电子电工基础教材.doc

.直流电路基本知识随着电力工业和现代科学技术的日益发展，电能已成为生产和人民日常生活中不可缺少的能源，我们的世界几乎是一个电的世界。作为一名维修电工，掌握一定的电工基础知识和电工操作技能，以适应现代化生产和生活的需要，就显得十分重要。学习目标1 电路的基本组成、电路的三种工作状态和额定电压、电流、功率等概念。2掌握电流、电压、电功率、电能等基本概念。3掌握电阻定律、欧姆定律，了解电阻与温度的关系。4. 理解电动势、端电压、电位的概念。5. 掌握电阻串联分压关系与并联分流关系。6. 学会分析计算电路中各点电位。7掌握基尔霍夫定律及其应用，学会运用支路电流法分析计算复杂直流电路。 第一章 电路的基本结构一、直流电源的概念在日常生产和生活中，大部分环节使用的都是交流电，但也有很多场合使用直流电，比如：手机充电器、蓄电池、干电池电路等等。直流电的特点是大小和方向都不随时间变化，理想的直流电在坐标系里是一条直线，但实际上直流电有很小的脉动。二、电路的组成及状态1、电路的基本组成（1）什么是电路一个基本的电流回路称为电路。例如：在使用灯具（或其他电气设备）之前，总要用导线把它们和电源连接起来，这种将电源和负载连接起来的电流通路称为电路。即电路是由各种元器件(或电工设备)按一定方式联接起来的总体，为电流的流通提供了路径。如图所示为一个简单电路：（2）电路的基本组成通常组成一个简单电路，至少要有电源、连接导线、开关和负载。负载、连接导线和开关称为外电路，电源内部的电路称为内电路。电路的基本组成包括以下四个部分： 电源(供能元件)：为电路提供电能的设备和器件(如电池、发电机等)。电源就是一个能量转换装置，把非电能转换为电能的一种装置。比如：干电池是把化学能转换为电能的装置，而发电机是把机械能转换为电能的装置。直流电的获取还可以通过交流电得到，其整个过程为变压、整流、滤波、稳压。 负载(耗能元件)：使用(消耗)电能的设备和器件(如灯泡等用电器)。 控制器件：控制电路工作状态的器件或设备(如开关等)。 联接导线：将电器设备和元器件按一定方式联接起来(如各种铜、铝电缆线等)。 2、电路的状态电路的形式千变万化，但归纳起来不外乎两种类型：一是进行能量的转换、传输、分配；二是进行信息处理。任何一个电路都可能具有三种状态：通路、断路和断路。(1) 通路(闭路)：电源与负载接通，电路中有电流通过，电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。 (2) 开路(断路)：电路中没有电流通过，又称为空载状态。(3) 短路(捷路)：电源两端的导线直接相连接，输出电流过大对电源来说属于严重过载，如没有保护措施，电源或电器会被烧毁或发生火灾，所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置，以避免发生短路时出现不良后果。三、电路模型(电路图)由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实际电路的电路原理图，简称为电路图。例如，下图所示的手电筒电路。理想元件：电路是由电特性相当复杂的元器件组成的，为了便于使用数学方法对电路进行分析，可将电路实体中的各种电器设备和元器件用一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件(模型)来代替，而对它的实际上的结构、材料、形状等非电磁特性不予考虑。常用理想元件及符号如下表所示：第二章 电路的主要物理量一、电流和电压1、电流电流是电路中带电粒子在电源作用下有规则的的移动形成的。习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向，因此在金属导体中，电流的实际方向和自由电子实际运动的方向相反。在进行电路分析计算时，电流的实际方向有时难以确定，为此可以预先假定一个电流方向，称为参考方向，并在电路中用箭头标出。在电路中要获得持续电流，一是要有自由电荷，二是要有电位差，且电路一定要闭合。（1）直流电流如果电流的大小及方向都不随时间变化，即在单位时间内通过导体横截面的电量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流，简称为直流(Direct Current)，记为DC或dc，直流电流要用大写字母I表示。电流的大小用电流强度（简称电流）来表示，其数值等于单位时间内通过导体截面的电荷量，通常用符号I表示，即：I=Q/t式中电流强度的单位为安（A），电荷量的单位为库仑（C），时间的单位为秒（s）。在有些电路中，流过的电流很小，常用毫安（mA）或微安（A）计量：1A=1000mA 1mA=1000A电流强度可用电流表测量，测量时应将电流表串联在被测电路中。（2）交流电流如果电流的大小及方向均随时间变化，则称为变动电流。对电路分析来说，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化，将之简称为交流(Alternating current)，记为AC或ac，交流电流的瞬时值要用小写字母i或i(t)表示2、电压（1）电压的基本概念电压是指电路中两点A、B之间的电位差(简称为电压)，其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所作的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特(V)，常用的单位还有毫伏(mV)、微伏(mV)、千伏(kV)等，它们与伏特的换算关系为1 mV = 10-3 V； 1 mV = 10-6 V； 1 kV = 103 V（2）直流电压与交流电压如果电压的大小及方向都不随时间变化，则称之为稳恒电压或恒定电压，简称为直流电压，用大写字母U表示。如果电压的大小及方向随时间变化，则称为变动电压。对电路分析来说，一种最为重要的变动电压是正弦交流电压(简称交流电压)，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化。交流电压的瞬时值要用小写字母u或u(t)表示。电压可用电压表来测量，测量时应将电压表并联在被测电路中。二、电动势衡量电源的电源力大小及其方向的物理量叫做电源的电动势。电动势通常用符号E或e(t)表示，E表示大小与方向都恒定的电动势(即直流电源的电动势)，e(t)表示大小和方向随时间变化的电动势，也可简记为e。电动势的国际单位制为伏特，记做V。电动势的大小等于电源力把单位正电荷从电源的负极，经过电源内部移到电源正极所作的功。如设W为电源中非静电力(电源力)把正电荷量q从负极经过电源内部移送到电源正极所作的功，则电动势大小为电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极，即与电源两端电压的方向相反。三、电能和电功率1、电功率电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能。两端电压为U、通过电流为I的任意二端元件(可推广到一般二端网络)的功率大小为P = UI功率的国际单位制单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们与W的换算关系是1 mW = 10-3 W； 1 kW = 103 W吸收或发出：一个电路最终的目的是电源将一定的电功率传送给负载，负载将电能转换成工作所需要的一定形式的能量。即电路中存在发出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件(耗能元件)。习惯上，通常把耗能元件吸收的功率写成正数，把供能元件发出的功率写成负数，而储能元件(如理想电容、电感元件)既不吸收功率也不发出功率，即其功率P = 0。通常所说的功率P又叫做有功功率或平均功率。2、电能电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量，用符号W表示，其国际单位制为焦尔(J)，电能的计算公式为W = P t = UIt通常电能用千瓦小时(kW h)来表示大小，也叫做度(电)：1度(电) = 1 kW h = 3.6 106 J。即功率为1000 W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。例题2.1：有一功率为60 W的电灯，每天使用它照明的时间为4小时，如果平均每月按30天计算，那么每月消耗的电能为多少度？合为多少J?解：该电灯平均每月工作时间t = 4 30 = 120 h，则 W = P t = 60 120 = 7200 W h = 7.2 kW h即每月消耗的电能为7.2度，约合为3.6 106 7.2 2.6 107 J。3、电气设备的额定值为了保证电气设备和电路元件能够长期安全地正常工作，规定了额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。额定电压电气设备或元器件在正常工作条件下允许施加的最大电压。额定电流电气设备或元器件在正常工作条件下允许通过的最大电流。额定功率在额定电压和额定电流下消耗的功率，即允许消耗的最大功率。额定工作状态电气设备或元器件在额定功率下的工作状态，也称满载状态。轻载状态电气设备或元器件在低于额定功率的工作状态，轻载时电气设备不能得到充分利用或根本无法正常工作。过载(超载)状态电气设备或元器件在高于额定功率的工作状态，过载时电气设备很容易被烧坏或造成严重事故。轻载和过载都是不正常的工作状态，一般是不允许出现的。4、焦尔定律电流通过导体时产生的热量(焦尔热)为Q = I2RtI 通过导体的直流电流或交流电流的有效值，单位为A。R 导体的电阻值，单位为 W。T 通过导体电流持续的时间，单位为s。Q 焦耳热单位为J。第三章 电阻一、电阻元件电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件，例如灯泡、电热炉等电器。电阻定律： r 制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆 米(Wm) ； 绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米(m)；S 绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米(m2) ；R 电阻值，国际单位制为欧姆(W)。经常用的电阻单位还有千欧(kW)、兆欧(MW)，它们与 W 的换算关系为1 kW = 103 W； 1 MW = 106 W二、电阻与温度的关系电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1C时电阻值发生变化的百分数。如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1，当温度升高到t2时电阻值为R2，则该电阻在t1 t2温度范围内的(平均)温度系数为如果R2 R1，则 a 0，将R称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2 R1，则 a r时(相当于开路)，则U = E；当R 0时，表明电流的实际方向与所标定的参考方向一致；当I 0时，则表明电流的实际方向与所标定的参考方向相反。 例题8.2例8.2 如下图所示电桥电路，已知I1 = 25 mA，I3 = 16 mA，I4 = 12 A，试求其余电阻中的电流I2、I5、I6。解：在节点a上： I1 = I2 + I3，则I2 = I1- I3 = 25 - 16 = 9 mA在节点d上： I1 = I4 + I5，则I5 = I1 - I4 = 25 - 12 = 13 mA在节点b上： I2 = I6 + I5，则I6 = I2 - I5 = 9 - 13 = -4 mA电流I2与I5均为正数，表明它们的实际方向与图中所标定的参考方向相同，I6为负数，表明它的实际方向与图中所标定的参考方向相反。三、基尔霍夫电压定律(回路电压定律)1） 电压定律(KVL)内容在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零，即以上电路说明基夫尔霍电压定律。沿着回路abcdea绕行方向，有Uac = Uab + Ubc = R1I1 + E1， Uce = Ucd + Ude = -R2I2 - E2， Uea = R3I3 则 Uac + Uce + Uea = 0即 R1I1 + E1 - R2I2 - E2 + R3I3 = 0上式也可写成 R1I1 - R2I2 + R3I3 = - E1 + E2对于电阻电路来说，任何时刻，在任一闭合回路中，各段电阻上的电压降代数和等于各电源电动势的代数和，即。2）利用SRI = SE 列回路电压方程的原则(1) 标出各支路电流的参考方向并选择回路绕行方向(既可沿着顺时针方向绕行，也可沿着反时针方向绕行)；(2) 电阻元件的端电压为RI，当电流I的参考方向与回路绕行方向一致时，选取“+”号；反之，选取“-”号；(3) 电源电动势为 E，当电源电动势的标定方向与回路绕行方向一致时，选取“+”号，反之应选取“-”号。例题8.3 电路如图所示，已知UAB=5V, UBC=-4V,UDA=-3V，则UCA= V, UCD= V。DCBA例题8.3第九章 支路电流法一、支路电流法以各支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压方程，解出各支路电流，从而可确定各支路(或各元件)的电压及功率，这种解决电路问题的方法叫做支路电流法。对于具有b条支路、n个节点的电路，可列出(n - 1)个独立的电流方程和b - (n - 1)个独立的电压方程。二、运用支路电流法解题的步骤如下: 假设各支路电流的参考方向，选取网孔并指定网孔电压的绕行方向。回路方向可以任意假设，对于具有2个以上电动势的回路，通常选取电动势较大的方向为回路方向，电流方向也可照此假设。 列出独立节点的KCL方程。电路有个节点，就可列出个独立方程。 列出网孔的KVL方程。补充网孔方程，使独立方程数与未知量个数相等。 联立方程组，求出各支路电流。 确定各支路电流的方向。电流的实际方向由计算结果决定：当计算结果为正时，实际方向与参考方向一致；当计算结果为负时，实际方向与参考方向相反。 例题9.1例题9.1如图所示电路，已知E1 = 42 V，E2 = 21 V，R1 = 12 W，R