电工基础 第二版 课件 谢水英 项目1、2 电工常识和Ｍultisim电路仿真软件、简单直流电路

《电工基础》浙江省十一五重点规划教材电

是一种自然现象，是一种能量。自然界的闪电就是电的一种现象。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。它是自然界四种基本相互作用之一。电或电荷有两种:我们把一种叫做正电，另一种叫做负电。

电是个一般术语，是静止或移动的电荷所产生的物理现象。在大自然里，电的机制给出了很多众所熟知的效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等。电的分类分类静电直、交流电现象静止的电荷(通常存在于绝缘体内，如橡胶、毛皮、琥珀、云层)流动的电荷放电时间瞬间放电(皮秒~微秒)，通常是由于击穿绝缘体导致的放电。持续放电(通常是存在于电路中的)能量由大到小可为:闪电、脱毛衣、塑料尺等由大到小可为:亿万伏发电机输出电、工业用电、民用电、电池等人体感觉通常不易感(除闪电外)36V以上即可对人体造成伤害电的应用项目一电工常识和Ｍultisim电路仿真软件万用表1.4发电、输电概述1.1工厂供电1.2

安全用电常识1.3Ｍultisim电路仿真软件1.5目录▲典型问题

电是怎么产生的？又是怎么输送过来的？如何安全用电？怎么测量？电路中的物理量可以仿真测量么？▲知识能力目标1．了解电的产生及其输送过程；掌握安全用电常识与急救常识。2．掌握使用万用表测量电阻与电压、电流的方法。3．掌握Ｍultisim电路仿真软件的使用方法，能对电路基本物理量进行仿真测量1.1发电输电概述1.1.1电能的产生1.1.2

电力系统的组成1.1发电、输电概述1.1.1电能的产生电能是二次能源，是发电厂用其他形式的能量转化而来的，按能源种类的不同，发电厂可分为：水力、火力、风力、核能、太阳能等发电厂。1.1.2电力系统的组成电力网：连接发电厂和用户之间的环节称为电力网。电力系统：

发电厂、电力网和用户组成的统一整体称为电力系统，实现电能的生产、传输与分配。

T1T2用户T2用户T2用户

T1发电厂发电厂LLLL电力网图1-1电力系统示意图T1—升压变压器T2—降压变压器L—输电线路1.发电厂核电厂:一次能源为核能。水力发电厂:一次能源为水势能。火力发电厂:一次能源为煤、油、天然气。风力发电厂:一次能源为风能。太阳能发电厂:一次能源为太阳能。

目前我国主要是火力发电和水力发电。光伏发电有望成为我国最主要能源之一。光伏发电我国近八成的土地光照充沛，光能资源分布较为均匀。与水电、风电以及核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术较成熟，除了日照外，不需任何“燃料”。从站址的选择来说，城市中的楼顶、空地都可以被应用。除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池和制氢等多种方式储存。在全球低碳经济与新能源革命的大趋势下，光伏发电有望成为我国未来份额最大的主导能源之一。国家能源局统计数据显示，截至去年底，我国光伏发电累计装机容量达4318万千瓦，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。变电所升压变电所降压变电所架空线路电力线路电缆线路2.电力网目前我国主要有：华东、华中、华北、东北、西北和南方六大电力网。电力网由变电所和输电线路组成。变电所升压变电所降压变电所架空线路电力线路图1-2架空线路的组成元件防震锤导线避雷线绝缘子杆塔线夹基础接地装置电缆线路

我国国家标准规定的电力网额定电压有3、6、10、35、60、110、220、330、500kV。2.电力网目前我国主要有：华东、华中、华北、东北、西北和南方六大电力网。电力网由变电所和输电线路组成。3.用户

一但中断供电，将造成人身事故，重大电气设备损坏，使生产、生活秩序很难恢复。如大型医院，炼钢厂，石油提炼厂或矿井等。

一但中断供电，将造成主要电气设备损坏，造成较大经济损失，使生产、生活秩序受到一定影响。例如煤气站的鼓风机、10吨以下的电弧炼钢炉的低压用电设备和刚玉冶炼电炉变压器等。三级负荷:一级负荷、二级负荷以外的其他负荷。例如一般加工车间，仓库，办公室。供电方式无特殊要求。最少用两个独立电源供电，一个为备用电源。由两个回路供电，分别引自不同变压器或两段母线。一级负荷:二级负荷:1.2工厂供电YY电动机电动机照明YY电动机电动机照明

厂总变电所车间变电所图1-3工厂配电系统示意图（放射式）厂总变电所6~10kV380/220V35~110kV工厂配电系统联接方式有：放射式、树干式和环式。1.3安全用电常识1.3.1安全用电的意义1.3.2电流对人体的伤害1.3.3

保护接地各保护接零1.3.4

安全用电措施1.3.5

触电急救常识1.3.1安全用电的意义

在生产和生活中，电气设备和家用电器的使用越来越广泛，但在使用电能的过程中，如不注意安全用电，就可能造成人身触电和设备的损坏，给生产、生活造成很大的影响，因此，注意安全用电是非常必要的。1.3.2电流对人体的伤害(一）触电：人体因触及带电体面承受过高的电压，以致死亡或局部受伤的现象。

触电依据伤害程度不同，可分为电击和电伤两种。1、电击：指因电流通过人体面使内部器官受伤的现象。2、电伤：指人体外部由于电弧或熔断器熔断时飞溅起的金属沫等而造成的烧伤现象。

这是最危险的触电事故。通过人体的工频电流超过10mA，或直流电流超过50mA时，就会产生呼吸困难、肌肉痉挛、中枢神经遭受损害，从而使心脏停止跳动，以致死亡。

电击伤害的程度取决于通过人体电流的大小、持续时间、电流的频率以及电流通过人体的途径等。

(一）触电的形式:

单相触电、双相触电、跨步电压触电。单相触电：

当人体接触带电设备或线路中的某一相导体时，一相电流通过人体经大地回到中性点的触电方式。(1)电源中性点接地系统的单相触电，如图1-4(a)。这时人体处于相电压下，危险较大。(2)电源中性点不接地系统的单相触电，如图1-4(b)。图1-4单相触电图2.双相触电

双相触电是指人体的不同部位分别同时接触二条相线所引起的触电事故。如图1-5所示，这时人体处于线电压下。图1-5双相触电

3.跨步电压触电

在高压输电线断线落地点周围产生电压降，人体走近时两脚之间承受跨步电压而触电。如图1-6所示。图1-6跨步电压触电1、保护接地将电气设备的金属外壳或构架接地。

适用于电源中性点不接地的三相三线制供电系统中。

当出现漏电或一相碰壳时，外壳未接地，人体触及外壳时触电。M3~rRIRCrDID图1-7保护接地和短路电流rD一般为4

以下1.3.3保护接地和保护接零2、保护接零将电气设备的金属外壳或构架接零线。图1-8保护接零ISCrDM3~

当出现漏电或一相碰壳时，外壳未接零线，人体触及外壳时触电。

适用于电源中性点接地的三相四线制供电系统中。3、工作接地工作接地即三相电源中性点（或变压器中心点）接地，如图1-9中NO所示。图1-9电源中心点保护接地工作接地的作用：（1）降低人体触电电压。在中性点不接地的系统中，当一相接地而人体又触及另一相时，人体将受到线电压。但对中性点接地系统，人体受到的为相电压。（2）迅速切断故障。（3）降低电气设备对地的绝缘水平。（4）中性点接地的低压系统可以同时向用户提供两种电压，即线电压和相电压。1.3.4安全用电措施

1.建立健全安全管理制度和操作规程,普及安全用电常识。2.电气设备采用保护接地或保护接零。3.安装漏电保护装置。4.火线进开关。5.对一些特殊电气设备或潮湿场所，采用安全电压供电。我国规定工频有效值42V、30V、24V、12V和6V为安全电压。6．检修电路时，必须在拉下总电闸或拔下保险盒的插盖后才能操作。必要时要在总电闸位置挂上禁令闸警示牌。7．电工操作前的预防措施：穿上电工绝缘胶鞋；站在干燥的木凳或木板上；使用电工绝缘工具。8．日常生活中的安全用电1.3.5接电急救常识1．切断电源，有3种处理方式：

（1）若开关不在附近时，可用有绝缘柄的钢丝钳一先一后分别切断两根电线。

（2）用干燥的木棒或竹竿将触电身上的电线挑开（千万不能用手去拉触电者）。

（3）若触电者在高处，还应防止触电者脱离电源后摔伤。2．急救：人工呼吸；人工心外挤压法。1.4万用表1.4.1万用表的结构1.4.2

万用表测量方法1.4.3

万用表测量电压、电流与电阻的原理1.4.1万用表结构万用表的基本原理:

利用一只灵敏的磁电式直流电流表（微安表）做表头。当微小电流通过表头，就会有电流指示。但表头不能通过大电流，所以，必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压，从而测出电路中的电流、电压和电阻。指针式万用表结构:

由上下两部分组成。上半部分为表盘部分，包括机械调零和标度盘。下半部分为选择开关部分包括0Ω旋扭、选择开关（转换开关）、量程、测试笔插座。如图1-10所示。图1-10万用表面板图1.4.2万用表测量方法1.测量电阻两根测试笔分别接触被测电阻（或电路）（如图1-11所示）两端，读出指针在欧姆刻度线（第一条线）上的读数，再乘以该档标的倍率，就是所测电阻的阻值。图1-11万用表测电阻注意:1.档位开关转到电阻档;2.调零：先将测试笔搭在一起短路，指针将向右偏转，随即调整“Ω”调零旋钮，使指针恰好指到0。3.要先估计所测电阻的大小,选择合适的电阻档,使测量时指针指在中间位置,测量较准确。2.测量直流电压

首先估计一下被测电压的大小，然后将转换开关拨至适当的直流电压量程，将正表笔接被测电压“+”端，负表笔接被测量电压“-”端（如图1-12所示）。然后根据该挡量程数字与标直流符号“DC-”刻度线（第二条线）上的指针所指数字，来读出被测电压的大小。图1-12万用表测电压3.测量直流电流

先估计一下被测电流的大小，然后将转换开关拨至合适的电流量程，再把万用表串接在电路中（如图1-13所示）,读出指针所指电流读数。图1-13万用表测直流电流4.测量交流电压

测交流电压的方法与测量直流电压相似，所不同的是因交流电没有正、负之分，所以测量交流时，表笔也就不需分正、负。1.4.3

万用表测量电压、电流与电阻的原理1.测直流电流原理

如图1-14（a）所示，在表头上并联一个适当的电阻（叫分流电阻）进行分流，就可以扩展电流量程。改变分流电阻的阻值，就能改变电流测量范围。图1-14万用表测量电压、电流与电阻的原理图2.测直流电压原理

如图1-14（b）所示，在表头上串联一个适当的电阻（叫倍增电阻）进行降压，就可以扩展电压量程。改变倍增电阻的阻值，就能改变电压的测量范围。图1-14万用表测量电压、电流与电阻的原理图3.测交流电压原理如图1-14（C）所示，因为表头是直流表，所以测量交流时，需加装一个并、串式半波整流电路，将交流进行整流变成直流后再通过表头，这样就可以根据直流电的大小来测量交流电压。

扩展交流电压量程的方法与直流电压扩大量程的方法相似。图1-14万用表测量电压、电流与电阻的原理图4.测电阻原理

如图1-14（d）所示，在表头上并联和串联适当的电阻，同时串接一节电池，使电流通过被测电阻，根据电流的大小，就可测量出电阻值。

改变分流电阻的阻值，就能改变测电阻档的量程。

图1-14万用表测量电压、电流与电阻的原理图习题1-12用万用表的欧姆档测某一电阻的阻值时，分别用×1、×10、×100三个电阻档测了三次，指针所指的位置如图所示。其中1是

档，2是用

档，3是用

档。为提高测量精度应该用

档，被测电阻约为

欧姆。习题已经某电路元件两端直流电压在200-300V之间，现在指针式万用表的直流500V档测量，测得指针如图所示。问：如果有250V刻度线，读得刻度值是

，倍率

，读数

V。若用50V这条刻度线，则刻度值是

，倍率

，读数

V。1.5Multisim的用户界面及基本操作1.5.1Multisim用户界面1.5.2仿真基本操作1.5.1Multisim用户界面

电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。

Multisim来源于加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnologies，简称IIT公司）推出的以Windows为基础的电路仿真软件，原名EWB(Electronics

Workbench)。从EWB6.0版本开始，IIT对EWB进行了较大变动，名称改为Multisim（多功能仿真软件）。后被美国国家仪器（NI，NationalInstruments）公司收购，软件更名为NIMultisim。Multisim的特点：

（1）采用直观的图形界面创建电路。

（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。

（3）Multisim带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。

（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。

（5）Multisim还是一个优秀的电子技术训练工具，可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。1.5.1Multisim软件界面1．

Multisim的主窗口，如图1-16所示。图1-16Multisim主窗口2．菜单栏，如图1-17所示。

图1-17菜单栏3．工具栏，如图1-18～1-20所示.图1-18主工具栏图1-18是主工具栏及按钮名称，图1-19是元器件工具栏及按钮名称，图1-20是虚拟仪器工具栏及仪器名称。图1-19元器件工具栏图1-19是元器件工具栏及按钮名称图1-20虚拟仪器工具栏图1-20是虚拟仪器工具栏及仪器名称1.5.2Multisim仿真基本操作方法Multisim12仿真的基本步骤：（1）建立电路文件（2）放置元器件和仪表（3）元器件编辑（4）连线和进一步调整（5）电路仿真（6）输出分析结果１．创建电路具体建立电路文件的方法有以下几种：（1）打开Multisim时，自动打开空白电路文件Design1*，保存时可以重新命名（2）菜单File/New（3）工具栏New按钮（4）快捷键Ctrl+N２．放置元器件和仪表放置元器件的方法有以下几种：（1）菜单PlaceComponent(放置组件)（2）在元件工具栏，用鼠标直接点到某个器件库，单击

左键即可在弹出的元器件符号库中选择需要的器件。（3）在绘图区单击鼠标右键，利用弹出菜单中进行选择的

方法，进行放置。（4）快捷键Ctrl+W

放置仪表可以点击虚拟仪器工具栏相应按钮，或者使用菜单方式。3.元器件编辑（1）元器件参数设置

双击元器件，弹出相关对话框，选项卡包括：

Label：标签，Refdes即编号，由系统自动分配，可以修改，但须保证编号唯一Display：显示Value：数值，交流与直流Fault：故障设置，None－无故障（默认）；Open－开路；Short－短路；选中“Leakage”表示元件漏电Pins：引脚，设置各引脚编号、类型、电气状态4.连线和进一步调整连线：（1）自动连线：单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形，移动鼠标至目标引脚或导线，单击，则连线完成。当导线连接后呈现丁字交叉时，系统自动在交叉点放节点（Junction）。（2）手动连线：单击起始引脚，鼠标指针变为“十”字形后，在需要拐弯处单击，可以固定连线的拐弯点，从而设定连线路径。添加节点可以使用菜单Place/Junction，或者使用快捷键Ctrl+J。（3）关于交叉点，Multisim12默认丁字交叉为导通，十字交叉为不导通。对于十字交叉而希望导通的情况，可以分段连线，即先连接起点到交叉点，然后连接交叉点到终点；也可以在已有连线上增加一个节点（Junction），从该节点引出新的连线，添加节点可以使用菜单Place/Junction，或者使用快捷键Ctrl+J。进一步调整：（1）调整位置：单击选定元件，移动至合适位置；（2）改变标号：双击进入属性对话框更改；（3）显示节点编号以方便仿真结果输出：菜单Options/SheetProperties/Sheetvisibility/NetNames，选择ShowAll；（4）导线和节点删除：右击/Delete，或者点击选中，按键盘Delete键。5.电路仿真基本方法：

(1)按下仿真开关，电路开始工作，Multisim界面的状态栏右端出现仿真状态指示；(2)双击示波器虚拟仪器符号，进行仪器面板设置，获得可视清晰的仿真结果。

(3)在示波器界面，可以点击Reverse按钮将其背景反色；(4)使用两个测量标尺，显示区给出对应时间及该时间的电压波形幅值，也可以用两个标尺测量信号周期。6.输出分析结果使用菜单命令Simulate/Analyses，以交、直流电源供应二个串联电阻为例，步骤如下：（1）菜单Simulate/Analyses/DCoperatingpoint；（2）选择输出节点：选中V(1)，点击ADD；选中V(2)，点击ADD；选中V(3)，点击ADD，弹出图1-33(a)所示对话框

；

(3）点击Simulate，得到分析结果。例：交、直流电源供应二个串联电阻电路（1）电路图（2）示波器测量得到的波形（3）选中要分析的节点（4）节点数据输出小结一、Multisim用户界面

用户界面，包括菜单栏、标准工具栏、主工具栏、虚拟仪器工具栏、元器件工具栏、仿真按钮、状态栏、电路图编辑区等组成部分。二、仿真基本操作

基本步骤为：1.建立电路文件2.放置元器件和仪表3.元器件编辑4.连线和进一步调整5.电路仿真6.输出分析结果项目一小结

本项目重点学习掌握《电工基础》的入门知识与技能。主要包括三方面：

首先，了解电力系统及工厂供电的知识，掌握安全用电基本知识，包括安全用电措施、触电种类、触电的救护。

其次，了解电工测量的基本工具—万用表的功能、结构、工作原理，掌握使用万用表测量电阻、电压、电流的方法。

第三，学习电路仿真软件—Multisim，了解软件的作用、包含的元器件等，掌握应用此软件进行电路搭建、仿真测量、显示等功能。ThankYou!项目二简单直流电路电阻Y-∆联接的等效变换2.4电路的基本物理量2.1全电路欧姆定律及电路的三种状态2.2电阻的串联、并联与混联2.33.7▲典型问题

如下图2-1所示为手电筒照明电路实物图。此电路小电珠发光强弱与哪些因素有关？干电池旧了后小电珠发光变暗的原因是什么？二节干电池是怎样一种连接关系？图2-1手电筒电路实物图▲知识能力目标1．掌握电路的基本概念及基本物理量，如电流、电压、电位、电功率。掌握关联方向与非关联方向对物理量计算公式的影响。2．熟练掌握全电路欧姆定律及电路的三种状态的特点。3．掌握电阻串、并联电路的规律与应用。4．掌握电阻星—三角联接的等效变换规律与条件。2.1简单直流电路2.1.1电路和电路模型2.1.2电流2.1.3电压与电动势2.1.4电流、电压的关联参与方向与非关联参考方向2.1.5电阻与电阻器2.1.6电能与电功率2.1电路的基本物理量2.1.1电路和电路模型

电流通过的路径叫电路。将上面实际电路中的各部分(如示图2-2(a)所示)用能反映其主要性能的理想元件来代替，且用对应的符号表示，得到电路如图2-2(b)，叫电路模型图。一个实际元件往往可以用一个或几个理想元件的组合来表示，这种理想元件或其组合也叫电路模型。图2-2手电筒电路2.1.2电流

定义：电荷的定向移动形成电流。

电流的大小规定用单位时间内通过导体横截面的电量多少来表示，即：

电流基本单位：安培(A)。电流的常用单位有毫安（mA），微安(uA)，1A＝103mA＝106μA，在电力系统中还用千安（KA），1kA＝103A。（2-1）

电流方向：规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。如果电流方向不随时间变化称为直流电：（2-2）

当某段电路中电流的方向难以判断时，可先任意假定电流的参考方向（也称正方向），然后列方程求解。当解得的电流为正值时，说明电流的实际方向与参考方向一致，反之，解得的电流为负值时，说明电流的实际方向与参考方向相反。

电流的测量时，利用安培表或万用表电流档进行测量。测量时电表应串联在电路中且注意量程、交直流选择，测量直流时要注意正负端子不能接反。电流实例，如图2-3至图2-9所示。图2-3雷电时的电流

图2-4磁场中的电流图2-5太阳持续喷射出的带电粒子流图2-6极光中的电流

图2-7弧焊时的电流

图2-8电子束加工时的电流

图2-9离子束加工时的电流2.1.2电压与电位1．电压与电位

定义：电场力将单位正电荷从电场中的a点移到b点所做的功，称为a、b两点间的电压，即：（2-3）

电压的基本单位是伏特（V），1伏特（V）=1J/C。电压的常用单位有毫伏（mV）,微伏（uV）,千伏(KV)。1V＝103mV＝106μV,1kV＝103V。

在实际使用中，仅仅知道两点间的电压数值往往是不够的，还必须知道这两点中哪一点电位高、哪一点电位低。

什么是电位呢？图2-10电位的参考点

定义：在电路中任选一点做为参考点,且规定参考点的电位为零，则某点的电位就是由该点到参考点的电压，如图2-10所示。即：（2-4）单位与电压相同，为伏特（V）。通常参考点选择为地面或仪表机器的外壳，用接地符号“⊥”表示。某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。电位是相对的，其大小、正负随电路参考点选择不同而变化。

如果已知a、b两点的电位各为VaVb,则此两点间的电压：

（2-5）

即两点间的电压等于这两点的电位之差。

电压方向：规定把电位降低的方向作为电压的实际方向，因此电压又称作电压降。

在实际分析中，电路某两点电位高低有时并不知道，为分析计算方便，须先假设一端为高电位，即假定电压的方向，此方向为参考方向。

电压的测量：利用伏特表。伏特表应并联在电路中且注意量程，直流伏特表接线端子正负不能接反。（1）高压图标（国外、国内），如图2-11。图2-11高压图标（2）高电压应用，如图2-12。图2-12高电压应用实物图（3）低电压应用，如图2-13。图2-13低电压应用实物图2．电动势

电动势是描述电源性质的重要物理量。在电源内部，非静电力（如蓄电池中是化学力）把单位正电荷从电源负极经电源内部移到正极所做的功，称为电源的电动势。

定义式：

（2-6）单位：伏特，与电压相同。方向：在电源内部从负极指向正极。注意：电源在开路时两端的电压大小等于电源电动势，方向与之相反。

例2-1一太阳能电池板,测得它的开路电压为800mV,短路电流为40mA,若将该电池板与一个阻值为20Ω的电阻连成一闭合电路,则它的路端电压是:()A.0.10VB.0.20VC.0.30VD.0.40V解：开路电压大小等于电动势，据短路电流，可知内阻：内电阻与外接电阻相等，所以端电压：因此，答案应选择D。3．电位的计算计算步骤：(1)选参考点，设其电位为零；(2)标出电路中各元件上的电流参考方向并计算其电流大小；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。例2-2如图2-14所示电路，求各点电位。图2-14例2-2图

解:

选a为参考点：Va=0、Vb=Uba=4V、Vc=Uca=10V；

选b为参考点：Vb=0、Va=Uab=-4V、Vc=Ucb=6V

选c为参考点：Vc=0、Va=Uac=-10V、Vb=Ubc=-6V例2-3求如图2-15所示电路中图2-15例2-3图解：图2-15图2-16注意：

（1）电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中各点的电位也将随之改变；

（2）电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而变，即与参考点的选取无关。

（3）当电源的一个极接地时，如图2-16(a)所示，可省略电源不画，而用没有接地极的电位代替电源。如示图2-16(b)所示。图2-16简画电源电路图2.1.4电流、电压的关联参考方向与非关联参考方向1．参考方向

电流的参考方向如示图2-17所示，则：(a)图参考正方向与实际方向一致，i>0；(b)图参考正方向与实际方向相反，i<0。图2-17电流的参考方向图图2-18电压的参考方向图

电压的实际极性（用“+”、“-”表示）和参考方向（用剪头表示）如图2-18所示，若参考正方向与实际方向一致，则U>0，如图（a)所示；参考正方向与实际方向相反，则U<0，如图（b)所示。2．关联与非关联参考方向

关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向一致，即符合欧姆定律U=IR，这样的参考方向称为关联参考方向。

非关联参考方向：元件上电流和电压的参考方向不一致，应用欧姆定律时要用公式U=-IR，这样的参考方向称为非关联参考方向。

在关联与非关联两种情况下，含源支路端电压的计算式是不一样的，如图2-19图(a)~d）所示。图中箭头均为电压与电流的参考方向。图2-19关联、非关联情况电压的不同计算式2.1.5电阻与电阻器1．电阻与电导

物体对电流的阻碍作用，称为该物体的电阻，用符号R表示。金属导体的电阻可用电阻定律来计算，即：（2-7）

电阻的基本单位是欧姆（Ω），常用单位有千欧（KΩ）、兆欧（MΩ）。它们之间的换算关系是：1MΩ=103KΩ=106Ω。

ρ为电阻率，是反映材料导电性能的物理量。据物体电阻率的大小可将物体分为导体、半导体、绝缘体三类。紫铜、铝、银的电阻率较小，属于良导体；硅、锗是半导体；纯净的陶瓷属于绝缘体。材料的电阻还与温度有关，金属材料的电阻一般随着温度的升高而成正比增大，可用下面公式来计算：（2-8）式中α为电阻温度系数.温度每升高1℃时，导体电阻的增加值与原来电阻的比值，叫做电阻温度系数，它的单位是1／℃。R1--温度为t1时的电阻值，R2--温度为t2时的电阻值。金属材料据电阻温度系数α的大小可作不同用途：α大，可以制成温度计；α小可以制成标准电阻。

有些金属当温度下降到接近绝对零度时，电阻会突然变成零的现象称为超导现象，此时这种导体称为超导体。实际的超导材料因一定的温度下电阻值接近为零而使其在各种领域得到广泛的应用。

当电阻值不变时，其上的电压与电流成线性关系，此类电阻可称为线性电阻。其伏安特性为一条过原点的直线，如图1-20(a)所示。非线性电阻的伏安特性是一条曲线，如图1-20(b)所示为二极管的伏安特性。图2-20电阻伏安关系图

电阻的倒数称为电导，是表征材料导电能力的一个参数，用符号G表示：

电导的单位：西门子，简称西（S）。2．电阻器

电阻器是对电流呈现阻碍阻碍作用的耗能元件的总称，如电炉、白炽灯、各种成品电阻器等。

电阻器上的主要参数：标称电阻，额定功率和允许误差。标称阻值和允许误差一般会标在电阻体上，体积小的电阻则用色环标注。表1-9色环电阻的对照关系例2-44环电阻，依次为：黄橙红金，读为4300Ω=4.3K，误差为±5%。例2-5

5环电阻依次为：橙白黄红银，读为39400Ω=39.4K，误差为±10%。

目前网络上有色环电阻在线计算器（如图2-21），可以输入色环颜色后直接读出电阻值及误差。图2-21色环电阻计算器

电阻器种类很多，按外形结构可分为固定式和可变式两大类.按制造材料可分为膜式（碳膜、金属膜等）和线绕式两类。膜式电阻的阻值范围大，功率一般为几瓦，金属线绕式电阻器正好相反。如图1-22为几种常用电阻及其外形。

电阻器阻值的大小用万用表的欧姆档测量。对阻值特别大的（如电器的绝缘电阻）采用绝缘电阻表（也叫兆欧表或摇表）来测量。

电阻器的选用主要是据电路和设备的实际要求，从电气性能到经济价值等方面综合考虑。一般是考虑阻值、额定功率、允许偏差。即电阻的标称阻值应和电路要求相符合，额定功率应该是电阻器在电路中实际消耗功率的1.5-2倍，允许偏差在要求的范围内。图2-22常用电阻及其外形图2.1.6电能与电功率1．电能

在电路中，电源则将其它形式的能转化为电能，而负载将电能转化成其它形式的能，如机械能、光能、热能等，如图2-23所示。图2-23常见用电器件实物图

电能的转化通过电流做功实现，电流做了多少功就有多少电能转化。电流做功（简称电功）计算式：（2-9）

电功的基本单位是焦耳（J）。电功有一个常用单位：度，1度=1千瓦时。电能表（俗称电度表）就是测量电能的消耗量的仪表。

若是纯电阻电路（如电炉、电饭煲、电熨斗、白炽灯等），则

（2-10）2．电功率单位时间内电能转化为其他能的多少称为电功率。定义式：（2-11）交流电路：直流电路：

电功率的基本单位是瓦特（W），1J/S=1W。常用单位千瓦（KW），1KW=103W；马力（俗称匹）是空调、电动机功率的常用单位，1马力=735W。

在计算电功率时，若U与I为关联参考方向，则用P=UI；当U与I为非关联参考方向时，用P=-UI。

注意：（1）无论是关联方向还是非关联方向，只要功率P>0,则此电器设备消耗电功率，为负载；P<0时,则电器设备输出电功率，为电源。（2）有些电器设备有时为负载，有时为电源，如手机电板。

例2-6（1）在图2-24中，若电流均为2A，U1＝1V，U2＝-1V，求该两元件消耗或产生的功率。（2）在图2-30（b）中，若元件产生的功率为4W，求电流I。

解：（1）对图2-24（a），电流、电压为关联参考方向，元件的电功率为表明元件消耗功率，为负载。

图2-24（b），电流、电压为非关联参考方向，元件的电功率为表明元件消耗功率，为负载。（2）图2-24（b）中电流、电压为非关联参考方向，且是产生功率，故即电流大小为4A，方向与图中参考方向相反。

例2-7有一盏“220V60W”的电灯接到220V电压下工作。试求：（1）电灯的电阻；（2）工作时的电流；（3）如果每晚用三小时，问一个月（按30天计算）消耗多少电能？解:由题意:①根据得电灯电阻②根据或得工作电流③由得用电

在实际生活中，电量常以“度”为单位，即“千瓦时”。

对60W的电灯，每天使用3小时，一个月(30天)的用电量为:W=（60/1000）×3×30=5.4(KWh)=5.4度2.1复习？电压、电位、电动势2.2全电路欧姆定律及电路的三种状态2.2.1全电路欧姆定律2.2.2电器设备的额定值2.2.3电路的三种状态2.2.1全电路欧姆定律图2-25全电路模型图

全电路是指电源（内电路）和电源以外的电路（外电路）之总和。设某电源电动势为E，内电阻为r，外接负载电阻R，如图2-25所示。则流过电路的电流I与电源的电动势成正比，与外电路的电阻及电源内电阻之和成反比。这就是全电路欧姆定律，公式如下：（2-12）图2-25全电路模型图

图2-25所示电路中，电源的端电压为U，负载电阻获得的功率：上式中：EI为电源产生的功率，I2r为电源内阻上消耗的功率，P=UI电路输出的功率，即负载获得的功率，其与负载电阻R的大小有关。当R=r时，P有最大值，即

可见，电源的输出功率并非始终随负载的增大而增大，只有当负载电阻与电源内阻相等时，电源输出最大功率，这称为最大功率输出定理。

最大输出功率也叫瞬间功率，或者峰值功率。

一般来说最大输出功率是额定输出功率的5到8倍。特别需要注意的是，设备是不能长时间工作在最大输出功率状态下的，否则会损坏设备。

解方程组求出电源的电动势和内阻的值。多次测量求解，然后求电动势与内阻的平均值。

例2-8在示图2-26中，已知电源的电动势E=10V，内电阻r=1Ω，定值电阻R0=4Ω，电位器的总阻值R=10Ω．求：电源的最大输出功率多大？滑动变阻器上消耗的功率的最大值是多大？图2-26例2-8图求电源的电动势和内阻，可用图2-26电路。改变外电阻R的阻值，读出每次电流表A和端电压U的数值，利用全电路欧姆定律来建立方程组:解：（1）电源的输出功率应出现在外电阻和内电阻相等的时候，但现在有定值电阻在，这个条件已不可能满足，只有在滑动变阻器的电阻R为0时，输出功率才最大，即（2）滑动变阻器R的阻值改变时，通过它的电流、两端电压都在改变，可以将定值电阻R0合并到电源内阻中，即当个电阻R=r+R0=5Ω时，滑动变阻器R上消耗最大功率5W。2.2.2电器设备的额定值电气设备的额定值，通常有如下几项：(1)额定电流(IN)：在额定环境条件（环境温度、日照、海拔、安装条件等）下，电气设备长期连续工作时允许的最大电流。(2)额定电压（UN）：额定电压是用电器长时间工作时适用的最佳电压。若高于这个电压，用电器容易烧坏，低于这个电压，用电器不能正常工作，对有的用电器，若低于额定电压太多，还可能造成用电器的损坏。额定电压主要据电气设备所允许的电流和材料的绝缘性能等因素决定。(3)额定功率（PN）：电气设备在额定工作状态下所消耗的功率。在直流电路中，额定电压与额定电流的乘积就是额定功率，即PN=UNIN

电气设备的额定值都标在铭牌上，使用时必须遵守。

例题2-9把一个“10V，2W”的用电器A（纯电阻R1）接到某一电动势和内阻都不变的电源上，用电器A实际消耗的功率是2W；换上另一个“10V，5W”的用电器B（纯电阻R2）接到这一电源上。问：用电器B实际消耗的功率有没有可能反而小于2W？什么条件下可能？（设电阻不随温度改变）

解：有可能的。若用电器A的电阻刚好等于电源内阻，这时电源输出功率最大。电器B的电阻不等于电源内阻，则其实际消耗功率小于2W。2.2.3电路的三种状态

电路在工作时有三种工作状态，分别是通路、断路（或开路）、短路。如实图2-27所示。图2-27电路三种工作状态实物图1．通路

如图2-27（a)所示，当开关S闭合，使电源与负载接成闭合回路，电路便处于通路状态。也称为有载工作状态。2．断路如图2-27(b)所示，电源与负载未接成闭合电路，电路中没有电流通过。又称为开路状态。外电路电阻对电源来说是无穷大（R→∞）。

此时，I=0；路端电压U=E；电源内阻消耗功率PE=0；负载消耗功率PL=0。此种情况，也称为电源的空载。3．短路

如图2-27(c)所示，电源未经负载而直接由导线(导体)构成通路，称为短路状态。短路时，电路中电流比正常工作时大许多倍，可烧坏电源和其他设备，应严防电路发生短路。

例题2-10如图2-29所示的电路中，电源电压不变，闭合电键K后，灯LE1、EL2都发光，一段时间后，其中的一盏灯突然熄灭，而电压表V1的示数变大，电压表V2的示数变小，则产生这一现象的原因是什么？图2-29例2-10电路图

解：灯EL1与EL2是串联关系，从现象可以判断出，原因应该是EL2灯短路。

2.3电阻的串联、并联与混联2.3.1电阻的串联2.3.2电阻的并联2.3.3电阻的混联串联并联混联电路简单电路分析串联电路：在电路中，若干个电阻元件依次相联，在各联接点都无分支。3)等效电阻等于各电阻之和;2)总电压等于各电阻上电压之和;RUI+–1)通过各电阻的电流相等；2.3.1电阻的串联特点：

所谓等效电阻是指如果用一个电阻R代替串联的所有电阻接到同一电源上，电路中的电流是相同的。

R1U1UR2U2I+–++––U3–R3+两电阻串联时的分压公式：4)串联电阻上电压的分配与电阻成正比。RUI+–应用：降压、限流、调节电压等。2.3.1电阻的串联5)各电阻消耗的功率与电阻成正比，即R1U1UR2U2I+–++––U3–R3+例题2-11

多量程直流电压表是由表头、分压电阻和多位开关联接而成的，如图2-31所示。如果表头满偏电流Ig=100uA,，表头电阻Rg=1000Ω，现在要制成量程为10V、50V、100V的三量程电压表，试确定分压电阻值。图2-31例2-11图解：当Ig=100uA流过表头时，表头两端的电压当量程U1=10V时，串联电阻R1，根据串联电路分压公式：得当量程U2=50V时，串联电阻R2，根据串联电路分压公式：得当量程U3=100V时，串联电阻R3用上述方法可得R3=500kΩ。

例题2-12在图2-32所示的电路中，已知电池A电动势EA=24V，内电阻RiA=2Ω，电池B电动势EB=12V

，内电阻RiB=1Ω，外电阻R=3Ω。试计算：

（1）电路中的电流；

（2）电池A的端电压U12；

（3）电池B的端电压U34

；

（4）电池A内阻消耗的电功率及所输出的电功率；

（5）输入电池B的电功率及内阻消耗的电功率；

（6）电阻R所消耗的电功率。

图2-32例2-12图

解：

从上述计算可以看出：电源A输出功率，电源B吸收功率（相当于负载）。电源A输出的功率等于电源B吸收的功率与电阻R消极的电功率之和。2.3.2电阻的并联3)等效电阻R的倒数等于各并联电阻倒数之和，即G为电导，单位：西门子特点:1)各并联电阻两端的电压相等；RUI+–2)总电流等于各电阻支路的电流之和，即或G=G1+G2+G3I1I2R1UR2I+–I3R3并联电路：在电路中，若干个电阻一端联在一起，另一端也联在一起，使电阻所承受的电压相同。5）各电阻消耗的功率与电导成正比，即两电阻并联时的分流公式：4)并联电阻上电流的分配与电阻成反比，应用：分流、调节电流等。RUI+–I1I2R1UR2I+–I3R3例题2-13

将例2-11的表头制成量程为10mA的电流表。

解：要将表头改制成量程较大的电流表，可将电阻RF与表头并联，如图2-34所示。并联电阻RF支路的电流为IF因为所以即用一个10.1Ω的电阻与该表头并联，即可得到一个量程为10mA的电流表。图2-34例2-13图

2.3.3电阻的混联

实际应用中经常会遇到既有电阻串联又有电阻并联的电路，称为电阻的混联电路，如图2-35所示。图2-35电阻的混联求解电阻的混联电路时，首先应从电路结构，根据电阻串、并联的特征，分清哪些电阻是串联的，哪些电阻是并联的，然后应用欧姆定律、分压和分流的关系求解。

由图2-35可知，R3与R4串联，然后与R2并联，再与R1串联，其等效电阻符号“//”表示并联。则各电阻两端的电压的计算读者自行完成。【例】有一电路，R1＝10Ω,R2＝5Ω,R3＝2Ω,R4＝3Ω,电源电压U＝125V，求：电流I、I1、

I2

。解:(1)R3和R4可等效成一个电阻R34R34＝

R3+R4＝（2+3）Ω＝5ΩIR1R3R4I1I2R2BAU+–IR1I1I2R2BAR34U+–解:(2)R2和R34可等效成一个电阻RABR

＝

R1+RAB＝(10+2.5）Ω＝12.5Ω(3)R1和RAB可等效成一个电阻RIU+–RIR1BARABU+–解:(4)根据欧姆定律

(5)根据分流公式小结：1.电阻串联电路2.电阻并联电路3.等效电阻分析：关键是理清电路结构2.4电阻Y-Δ联接的等效变换1.电阻Y、Δ联接2.电阻Y、Δ联接的等效变换原则3.电阻Y、Δ联接的等效变换公式图1电桥电路

在电路分析中，经常会遇到如图1所示的电路，这个电路中的电阻R5与其他电阻既不是串联关系，也不是并联关系，若要求电路中的电流或求ab端子间的等效电阻，将遇到困难。怎么办呢？1.电阻Y、Δ联接如果能将电阻的Ｙ形联接等效为Δ形联接,或者反之，就会使电路变得简单而易于分析。

在这个电路中，R5与R1、R2或者R5与、R3、R4组成三角形（简写Δ）联接关系；R5与R1、R3或者R5与R2、R4组成星形（简写Y）联接关系。

图2电阻Y、Δ联接变换2.电阻Y、Δ联接的等效变换原则

变换原则：

电阻的Ｙ形联接与Δ形联接等效变换前后，对应端钮间的电压不变，流入对应端钮的电流也不变，即必须保持外部特性相同。应用基尔霍夫定律列电压、电流方程，可以求得电阻Ｙ－Δ等效变换规律。

Y→△，各电阻关系式：

3.电阻Y、Δ联接的等效变换公式Y→△，规律性：

△→Y，各电阻关系式：

3.电阻Y、Δ联接的等效变换公式Y→△，规律性：

特殊情况下：

二者相互等效的电路如图3所示。图3相等电阻的Y-Δ变换

当Δ形联接的三个电阻相等（设为RΔ）时，那么由上式可知，变换为Ｙ形接的三个电阻也必然相等（设为RY）；且有：RY=(1/3)RΔ

例1求图4(a)所示