电流的数值。测量直流电流时,还必须使电流从表的正端流入，负端流出。负载开关电源AA万用表直流电流档的使用读数:读标“mA”的刻度线；图1-10所示。转换开关所指的电流值，即为量程。在量程内，指针摆到任意位置时，按所指的刻度进行换算。第一章 电路的基本知识和基本定律第2节电流 1、电压2、电位3、电压与电位的关系 4、举例第一章 电路的基本知识和基本定律节目录二、 电压与电位1、电压（1）、电压的定义 电场力把单位正电荷从电场中a点移动到b点所做的功称为a、b两点的电压，用Uab表示。第一章 电路的基本知识和基本定律第3节电压与电位（2）、电压的单位 电压的单位称

11、为伏特，简称伏，用符号V表示。第一章 电路的基本知识和基本定律 我们规定：电场力把1C电量的正电荷从a点移到b点，如果所做的功为1J，那么a、b两点间的电压就是1V。电压常用的单位还有kV、mV、V，其换算关系是：1kV=103V1V=103mV1mV=103uV第3节电压与电位（3）电压的方向第一章 电路的基本知识和基本定律 习惯上规定，电场力移动正电荷做功的方向为电压的实际方向，电压的实际方向也就是电位降的方向，即高电位指向低电位的方向，所以电压又称电位降。 电压的参考方向有几种表示方法。 第3节电压与电位 第一种表示是用箭头表示。箭头由假定的高电位指向低电位。 第二种表示是用双下标字母表

12、示。如Uab，前一个下标字母a表示假定的高电位，后一个字母b表示假定的低电位。（4）、电压的测量：第一章 电路的基本知识和基本定律第3节电压与电位。负载开关电源VV（5）、电压测量的注意事项第一章 电路的基本知识和基本定律第3节电压与电位 测量电压时必须把电压表并联在被测电路中，同时要选择好电压表的量程（测量范围），使其大于实际电压的数值。测量直流电压时,还必须使电压表的正负极和被测电压一致。2、电位 电位等于电场力将单位正电荷从该点移动到参考点所做的功。用符号表示，以o点为参考点，则a点的电位为:第一章 电路的基本知识和基本定律 参考点的电位等于零。参考点又称为零电位点。高于参考点的电位是正

13、电位。低于参考点的电位是负电位。 电位的单位与电压相同，也是V。第3节电压与电位电位的测量3、电压与电位的关系 结论：电路中任意两点间的电压就等于两点间的电位之差，所以电压又称为电位差。第一章 电路的基本知识和基本定律第3节电压与电位abo整理得：在如图15所示电路中，用电压表测量a、b、c、d每两点的电压Uab、Uac、Uad、Ubc、Ubd、Ucd时，要测量六次，且每次改接表的接线柱非常麻烦。若任选一个参考点，如a点，则只需用电压表测量b、c、d三点的电位值、 、，就能知道全部电压。可见，引入电位分析电路有两个好处，一是方便测量，二是减少测量次数。所以，在实际工作中电位的应用相当广泛。 图

14、15所示电路电压与电位的关系小结第一章 电路的基本知识和基本定律 结论一：参考点改变，各点的电位随之改变，即各点的电位与参考点的选择有关。 结论二：不管参考点如何变化，两点间的电压（电位差）是不变的，即电位差与参考点的选择无关。 电路中，参考点可以任意选定。在电力工程中，常取大地为参考点。因此，凡是外壳接大地的电气设备，其外壳都是零电位；有些不接大地的设备，在分析其工作原理时，常常选用许多元件汇集的公共点作为零电位点，即参考点，并在电路图中用符号“ ”表示；接大地则用符号“ ”表示，以示区别。第3节电压与电位举例 举例第一章 电路的基本知识和基本定律 在图中，已知UCO=3V， UCD =2V

15、.试分别以D点和O点为参考点，求各点的电位及D、O两点的电压UDO 。第3节电压与电位举例第一章 电路的基本知识和基本定律 解： （1）以D点为参考点，即D=0V因为所以第3节电压与电位又因为 所以举例第一章 电路的基本知识和基本定律（2）以O点为参考点，即O=0V因为 所以 因为 所以 第3节电压与电位4、电动势电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。 电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。电动势图1电动势图2电动势符号电流、电压、电动势方向想一想想一想：1.电流I、电压U、电位正负的意义是什

16、么？2.电压与电位的主要区别是什么？如果电路中某两点的电位都很高，这两点之间的电压是否就很大？3.电源内部和电源外部电路中电荷移动的原因是否一样？第三节、电阻一、电阻1、电阻 电阻就是反映导体对电流产生阻碍作用大小的一个物理量，其定义是：某段导体两端的电压U和通过这段导体的电流I的比值，叫做这段导体的电阻，用符号R表示，即： R=U/I电阻的单位是欧姆，简称欧，用符号表示。当导体两端的电压是1V，导体内通过的电流为1A时，这段导体的电阻就是1。电阻的单位除欧姆外，常用的单位还有k（千欧）和M（兆欧），它们之间的换算关系是：1M=10k 1k=10k2、电阻定律电阻是导体的固有参数，它的大小与导

17、体的几何尺寸和导体的材料性质有关，而与导体两端的电压和流过导体的电流大小无关。实验证明：在一定温度下，导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积成反比，并与导体材料的性质有关，这一规律称为电阻定律。对于长度为l，截面积为S的导体，其电阻R用公式表示为：R= L/S式中，p是与导体材料性质有关的物理量，称为电阻率。电阻率通常是在20时，长1m而横截面积为1m2的某种材料的电阻值，即： =RS/L当l的单位位m，S的单位为m时， 的单位是m。3、电阻与温度的关系电阻与温度的关系导体的电阻值不仅与材料的种类、尺寸有关，还和温度有关。例如，当温度升高后，一般金属材料的电阻值就会增大，而碳、电解液及

18、某些合金材料料的电阻值会减小。P10见表1-2电阻温度系数几种材料的电阻温度系数见P10表1-2。可见，a有正负，当a0时，导体的电阻值随温度的升高而增大，这类导体为正温度系数材料，如各种金属材料等；当aE 时， I 0 表明方向与图中假设方向一致。当 UabE 时， I 0 表明方向与图中假设方向相反。E+_baIUabR例1-4例1-4已知某电阻为30，加在它两端的电压为12V，求流过它的电流为多大？已知： R=30，U=12V。求：I。解： 二、全电路欧姆定律在如图113所示的全电路中在如图113所示的全电路中，R是负载电阻，点划线框内表示的是一个电源，其中，E是电源的电动势，r是电源的

19、内电阻（简称内阻）。为了分析电路的方便，通常把一个实际电源的内阻r单独画出。而实际上内阻r是电源内部，与电动势是分不开的。内阻也可以不单独画出，而只在电源符号旁边注明是内阻的数值即可。当开关S闭合后，对外电路，负载电阻两端的电压为：U=IR对内电路，电源的端电压为：U=E-Ir由电路可看出，负载电阻两端的电压与电源的端电压是相等的，所以有：IR= E-Ir 即：I=E/r+R上式表明，全电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路中内阻和外加电阻之和成反比，这个规律称为全电路欧姆定律。三、电源的外特性RI=E/r+RU=IrU=(E-Ir)Q点电源的外特性， 由I=E/R+r可得：E=I（r+R）

20、=Ir+IR=Ur+U上式答为电压平衡方程，其中，U= Ir电源内阻上的电压降，答为内压降；U=IR是电源的端电压，也是负载两端的电压。可见，电源的电动势等于内压降与电源端电压之和。由电压平衡方程可得出电源端电压U与电源电动势E的关系为：U=E- Ur=E- Ir可见，当电源具有一定的内阻时，其端电压总是小于电源的电动势。当电源的电动势E和内阻r一定时，电源的端电压U将随负载电流I的变化而变化。我们把电源端的电压随负载电流变化的关系，称为电源的外特性， 1. 电压源伏安特性电压源模型IUEUIRO+-ERo越小特性越平有源元件主要介紹有源元件中的两种电源：电压源和电流源。理想电压源 （恒压源）

21、: RO= 0 时的电压源.特点：(1）输出电 压不变，其值恒等于电动势。 即 Uab E； （2）电源中的电流由外电路决定。IE+_abUab伏安特性IUabE电路的三种状态三、电路的工作状态（一）通路第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图 通路就是电源与负载构成的闭合回路，电路中有电流通过，电路正常工作。三、电路的工作状态（二）断路第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图 断路就是电源与负载未接成闭合回路，电路中没有电流通过。断路又称为开路。三、电路的工作状态（三）短路第一章 电路的基本知识和基本定律第1节电路及电路图 短路就是电源未经负载而直接由导线（导体）构成通路

22、，电路中电流比通路时大得多，可能烧坏电源和其他设备。例15例15在如图113所示电路中，已知电源电动势力为24V，内阻为4，负载电阻为20。试求：（1）电路中的电流；（2）电源的端电压；（3）负载电阻的电压；（4）内压降。已知：E=24V，r=4，R=20。求：（1）I；（2）U；（3）U；（4）U。解： I=U=E-Ir=24-14=20VU=IR=120=20VU=Ir=14=4V例16例16 在如图116所示电路中，当开关S分别打在1、2、3位置时，电路处于什么状态？电流表和电压表的读数是多少？已知：E=6V，r=0.2 。求：当开关S分别打在1、2、3位置，电路的状态以及电流表电压表的

23、读 例1-6解：当开关S打在1位置时，电路处于短路状态，I=E/r=6/0.2=30A U=0V当开关S打在2位置时，电路处于开路状态，I=0AU=E=6V当开关S打在3位置时，电路处于通路状态，I=U/r+RE-Ir想一想想一想：下列的说法对吗？为什么？1.当电源的内阻为零时，电源电动势的大小就等于电源电压。2.当电路开路时，电源电动势的大小就等于电源端电压。3.在通路状态下负载电阻变大，端电压就下降。4.在短路状态下内压降等于零。5.在电源电压一定的情况下，电阻大的负载是大负载。第五节、电功与电功率一、电功电流流过负载时，负载就把电能转换成其他形式的能（如热能、光能、机械能等），电流就做了

24、功。电流所做的功叫做电功，用符号W表示。电流在一段电路上所做的功，与这段电路两端的电压U、流过电路的电流I和通电时间t成正比，用公式表示为：W=I2Rt=U2/Rt若该段电路的电阻为R，根据欧姆定律，则有：若电压U的单位为V，电流I的单位为A，电阻R的单位为，时间t的单位为s，则电功W的单位是焦耳，简称焦，用符号J表示。在实际工作中，电功常用的单位还有千瓦时（kWh），俗称“度”。电功的多少可用电能表来计量。例17例17若灯泡的电阻为24，通过灯泡的电流为150mA，试求灯泡在2h内所消耗的电能是多少？已知：R=24，t=26060=7200s，求：W。解：W=IRt=0.15247200=3

25、888J二、电功率电功描述了电流做功的多少，但不能描述电流做功的快慢。因此，引入电功率这一物理量来描述电流做功的快慢。电流在单位时间（1s）内所做的功，称为电功率，用符号P表示。其公式为：P=W/t=UI=I2R=U2/R电功率的单位是瓦特，简称瓦，用符号W表示。若电流在1s内所做的功为1J，则电功率就是1W。除瓦外，电功率常用的单位还有kW（千瓦）和mW（毫瓦），它们之间的换算关系是：1kW=10W 1W=10OOmW 1mW=1000uW电路中的电功率可用功率表测量。例1-8例1-8 电路如图117所示。已知电源的电动势为100V，内阻为10，灯泡的电阻为90。试求：（1）电源功率； （2

26、）负载功率 （3）内损耗功率已知：E=100V，r=10，R=90，求：（1）Pe；（2）P；（3）Pr。解：电路中的电流：I=E/r+R=100/10+90=1AP=EI=1001=100WP=IR=190=90WP= Ir=110=10W3负载获得最大功率的条件3负载获得最大功率的条件由功率平衡方程得知，电源产生的功率一部分损耗在内电路中，剩余部分才能传输给负载。内电路损失的功率越小，负载从电源取用的功率越大。在电子电路中，总是希望负载能获得最大功率，那么，在什么情况下，负载才能从电源获得最大功率呢？下面就来讨论这一问题。在如图118a所示电路中，流过负载电阻R的电流为：I=负载电阻R获得的功率为：P= IR=（）R=图1-18负载获得最大功率的条件即R=r时，负载才能获得最大功率。因此，负载获得最大功率的条件是：负载电阻等于电源内阻。由于负载获得的最大功率就是电源输出的最大功率，所以电源输出最大功率的条件也是负载电阻等于电源内阻，即R=r。负载功率（或电源输出功率）P随负载电阻R变化的曲线如图118b所示。当R=r时，负载获得的最大功率为：Pmax=E2/4r三、焦耳定律三、焦耳定律1、电流