电子电工基础教材

1、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。I 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

2、。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

3、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 （

4、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

5、）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：名称符号名称符号电阻oao电压表电池o11O接地L或丄电灯OC熔断器OB0开关0o电容OHO电流表电感Q_O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

6、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de,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，

7、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(uA计量：1A=1000mA1mA=1000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 eurrent)，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

8、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(JV)、千伏 (kV)等，它们与伏特的换算关系为1 mV = 103 V ;1 AV = 106 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

9、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。、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q电动势的方向规定为从电源的负极经

10、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331 mW = 10 W;1 kW = 10 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

11、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 = 3.6106 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

12、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 = 430 = 120 h ，贝UW = P t = 60120 = 7200 W h = 7.2 kW h即每月消耗的电能为7.2度，约合为3.61067.2:- 2.6107 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。额定电压一一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。额定电流一一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。额定工作状态一一电

13、气设备或元器件在额定功率下的工作状态，也称满载状 态。轻载状态一一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 = 12RtI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。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

14、阻定律：R = ;?S一一制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆米C1 m）；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（）。经常用的电阻单位还有千欧（k ）、兆欧（M ），它们与 的换算关系为1 k = 103；1 M = 10 6二、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 1 C时电阻值发生变化的百分数。如果设任一电阻元件在温度ti时的电阻值为R,当温度升高到t2时电阻值为 则该电阻在ti t2温度范围内的(平均)温度系数

15、为R2 RiRi 化2 -ti)如果R Ri,贝U 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 R R,则 r时（相当于开路），则U= E； 当R 0时的电压U，电流I。解：题意明确告知图4.4电路中的电源是理想电源，即内阻ro 0，此时全电路欧姆定律为 U $ 二 E = IR lr0 = IR 一 0 = IR 二 UR决定（1）当R * 时，即外电路开路，Us为理想电压源，故U二Us=10V(2)当 R =10门时，U 二 Us =10VU 土 =10“AR 10（3）当R=0时，电路短路，故U二Us =10VUR图4.5例题4.3显然，这么大的电流极易烧毁电路元器

16、件和设备，所以，要避免电路中出现 短路情况。结合这个例题，大家要很好地理解电路的三种工作状态的概念。例题4.3 :如图4.5所示，当单刀双掷开关S合到位置1时，外电路的电阻 R = 14 ?，测得电流表读数I i = 0.2 A ;当开关S合到位置2时，外电路的电阻 艮=9 ，测得电流表读数丨2 = 0.3 A ;试求电源的电动势E及其内阻r。解：根据闭合电路的欧姆定律，列出联立方程 组= Rh +rl 1（当S合到位置1时）E=R2l2+rI2（当S合到位置2时）解得：r = 11， E = 3 V。本例题给出了一种测量直流电源电动势E和内阻r的方法。4、负载获得最大功率的条件容易证明：在电

17、源电动势E及其内阻r保持不变时，负载R获得最大功率的条件是R= r，此时负载的最大功率值为Hmax4R电源输出的最大功率是PEME22rE2E2Pmax2R图4.7 例题4.4例题4.4 :如图4.7所示，直流电源的电动势 E = 10 V、内阻r = 0.5门, 电阻Rl = 2门，问：可变电阻FP调至多大时可获得最大功率 Pmax？解：将（Ri功率r）视为电源的内阻，贝U恳=Rr = 2.5 J时，恳获得最大E2Pmax 三= 10Wai=f第五章 电阻的串联与并联、电阻的串联1、电阻串联电路的特点0R21805=36严一.okUi -41o+U图5.2 例题5.1解法二：利用两只电阻串联

18、的分压公式U厂总U，且，可得r2 二冃 U 5 = 36 门U1分压电阻串联后，接入U = 220V电源上即可例题5.2 :有一只电流表，内阻 R=1 k 满偏电流为Ig = 100A,即将电灯与一只36要把它改成量程为U = 3 V的电压表，应该串联一只多大的分压电阻R?解：如图5.3所示。该电流表的电压量程为Ug = RI g = 0.1 V，与 分压电阻R串联后的总电压 U = 3V，即将电压 量程扩大到n = U/Ug = 30倍。利用两只电阻串联的分压公式，可得:A:图5.3 例题5.2UgRgRgR，则图5.1电阻的串联设总电压为U、电流为I、总功率为P。1)等效电阻：R =RR2

19、)分压关系：U1 U2=+ *UnHiR1R?RnR3)功率分配：P1P2Pn旦|2RR2RnR特例：两只电阻R、R串联时，等效电阻R =R尺,则有分压公式RiR2U1- U , U22 UR-+R2R-+R22、应用举例例题5.1 :有一盏额定电压为U = 40 V、额定电流为I = 5 A的电灯，应 该怎样把它接入电压U = 220 V照明电路中。解：将电灯（设电阻为R）与一只分压电阻R 串联后，接入U = 220 V电源上，如图5.2所示。解法一：分压电阻R上的电压为2 =U Ui = 22040 = 180 V，且 12= RI，则Un -UgUnRRgn -1 Rg =(n_1)Rg

20、=29kUgUg上例表明，将一只量程为Ug、内阻为R的表头扩大到量程为u,所需要的分 压电阻为R = (n 1) Rg，其中n = (U/Ug)称为电压扩大倍数。、电阻的并联设总电流为1、电压为U总功率为P。1)等效电阻：111+ + .+1RR1R2Rn2.分流关系：Rj 1=艮1 2 = =RJ n :=RIU3.功率分配：R1P1 =:rp?=RPn =rp1、电阻并联电路的特点U2特例：两只电阻R、R并联时，等效电阻 R二週空，则有分流公式图5.4 电阻的并联帕0呂岂R1r?R2R1111I ，R1r?I 2 -R1 R22、应用举例例题5.3 如图5.5所示，电源供电电压 U = 2

21、20 V ,每根输电导线的电阻 均为Ri = 1，电路中一共并联100盏额定电压220 V、功率40 W的电灯。假设电灯在工作(发光)时电阻值为常数。试求：(1)当只有10盏电灯工作时，每 盏电灯的电压UL和功率Pl； (2)当100盏电灯全部工作时，每盏电灯的电压U和功率Pl。解：每盏电灯的电阻为R = U/P = 1210 R = R/n根据分压公式，可得每盏电灯的电压，n盏电灯并联后的等效电阻为功率Rn U，U L 2R1 RnR(1)当只有10盏电灯工作时，即n = 10，则 R. = R/n = 121 ，因此UlRn2R1 RnU ： 216 V , Pl图5.5 例题5.3当10

22、0盏电灯全部工作时，即 n = 100，贝U R = R/n = 12.1UlRn2R1 RnU 応189 V，Pl =U2:29 W例题5.4 有一只微安表，满偏电流为Ig = 100A、内阻Rg= 1 ，要改装成量程为In= 100 mA的电流表，试求所需分流电阻 R解：如图5.6所示，设n =In/Ig(称为电流量程扩大倍数)，根据分流公式可得Ig二六1n，则Rr4n 1本题中 n = I n/I g = 1000，图5.6 例题5.4Rg1kR1 ；. n_11000 1上例表明，将一只量程为Ig、内阻为R的表头扩大到量程为In,所需要的分 流电阻为R =R /( n 1)，其中n =

23、 ( I n/I g)称为电流扩大倍数第六章电阻的混联1、分析步骤在电阻电路中，既有电阻的串联关系又有电阻的并联关系，称为电阻混联。 对混联电路的分析和计算大体上可分为以下几个步骤：1. 首先整理清楚电路中电阻串、并联关系，必要时重新画出串、并联关系 明确的电路图；2. 利用串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻；3. 利用已知条件进行计算，确定电路的总电压与总电流；4. 根据电阻分压关系和分流关系，逐步推算出各支路的电流或电压。2、解题举例图6.1 例题6.1例题6.1 如图6.1所示，已知Ri = R = 8 R = Rs = 24， Ra = 16;电压 U = 224 V。试求：

24、(1) 电路总的等效电阻Rb与总电流I ；(2) 电阻R两端的电压U9与通过它的电流 I 9。解: (1) R、艮、R9三者串联后，再与R并联，E、F两端等效电阻为R) / Rs = 24/ 24= 12Rf、R、R4三者电阻串联后，再与R并联，C、D两端等效电阻为总的等效电阻Rde= ( R3R=fR) / 民=24/ 24= 12RidR = 28图6.2 例题6.2图6.3 例题6.2的等效电路总电流I = 1/ RAb = 224/28 = 8 A(2)利用分压关系求各部分电压：UefUCd=R：d IRef=96 V，12 UCD = x96=48VR3 Ref R4 CD 24Ue

25、f=2 A，U9 卡19 =32 VR5 R6 R9例题6.2 如图6.2所示，已知R = 10 0.5，试求电路中的总电流I。，电源电动势E = 6 V ,内阻r =解:首先整理清楚电路中电阻串、并联关系，并画出等效电路，如图7.3所示。四只电阻并联的等效电阻为Re = R/4 = 2.5根据全电路欧姆定律，电路中的总电流为I = 2 ARe r第七章电位一、电位参考点（即零电位点）在电路中选定某一点A为电位参考点，就是规定该点的电位为零， 即UA= 0。 电位参考点的选择方法是： 在工程中常选大地作为电位参考点； 在电子线路中，常选一条特定的公共线或机壳作为电位参考点。 在电路中通常用符号

26、“丄”标出电位参考点。二、电位的定义电路中某一点M的电位UM就是该点到电位参考点A的电压，也即M A两点 间的电位差，即计算电路中某点电位的方法是：（1）确认电位参考点的位置； 确定电路中的电流方向和各元件两端电压的正负极性；（3）从被求点开始通过一定的路径绕到电位参考点，则该点的电位等于此路径上所有电压降的代数和：电阻元件电压降写成RI形式，当电流I的参考方向与路径绕行方向一致时，选取“”号；反之，则选取“ ”号。电源电动势写成 E形式，当电动势的方向与路径绕行方向一致时，选取“”号；反之,则选取“ ”号。B点电位：,E1 E2“UB =1 1 , R1R2R3:UBa =R1I=15VC点

27、电位：UC =:UCa = E1RI =451530VD点电位：UD =:UDa = E2RI =121224V解：利用电路中A点为电位参考点（零电位 点），电流方向为顺时针方向：必须注意的是，电路中两点间的电位差（即电例题7.1 :如图7.1所示电路，已知：Ei = 45 V，吕二12 V,电源内阻忽略不计；Ri = 5，R2 = 4，R = 2。求B C D三点的电位UB、UC、UD。压）是绝对的，不随电位参考点的不同发生变化，即电压值与电位参考点无关;而电路中某一点的电位则是相对电位参考点而言的，电位参考点不同，该点电位 值也将不同例如，在上例题中，假如以E点为电位参考点，则B点的电位变

28、为UB = Ube =RlRJ =C点的电位变为UC = UCe = F3IE2 = 18 V ;27 V ;=12 V。D点的电位变为UD = UDe = E2第八章基尔霍夫定律欧姆定律可以确定电阻元件的电压与电流的关系，但一般只用于简单电路， 对于一个比较复杂的电路，如图所示的电路，如电源电压和各电阻已知用欧姆定 律是不能确定出各支路的电流。对于复杂电路要利用基尔霍夫定律进行求解。基 尔霍夫定律是分析电路的重要定律，它包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定 律。ir一、常用电路名词 以上图所示电路为例说明常用电路名词。1. 支路：电路中具有两个端钮且通过同一电流的无分支电路。电路中的EDAB

29、 FC均为支路，该电路的支路数目为 b = 3。2. 节点：电路中三条或三条以上支路的联接点。电路的节点为A、B两点，该电路的节点数目为n = 2。3. 回路：电路中任一闭合的路径。电路中的 CDEFC AFCBA EABDE各径均 为回路，该电路的回路数目为I=3。4. 网孔：不含有分支的闭合回路。电路中的 AFCBA EABD回路均为网孔， 该电路的网孔数目为m= 2。练习8.1电路如下图所示，有几个节点？几条支路？多少个网孔?Ri tJ戶ErR6一 r51JR3R4练习8.1二、基尔霍夫电流定律（节点电流定律） 电流定律（KCL）内容电流定律的第一种表述：在任何时刻，电路中流入任一节点中

30、的电流之和, 恒等于从该节点流出的电流之和，即 I流入二 I流出例如下图中，在节点A 上: I 1 I 3 = I 2 I 4 I 5电流定律的第二种表述：在任何时刻，电路中任一节点上的各支路电流代数 和恒等于零，即Z i=o一般可在流入节点的电流前面取 “+”号，在流出节点的电流前面取“-”号, 反之亦可。例如上图中，在节点 A上: I 1 - I 2 + I 3 - I 4 - I 5 = 0。在使用电流定律时，必须注意：（1）对于含有n个节点的电路，只能列出（n 一1）个独立的电流方程。（2）列节点电流方程时，只需考虑电流的参考方向，然后再带入电流的数值。为分析电路的方便，通常需要在所研究的一段电路中事先选定（即假定）电流 流动的方向，叫做电流的参考方向，通常用号表示。电流的实际方向可根据数值的正、负来判断，当 I 0时，表明电流的实际 方向与所标定的参考方向一致；当I I 2-E?，Ua =Rl 3则Uac + UCe + Usa = 0即Rll 1 + E - RJ 2 - E2 + RJ 3 = 0上式也可