项目二电路的基本概念

项目二电路的基本概念任务一认识电路学习目标（1）熟悉电路的基本组成及各部分的作用。（2）理解电路的三种工作状态。一、电路的组成及作用1.电路的作用将电能转换成其他形式的能，可以产生电信号，并对信号进行传输、转换、控制、处理和储存。2.电路的组成最简单的电路是由电源、负载（用电器）、导线、开关等元器件组成。电源是将其他形式的能量转换成电能的装置。电源分交流电源和直流电源两大类。直流电源供电时电路中电流的方向不变，如干电池；交流电源供电时电路中电流的方向会随时间变化，如电视机电源。负载的作用是把电能转换成其他形式的能量。开关用于控制电路的通断。导线用来传输和分配电能。3.电路图表示方式（结合电路图讲解）电路图分为电路原理图、电路安装图和电路实物图三种。电路原理图是指用标准化的符号绘制的，用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用、相互之间的关系的一种图纸。电路安装图用来表明各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气在控制设备的制造、安装、维护、维修提供必要的资料。电路实物图指按照实物画出来的图纸。4.电路的工作状态电路的工作状态分三种：通路（闭路）、断路（开路）、短路。通路：接通的电路，电路中有电流。断路（开路）：断开的电路，电路中没有电流。短路：不经过负载(灯泡)将电源直接连接起来。通常采用安装熔断器或低压断路器（空气开关）的措施来预防短路故障。当电路发生短路时，它们能快速切断电路，保护线路和用电设备。任务二认识电路的基本物理量学习目标掌握描述电路的基本物理量。一、电流导体内部的电荷（自由电子、正离子、负离子）在电场力的作用下有规则地定向移动就会形成电流。电流分直流电流和交流电流两大类。大小方向都不随时间变化的电流，称为直流电。大小和方向都随时间变化的电流，称为交流电。一般直流电用字母DC或符号“—”表示，交流电用字母AC或符号“～”表示。1s内通过导体横截面的电荷量称为电流强度，简称电流，用字母I表示。电流的单位是安培，简称安，符号为A。除安培外，常用的电流单位还有千安（kA）、毫安(mA)、微安（μA），它们之间的换算关系是：1kA=103A=106mA=109μA习惯上规定正电荷的移动方向为电流的方向。为了计算方便，常常先假设一个电流方向，称为电流参考方向。若计算结果为正值，则电流的实际方向与参考方向相同；若计算结果为负值，则电流的实际方向与参考方向相反。电击伤人的程度与很多因素有关，但主要还是由电流的大小决定。电流/mA通电时间工频电流人体反应直流电流人体反应0~0.5连续通电无感觉无感觉0.5~5连续通电有麻刺感、疼痛、无痉挛无感觉5~10数分钟内痉挛、剧痛，但可摆脱电源有针刺感、压迫感及灼热感10~30数分钟内迅速麻痹、呼吸困难、血压升高，不能摆脱电源压痛、刺痛、灼热强烈，有抽搐30~50数秒至分钟心跳不规则、昏迷、强烈痉挛，心脏开式颤动感觉强烈、有剧痛、痉挛50~数百低于心脏搏动周期受强烈冲击，但没发生心室颤动剧痛、强烈痉挛、呼吸困难或麻痹高于心脏搏动周期昏迷、心室颤动、呼吸麻痹、心脏麻痹或停跳二、电压电压，也称电势差或电位差，即电场中两点间的电位之差。电压是衡量电场做功本领大小的物理量。它用字母U表示。电压的单位是伏特，简称伏，符号为V。除伏特外，常用的电压单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV），它们之间的换算关系是：1kV=103V=106mV=109μV我们规定电压的方向由高电位指向低电位，即电位降的方向。因此电压也常称为电压降。为了计算方便，常常先假设一个电压方向，称为电压参考方向。若计算结果为正值，则电压的实际方向与参考方向一致；若计算结果为负值，则电压的实际方向与参考方向相反。供电系统的电压中有高压、低压、安全低压这三种。（1）高压。交流1100V以上或者直流1200V以上的电压称为高压。高压一般用于电力系统的输配电中，电压越高，输配电线路上的电损耗越小。（2）低压。我们日常生活或生产中用的交流220V/380V就属于低压。一般日常生活用电电压为220V，如电视机、照明灯等；企业的动力设备常常使用380V的电压，如起重机、电动机等。（3）安全电压。规定对地电压低于42V的电压为安全电压。三、电源电动势与端电压衡量电源转换能量本领的物理量为电动势，用字母E表示，其单位为伏特（V）。电源两端的电压称为电源的端电压，简称端电压，用字母U表示。电源的端电压与电源的电动势的单位相同，它们之间有区别又有联系。电压可存在于电源的内部和外部，电动势仅存在于电源内部。通路状态时，U<E；开路状态时，U=E；短路状态时，U=0四、电阻导体对电流的阻碍作用称为电阻。电阻用字母R表示。单位为欧姆，简称欧，符号为Ω。除欧姆外，常用的电阻单位还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间的换算关系是：1MΩ=103kΩ=106Ω电阻是物质的一种属性,任何物质都有电阻。不同物质往往电阻值不同。对于同一种材料，在一定温度下，导体的电阻与它的横截面积成反比，与它的长度成正比。即(2-1)式中，R为导体的电阻，Ω；ρ为导体的电阻率，Ω·m；l为导体的长度，m；S为导体的横截面积，m2。电阻的大小除了与导体的材料、长度、横截面积有关之外，还与温度有关。1.常见电阻器电阻器在日常生活中一般直接称为电阻，是一种应用非常广泛的元器件，在电路中通常用于分压或者限流。一般可分为固定变阻器、可变电阻器和敏感电阻器等。（结合实物讲解）2.电阻的主要参数电阻的主要参数有标称阻值、允许偏差和额定功率等。（1）标称阻值是在电阻器上标志的电阻值。（2）允许偏差是指电阻器实际阻值与标称阻值之间允许的最大偏差。（3）额定功率是指电阻器在规定的气压和温度下，长期连续工作而不损毁，不改变电阻器性能，所允许耗散的最大功率。3.电阻器的表示方法电阻器的标称阻值和允许偏差的表示方法通常有三种：直标法、文字符号法、色标法。直标法，是指将电阻器的标称阻值和允许误差直接用数字和字母印在电阻上。若电阻上未标出误差，则表示该电阻误差为±20%。通常用3位数字来标注片状电阻的阻值。第一位、第二位数字代表有效数字；第三位代表阻值倍率，即两位有效数字之后0的个数。对于带小数的欧姆级片状电阻或10Ω之内的整数值也用R来代表Ω。文字符号法。文字符号法是指用数字和文字符号或者二者有规律的组合，在电阻器上标志出主要参数的表示方法。(3)色标法。色标法是指用不同颜色的色环在电阻器表面表示出标称阻值和允许误差的方法。普通电阻用四环法表示，精密电阻用五环法表示。四环电阻表示方法为电阻值＝有效数字（第一、二色环表示的两位数字）×倍率（第三色环表示的10*）+允许误差（第四色环表示）五环电阻表示方法为电阻值＝有效数字（第一、二、三色环表示的三位数字）×倍率（第四色环表示的10*）+允许误差（第五色环表示）例：如图所示的色环电阻，它的阻值是多少？该色环电阻第一位黄色代表有效数字4，第二位紫色代表有效数字7，第三位黑色代表有效数字0，第四位金色代表倍乘10-1，第五位棕色代表允许误差±1%，所以这个电阻的阻值是47Ω±1%。任务三万用表的使用知识目标学会使用万用表测量电路的电压、电流、电阻。一、指针式万用表的使用MF47型万用表是一种常见的机械式万用表，它由测量线路、表头和转换开关等部分组成。测量线路将各种不同的被测电量转换成表头能够接受的直流电量，并由表头表示出来。1.表笔的使用MF47型万用表一般配有红、黑两种颜色的表笔。使用时应将其插入相应的位置，红表笔接“+”端，黑表笔接“COM”端。2.挡位的选择万用表可以测量多个电量，具有多个量程和挡位。使用前一定先选择好相应的被测量对象的挡位，在调整合适的量程范围进行测量。若挡位选择错误，可能会损坏万用表。若不知道被测量的大小，应选择最大量程挡位先测一下，再调到合适的挡位及量程。应当注意的是，测量时指针位置靠近零位置或者满量程位置，其测量结果的准确性较低。测量电压或者电流时，指针应尽量指在量程的后1/3或1/4处。测量电阻时指针摆动在中央位置时读数为宜。3.调零在使用MF47型万用表之前，应注意观察指针是否指在零位。若不为零，则应调整机械调零旋钮使其指零。测量电阻时，还应将两个表笔短接看其指针是否指在欧姆零位。若不为零，应进行欧姆调零，并且每变换一次欧姆挡的量程都要进行一次欧姆调零。4.测量读数测量时将两支表笔接触待测元件或电路。测量电压或电阻时需把表笔并联在被测电路或元件两端，测量电流时需把表笔串联在被测电路中。待表针稳定后读数。读数时，应双眼平视表盘刻度线，根据所选量程读数（不同量程最小刻度线表示的数值不一样）。测量电阻时，最后读数应为指针示数乘以量程挡位。例如，指针指示为7，若是“×100”挡，则电阻值为700Ω；若是“×1k”挡，则电阻值为7kΩ。测量结束后应将转换开关旋转到交流电压最高挡位。万用表使用注意事项：测量电压或电流时注意是交流电还是直流电。若是直流电应注意极性，红表笔接电源正极，黑表笔接电源负极。测量电阻时应断电。（3）测量电流前应先估算电流的大小，防止超过所选的量程。二、数字万用表的使用数字万用表是一种多用途的电子测量仪表，其特有的蜂鸣挡，若被测电路为接通状态则发出蜂鸣，在电路维修时更方便快捷，可以快速鉴别出电路是开路状态或是短路状态。1.表笔的使用数字万用表有红、黑两支表笔。使用时黑表笔插入“COM”端，红表笔根据待测量插入相应插孔。当测量电压或是电阻时，红表笔插入“VΩ”端，测量电流时根据大小插入“A”或“mA”端。2.挡位的选择测量前应选择合适的量程挡位，先选择被测量再选择量程挡位。面板操作键作用如下：（1）Ω：电阻挡，分200Ω、2kΩ、20kΩ、200kΩ、2MΩ、200MΩ六挡。（2）V～：交流电压挡，分2V、20V、200V、750V四挡。（3）V—：直流电压挡，分200mV、2V、20V、200V、1000V五挡。（4）A—：直流电流挡，分200μA、2mA、20mA、200mA、20A五挡。（5）A～：交流电流挡，分200mA、20A两挡。（6）hFE：三极管β测量，有NPN和PNP两种型号管子的插孔。（7）：二极管测量，短路测量。3.测量读数测量时将两表笔接触待测元件或电路。测量电压或电阻时需把表笔并联在被测电路或元件两端，测量电流时需把表笔串联在被测电路中。数字万用表可以直接读数。测量电阻时注意查看单位。测量结束后关闭电源即可。三、测量电路参数的步骤1.测量电阻（1）选好量程挡位，然后进行欧姆调零，数字万用表不需要欧姆调零。（2）用万用表的红黑表笔接触被测电阻的两端，如图2-30所示，注意手不要碰触笔尖的金属部分。（3）指针稳定后在第一条刻度线上读数或数字万用表直接读数。图2-30数字万用表测量负载电阻2.测量电压（1）选好量程挡位，注意选择交流电压挡还是直流电压挡。（2）用万用表的红、黑表笔接触被测电压两端，如图2-31所示。若被测量为直流电压，则应红表笔接电压正极，黑表笔接电压负极。若被测量为交流电压，则不需要注意极性。（3）指针稳定后在第二条刻度线上读数或在数字万用表上直接读数。注意观察量程，不同的量程，同一指针位置表示的数值大小不同。图2-31数字万用表测量交流电压3.测量电流（1）测量电流前应先估算一下电流的大小，再选择量程挡位。（2）将万用表串接在被测电路中。若被测量为直流电流，则应红表笔接电压正极，黑表笔接电压负极。（3）指针稳定后在第二条刻度线上读数或在数字万用表上直接读数。注意观察量程，不能的量程，同一指针位置表示的数值大小不同。任务四分析电阻电路欧姆定律1.部分电路欧姆定律流过导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比。这就是部分电路欧姆定律，写成如下公式：I=（2-2）由式(2-2)可得R=（2-3）或U=IR（2-4）式中，I为导体中的电流，A；U为导体两端的电压，V；R为导体两端的电阻，Ω；这个定律揭示了电路中电压、电流、电阻三者之间的关系，是电路的基本定律之一，适用于所有的交直流线性电路。例2-1某灯泡接在220V的电源上，正常工作时的电流为0.5A，试求此灯泡的电阻。解：R===440Ω例2-2有一个量程为500V(测量范围是0~500V）的电压表，它的内阻是40kΩ。用它测量电压时，允许通过的最大电流是多少？解：I===12.5mA2.全电路欧姆定律在闭合电路里，电流与电源的电动势成正比，与整个电路的电阻成反比。这就是全电路欧姆定律，即I=（2-5）将此公式进行变形：E=I(R+r)（2-6）E=IR+Ir式中，IR=U是外电路的电压，也称为端电压；Ir=U0是内电路的电压。电源电动势等于内、外电压之和。U=E－Ir当外电阻R增大时，由I=可知，电路电流I减小，Ir即电源的内压降减小。再由U=E－Ir可得，端电压U增大。反之R减小，端电压U也会减小。电阻的连接1.电阻的串联把两个或两个以上的电阻，一个接一个地连在一起，中间没有其他分支，这样的连接方式称为电阻的串联。串联电阻具有以下特点：电路中各处的电流都相等，即：I=I1=I2=I3=…=In（2-7）由于串联电路中间没有其他分支，所以通过电路中每一处的电流均相等。串联电路的总电阻等于各串联电阻之和，即R=R1+R2+R3+…+Rn（2-8）（3）串联电路总电压等于各串联电阻两端电压之和，即U=U1+U2+U3…+Un（2-9）（4）串联电路各电阻上的电压与各电阻的阻值成正比，即Un=U（2-10）Rn越大，它所分配的电压Un也越大，式（2-10）称为分压公式。串联电阻的应用很广泛。利用串联电阻可以获得阻值比原来阻值大的电阻；利用串联电阻可以限制和调节电路中的电流；利用串联电阻可以扩大电压表的量程等。例2-3如图2-36所示分压器中，已知U=300V，R1=150kΩ，R2=100kΩ，R3=50kΩ，求输出电压Ucd、Ubd。解：2.电阻的并联把两个或两个以上的电阻并列地接在电路中的相同两点之间，使每一电阻两端都承受相同的电压，这种电阻的连接方式称为电阻的并联。并联电阻具有以下特点：（1）并联各电阻两端的电压相等，并且等于电路两端的电压，即U=U1=U2=U3=…=Un（2-11）（2）并联电阻总电流等于各并联电阻中的电流之和，即I=I1+I2+I3+…+In（2-12）（3）并联电路总电阻的倒数，等于各并联电阻倒数之和，即+…+（4）在并联电路中，各支路分配的电流与支路的电阻值成反比，即In=I（2-13）式中，Rn越大，通过它的电流越小，Rn越小，通过它的电流越大，式（2-13）称为分流公式。并联电路的应用十分广泛。凡额定电压相同的负载几乎都采用并联形式，如路灯、各种家用电器、机床等。利用并联电阻可以获得阻值比原来阻值小的电阻；利用并联电阻可以构成分流器，扩大电压表的量程等。三、电阻的混联既有电阻的串联，又有电阻的并联，这样的连接方式称为电阻的混联。对于混联电路，需要根据电阻串、并联的特点，把电路进行化简，求得电路的等效电阻。但对于某些较为复杂的混联电路，一般很难一下看清各电阻之间的连接关系。那么就可以先画出等效电路图，再计算其等效电阻。求出总的等效电阻之后，再计算电路的总电流。最后根据电阻串联的分压关系和电阻并联的分流关系，逐步推算出各个电阻的电压和电流。例2-4如图2-38所示电路，求电路中的总电流I，其中E=15V，R1=R2=R3=R4=4Ω。首先在原电路中，给每一个连接点标注一个字母，同一导线连接的点用同一字母。按顺序将各个字母沿水平方向排列，待求端的字母置于首尾两端，最后将各电阻依次填入相应的字母之间。解：(1)首先在原电路中标出字母A、B、C、D。(2)将原电路进行等效，把电阻填入相应的两个字母之间。AC之间、BD之间是导线相连的，为等电位点，如图2-39所示。R1、R2、R3、R4、并联接在电源上。(3)电路总电阻1R电路总电流I=E四、电功与电功率1.电功当电流经过负载时，负载可以将电能转换成其他不同形式的能量，这个过程称为电流做功，简称电功。用字母W表示，单位为焦耳(J)。其定义式为W=UIt（2-14）式中，U为导体两端的电压，V；I为导体中的电流，A；t为导体通电时间，s。由I=，有W=t（2-15）由U=IR，有W=I2Rt（2-16）在实际应用中，焦耳是个比较小的单位，使用较少。我们常常用千瓦时（kW·h）或度作为电功单位。1度=1kW·h=3.6×106J2.电功率我们把单位时间内电流所做的功称为电功率。它是描述电流做功快慢的物理量。电功率用字母P表示，单位为瓦特（W）。电功率的计算公式为P==UI(2-17)由I=，有P=(2-18)由U=IR，有P=I2R(2-19)实际应用中，电功率的常用单位还有千瓦（kW）、毫瓦（mW）：1kW=103W=106mW例2-51度电可供“220V，25W”的灯泡发光多少小时？解：1度=1kW•h，25W=0.025kW由P=，得t===40h3.负载的额定值负载长时间正常工作时所允许施加的最大电压、流过的最大电流称为负载的额定电压、额定电流。额定电压和额定电流的乘积，称为额定功率。额定值用带有下标“N”的字母表示。电气设备的额定值通常表在铭牌上。焦耳定律电流流过导体时使导体发热的现象，称为电流的热效应。实验表明：电流流过导体产生的热量与导体的电流的平方、导体的电阻、通电时间成正比，这一定律称为焦耳定律，即Q=I2Rt（2-20）式中，Q为导体产生的热量，J；I为导体中的电流，A；R为导体中的电阻，Ω；t为导体通电时间，s。实训1测量电路的基本参数一、实训目标学会使用万用表测量描述电路的基本参数，包括电阻、电压和电流。二、实训器材（1）MF47型万用表1块。（2）小功率电阻6个。（3）直流电源（0~30V）。（4）交流电源（0~220V）。（5）导线若干。三、实训步骤1.测量电阻（1）将MF47型万用表转换到欧姆（Ω）挡，并选择合适的量程。若不清楚被测电阻的大小，则选择最大量程。（2）选好挡位后短接调零，即将红黑表笔接在一起，看指针是否指在欧姆的零位（第一条刻度线最右侧）。若指在零位则可开始测量，否则调节调零旋钮使指针指零。这里需要注意的是，若更换量程挡位则需重新调零。（3）将两表笔分别