电工电子技术基础（第三版）01 电路基础及简单直流电路

任务一课题一认识电路与电路图任务二认识电流与电压任务三认识电阻与电阻定律电路基础及简单直流电路模块一任务四课题一认识欧姆定律任务五认识电功与电功率电路基础及简单直流电路模块一了解几种常见的电路图形式掌握电路的基本组成以及各组成部分的作用熟悉电路中常用电器元件图形符号的含义认识电路与电路图任务一学习目标一、电路电路是指电流所流过的路径。电路的作用主要有两个方面：一是可以进行电能的传输、分配和转换，二是可以实现电信号的产生、传递和处理。认识电路与电路图任务一相关知识实际应用中，一个完整的电路由电源、负载、开关以及连接导线四部分组成。如图1-1所示二、电路图及常见电气元件符号如图1-2所示为几种电路图形式。常用电气元件的图形符号及文字代号见表1-1。认识电路与电路图任务一相关知识

根据如图1-3所示的直流稳压电源电路，尝试写出各图形符号所对应的元件名称。认识电路与电路图任务一任务实施掌握电流的概念与分类，以及电流大小、方向的规定掌握电压的概念熟悉电位及电动势的概念认识电流与电压任务二学习目标一、电流

电流是电荷有规则地定向移动形成的。规定以正电荷定向移动的方向为电流的正方向；如图1-5所示。认识电流与电压任务二相关知识在分析计算电路时，需要首先确定电流的方向。在交流电路中，就需要先假设电流的正方向（参考方向），然后再分析计算。若计算出的电流为正值，则表明实际方向与假设的参考方向相同；否则，实际方向与参考方向相反，如图1-6所示。电流大小的定义：单位时间内通过导体横截面的电荷的多少。而在交流电路中，电流的大小是随时间变化的，如果在Δt时间内，通过导体横截面的电量为ΔQ，则瞬时电流的大小为电流的单位是安培，简称安，用符号A表示，千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA），它们之间的换算关系为认识电流与电压任务二相关知识

电流既有大小又有方向。可以把电流分为直流电流（DC）和交流电流（AC）两大类。稳恒直流电是大小和方向都不随时间变化的电流，如图1-7a所示；脉动直流电是指方向不变，而大小随时间变化的电流，如图1-7b和图1-7c所示；交流电流是指大小和方向都随时间变化而变化的电流，如图1-7d所示为最常用的正弦交流电。认识电流与电压任务二相关知识二、电压如图1-8所示，电荷Q会在电场力的作用下从a点移动到b点，这时称电场力对电荷做了功。为了衡量电场力对电荷做功本领的大小——电压。认识电流与电压任务二相关知识

电场力将单位正电荷从a点移动到b点所做的功，称为a、b两点间的电压，公式表示如下电压的单位是伏特（V），常用的单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（μV）。电压与电流一样，既有大小又有方向。如图1-9所示的白炽灯电路中，标注出了电压与电流的方向。我国广泛使用的民用电电压为380V和220V，日常照明用电一般是220V。电压的大小可以使用电压表或万用表的电压挡进行测量。认识电流与电压任务二相关知识

三、电位在电路中选定参考点后，电路中某点的电位就等于该点到参考点之间的电压。由此可见，电位的实质就是电压，只不过是相对参考点的电压。电位与电压的关系为：电路中任意两点之间的电位差称为这两点之间的电压，即电位的单位也是伏特（V）。电位与电压的区别：电位（相对量）随着参考点的改变而改变，电压（绝对量）与参考点的选择无关；电压就是两点之间的电位差，所以电位相同的各点间的电压为零。认识电流与电压任务二相关知识

四、电动势电动势：在电源内部，外力将单位正电荷Q从电源的负极移到电源的正极所做的功。电动势用符号E表示，单位也是伏特（V）。电动势既有大小又有方向。在电源内部，电动势的方向是由电源的负极指向电源的正极，即由低电位指向高电位，如图1-10所示。认识电流与电压任务二相关知识掌握电阻的有关概念和性质掌握伏安特性曲线熟悉常见电阻器的外形及表示方法认识电阻与电阻定律任务三学习目标能规范使用万用表测量电阻一、电阻自然界中按导电性能可分为导体、绝缘体、半导体三类。其中导电性能良好的物体叫作导体，例如，在电路中常用的铜导线、铝导线等都是导体。导体内部有大量的自由电子，这些电子在电场力的作用下把导体对电流的阻碍作用称为电阻。电阻的单位为欧姆（Ω）二、电阻定律任何导体都有电阻，电阻是客观存在的，并且不随导体两端电压的变化而变化。实验证明，在一定的温度下，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，并与材料的性质有关，公式见上：认识电阻与电阻定律任务三相关知识

电阻率是与导体材料性质有关的物理量，它在一定温度下为常数。实验表明，导体的电阻率是与温度有关的一个变量，一般金属导体的电阻率都是随着温度的升高而增大的；而半导体和电解液的电阻率通常是随着温度的升高而减小的；康铜和锰铜的电阻率一般不随温度变化，所以可以用来制造标准电阻。在分析计算电路时，还常用到另外一个物理量——电导。电阻的倒数称为电导，它是衡量导体导电能力大小的物理量，电阻和电导的关系为电导的单位是西门子（S），电导越大，表明导体的导电能力越强；反之，导电能力就越弱。认识电阻与电阻定律任务三相关知识三、电阻的伏安特性曲线在温度一定的条件下，通过导体的电流随电压变化而变化的关系曲线，称为电阻的伏安特性曲线，如图1-11所示，电子技术中使用的二极管、三极管都属于非线性电阻。还可以通过伏安特性曲线的斜率大小来判断电阻值的大小。图1-12中给出了3个电阻的伏安特性曲线，斜率越大表明电阻值越小，图中三个电阻的关系为R3>R2>R1。认识电阻与电阻定律任务三相关知识四、常见电阻器电阻按结构可分为固定电阻器、可变电阻器和特殊电阻器三大类。常见电阻器的外形图如图1-13所示。1．固定电阻器是电阻值不可调节的电阻器。2．可变电阻器又称电位器。3．特殊电阻器就是在电路中发挥特殊作用的电阻器。认识电阻与电阻定律任务三相关知识五、电阻器参数及其标注方法电阻器在实际选用中主要考虑标称阻值、额定功率和允许偏差这三个参数。这些参数一般在元器件的表面标注出来，电阻器常用的标注方法有直标法和色环法两种。直标法就是将电阻器的主要参数直接标注在电阻器的表面，主要应用在大功率的电阻器上，比较直观，便于读数，如图1-14所示。

认识电阻与电阻定律任务三相关知识色环法就是用不同的颜色环标在电阻器的表面上表示不同的数字，通过颜色的不同来表示电阻值和精度的方法，如图1-15所示。

认识电阻与电阻定律任务三相关知识

最常用的测量电阻的方法是使用万用表欧姆挡进行测量。万用表是一种可以用来测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻，也可以用来测量电感、电容及晶体管的放大系数的工具。常用的万用表有指针式和数字式两大类。一、数字式万用表的结构数字式万用表的结构如图1-16所示。二、数字式万用表的测量方法1．电压测量将红表笔插入“VΩ”插孔中，黑表笔插入标认识电阻与电阻定律任务三任务实施

有“COM”的插孔中，根据直流或交流电压合理选择量程；再把万用表与被测电路并联，即可进行测量。注意，不同量程测量精度也不同。随着量程的增大，测量误差也不断增大，所以不能用大量程挡去测小电压。2．电流测量将红表笔插入“mA”或“20A”插孔（根据测量值的大小进行选择）中，黑表笔插入标有“COM”的插孔中，合理选择量程，把万用表串联接入到被测电路中，即可进行测量。3．电阻测量将红表笔插入“VΩ”插孔中，黑表笔插入标有“COM”的插孔中，合理选择量程，即可进行测量。四、灯泡电阻的测量方法和步骤1．测量电阻要注意不能在电路通电的情况下测量，先把灯泡从灯座中旋下，也可以在认识电阻与电阻定律任务三任务实施

断开开关后在灯座上测量。测量前，要确认黑表笔插在标有“COM”的插孔中，红表笔插在标有“VΩ”的插孔中（测量电压和电阻）。2．测量电阻时不必关心表笔的正负极性，如果不能估计电阻值，可以先选择任一电阻量程挡进行估测。比如选择参数挡为电阻挡（标明Ω字样的范围内），量程挡位2k挡（使万用表转换开关指向2k字样的标记位置）。3．打开万用表的电源开关。一只手拿灯泡，另一只手像拿筷子一样拿起两只表笔。两只表笔的金属体头部分别接触灯泡尾部的金属体和螺旋金属部分，如图1-17所示。认识电阻与电阻定律任务三任务实施

4．观察万用表的指示值。选择量程挡位为2k挡时，显示的数值很小，大约为0.002kΩ，由此可以判断出量程挡位选择过大。改用200Ω的量程挡重新进行测量，测量后进行读数，如图1-17所示，应为1.6Ω（此数值为灯泡灯丝的冷态电阻值，小于额定工作状态下的电阻值）。5．注意：测量时手指不可同时接触两只表笔的金属体，以免接入人体电阻，引起测量误差。我们测量的是灯泡内部灯丝的电阻值，灯丝是由金属钨制成的。钨的电阻率随温度升高而增大，因此灯丝的电阻值也会随着灯丝温度的升高而增大。认识电阻与电阻定律任务三任务实施指针式万用表

一、指针式万用表的结构指针式万用表如图1-18所示，万用表的表头在万用表的上部，转换开关是实现各种测量种类及量程的开关。调零旋钮用于在测量前使万用表指针指在零位置上，包括机械调零旋钮和欧姆调零旋钮。晶体管测试插孔用来判断晶体管的极性。其余插孔主要用来插测试表笔，测试表笔有红表笔、黑表笔两支，“+”插孔插红表笔，“-”插孔插黑表笔。认识电阻与电阻定律任务三知识链接

二、指针式万用表的使用方法1．测电压（1）测量直流电压。测量时，将转换开关转到直流电压挡，将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔内。测量时应注意正、负极不能接反。（2）测量交流电压。测量时，将转换开关转到交流电压挡，测量交流电压不分正、负极，所需量程由被测电压高低来确定，需逐级调低到合适的测量挡位。2．测直流电流测量时，将表笔插入“+”“-”插孔中，将转换开关转到直流电流挡，并选择适当的挡位，然后将表笔串接在被测电路中。若指针反偏，则将表笔正、负极对调。3．测电阻测量时，将红表笔插入“+”插孔内，黑表笔插入“-”插孔内，具体步骤见表1-6。认识电阻与电阻定律任务三知识链接认识电阻与电阻定律任务三知识链接认识电阻与电阻定律任务三知识链接

三、用万用表测量电阻时的注意事项1．测量时，特别是在测量几十千欧以上阻值的电阻时，手指不要并接在电阻的两个引脚上，以免对测量产生影响，造成误差。2．色环电阻的阻值虽然能以色环标志来确定，在使用前最好还是用万用表测量其实际阻值。3．测量消磁热敏电阻时，不要使热源与消磁热敏电阻靠得过近或直接接触热敏电阻，以防止将其烫坏。4．测量完毕应将万用表转换开关旋至交流电压最高挡，防止下次测量时不注意转换开关的位置，而直接去测交流电压，使万用表烧坏。认识电阻与电阻定律任务三知识链接掌握部分电路欧姆定律掌握全电路欧姆定律，并能进行电路分析计算熟悉电路的三种状态认识欧姆定律任务四学习目标认识欧姆定律任务四一、部分电路欧姆定律在电阻两端的电压为U，电阻值为R，则通过电阻的电流I可以表示为式中I——电流，A；U——电压，V；R——电阻，Ω。如图1-20所示的“部分电路”，通过电阻的电流与电阻两端的电压成正比，与电阻成反比，只要知道电路中U、I、R三个量中的任意两个量，就可以由欧姆定律求出第三个量。相关知识二、全电路欧姆定律如图1-21所示为一个全电路。它由内电路和外电路两部分组成。包括电源电动势E和电源的内阻r，其电流由电源的负极流向正极；外电路则是指电源以外的电路。

全电路欧姆定律的内容：闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的总电阻成反比（总电阻包括电源的内阻和外阻），数学表达式为

认识欧姆定律任务四相关知识

式中U内——电源内阻的电压降；U外——外电路的电压降，也就是常说的电源端电压。该式说明电源的电动势在数值上等于闭合电路中内、外电路电压降的总和。三、电路的三种状态如图1-22所示1．短路当开关处于位置1时，电路处于短路状态。实际上相当于用导线直接将电源两端进行连接，所以电源的端电压U外=0，电流I短=电源内阻通常很小，所以短路电流的数值很大，这样就会造成电源的损坏，并且还可能引起电气火灾。因此，应该采取适当的保护措施，避免电路出现短路现象。认识欧姆定律任务四相关知识

实际应用时常使用熔断器来实现短路保护，一旦发生短路事故，熔断器就会因为过大的电流自动切断电源。如图1-23为熔断器及其符号以及熔断器在电路中的应用。

2．开路

当开关处于位置2时，电路处于开路状态，也称为断路。这时电路的总电阻为∞。电路中的电流I=0，电源的端电压U外=E-Ir=E，即电源的开路电压等于电源的电动势。3．通路

当开关处于位置3时，电路处于通路状态。电路中的电流为

由此也可推导出电源的端电压与输出电流之间的关系为认识欧姆定律任务四相关知识

由上式画出电源的外特性曲线，如图1-24所示，它表示的关系是在电源的电动势和内阻一定的情况下，电源的端电压随输出电流的增大而下降。分析电源的外特性曲线可知：在电源内阻一定时，电路接大负载（电流大时）端电压下降得多，接小负载（电流小时）端电压下降得少。如图1-25所示是测量电源电动势和内阻的电路。已知R=24Ω，当开关S合上时电压表的读数为48V，开关S断开时电压表的读数为50V。求电源电动势E和内阻r。认识欧姆定律任务四相关知识

解：（1）开关S断开时，电路处于开路状态，电路电流为电压表读数为（2）开关S接通时，电路处于通路状态，电路电流为电压表读数为认识欧姆定律任务四相关知识

由于电压表的内阻为一定值，所测量的电压越高，通过的电流就越大。任务引入中，当被测电压为250V时，流过电压表的电流应为最大值，根据欧姆定律得任务实施掌握电功和电功率的定义以及两者之间的关系理解电气设备额定值的重要意义能根据负载获得最大功率的条件计算负载功率并精准选用合适的负载认识电功与电功率任务五学习目标

在日常生活中，人们常常提及电饭锅、热水器、冰箱的功率是多少“瓦”，家庭每个月的用电量是多少“度”，这里所说的“瓦”和“度”就涉及电功率和电功的问题。认识电功与电功率任务五任务引入一、电功率电功率是用来表示电流做功快慢的物理量，是单位时间内电场力所做的功。单位时间内电场力在电阻上所做的功可以表示为式中P——电功率，单位是瓦（W）。常用电功率单位的换算关系为相关知识二、电功电功用来表示负载在一段时间内所消耗电能的大小，电功不仅取决于负载功率的大小，还与负载工作时间的长短有关，即式中P——功率，W；t——时间，s；W——电功，J。在实际工作中，通常用电能表来测量电功的大小，电能表的读数是用千瓦时（kW·h）来表示的，也就是常说的“度”。认识电功与电功率任务五相关知识三、电气设备的额定值为了保证电气元件和电气设备能够长期安全地工作，要尽量保证实际工作电压等于额定电压，只有这样，负载消耗的实际功率才会等于额定功率。例如，某三相笼型异步电动机的铭牌上标注的是“380V，4kW”，表示电动机额定工作电压为380V，额定功率为4kW。电气设备通常有三种工作状态：满载、轻载和过载。在过载情况下电气设备和元件很容易被烧毁，因此，采用过流继电器或熔断器等，来防止过载现象的发生。四、负载获得最大功率的条件如图1-26所示，当电流流经回路时，由于电源内阻的存在，会在内阻上消耗一定的功率。在电源输出功率一定的条件下，内阻消耗的功率越多，外电路负载得到的功率就越少。那么负载在什么情况下才能获得最大功率呢？根据电功率的公式可以推导如下：认识电功与电功率任务五相关知识

由上式可知，只有当分母最小时，功率P才能有最大值，而分母最小的条件是R=r。因此，在电源一定的情况下，当负载电阻和电源内阻相等时，负载可获得最大功率，所获得的最大功率可以用下式计算：当负载获得最大功率时，由于外电阻等于电源的内阻，所以电源的效率只有50%。认识电功与电功率任务五相关知识任务一课题二分析电阻串联电路任务二分析电阻并联电路任务三分析电阻混联电路电路基础及简单直流电路模块一熟悉电阻串联电路的基本特点掌握电阻串联电路在实际中的应用掌握电阻串联电路的分析计算分析电阻串联电路任务一学习目标一、电阻串联电路的特点图1-27所示为一电阻串联电路，两个或两个以上的电阻首尾依次连接就构成了串联电路。图1-27a为n个电阻的串联电路，化简后等效为图1-27b，两个电路具有相同的特性。下面从电流、电压、电阻和功率等几个方面来讨论电阻串联电路的特点。1．串联电路中电流处处相等，即2．串联电路中，总电压等于各电阻两端的电压之和，即分析电阻串联电路任务一相关知识3．串联电路中，总电阻等于各个串联电阻之和，即其中总电阻R也称为等效电阻。由于串联电路中电流处处相等，所以在各个电阻上产生的电压为而总电压等于各电阻两端电压之和，有因此等效电阻由上式可知，电阻串联的数量越多，总等效电阻的数值就越大。分析电阻串联电路任务一相关知识4．串联电路中，各电阻上的电压之比等于各电阻大小之比，即上式表明，在串联电路中，阻值大的电阻分得的电压大，阻值小的电阻分得的电压小。也就是说各电阻上电压的大小与电阻的大小成正比，这就是串联电路中电阻的分压作用。以两个电阻串联为例，可以得到分压公式，即

5．串联电路中，电阻消耗的功率之比等于电阻大小之比，即根据公式P=I2R并结合串联电路中电流处处相等的特点，就可以推导出上式。二、电阻串联电路的应用在实际工作中，可以利用串联电路的特点，用电阻串联实现分压和限流作用，或者用来获得较大的电阻。分析电阻串联电路任务一相关知识1．分压作用利用电阻串联的分压作用可以实现扩大电压表量程的目的，该如何实现呢？可以采用与该电流表串联一个合适阻值的电阻的方法来实现，如图1-28所示，分析如下：2．限流作用启动时，为防止启动电流对电动机的冲击作用。利用了串联电阻后，总等效电阻增大，而在电源电压不变的情况下，电阻越大，电流越小的特点，从而起到“限制电流”的作用。分析电阻串联电路任务一相关知识熟悉电阻并联电路的基本特点掌握电阻并联电路在实际中的应用掌握电阻并联电路的分析计算分析电阻并联电路任务二学习目标分析电阻并联电路任务二

一、电阻并联电路的特点把几个电阻的一端连接在电路的一个点上，另一端连接在另一个点上，这种连接方式称为电阻的并联，如图1-31所示为n个电阻的并联电路。下面从电流、电压、电阻和功率等几个方面来讨论电阻并联电路的特点。1．并联电路中各电阻两端的电压相等，且等于电路两端的电压，即由图1-31可知，并联电路都是接在相同的两点A、B上，所以它们承受的电压是相同的。2．并联电路的总电流等于各电阻支路电流之和，即相关知识分析电阻并联电路任务二相关知识3．并联电路总等效电阻的倒数等于各电阻的倒数之和，即因此，并联电路的总等效电阻小于任何一个分电阻。以三个电阻的并联为例，结合欧姆定律分析如下：分析电阻并联电路任务二相关知识如果n个电阻值都为R的电阻并联，则可以计算出总等效电阻为很显然，电阻并联后，总等效电阻一定比任何一个并联电阻的阻值要小。两个电阻并联是经常遇到的一种情况，其等效电阻的公式为4．并联电路中电流的分配与电阻大小成反比，即阻值越大所分配到的电流越小，阻值越小所分配到的电流就越大。在实际的电路计算中常见的两个电阻并联的情况，其分流公式为分析电阻并联电路任务二相关知识

5．并联电路中功率的分配与电阻大小成反比，即阻值越大所消耗的功率越小，阻值越小所消耗的功率就越大，而总功率等于各个电阻所消耗的功率之和。二、电阻并联电路的应用并联电路在实际工作中常用在分流、恒压供电等场合，也可以利用电阻的并联获得较小阻值的电阻。1．分流作用在电工测量中，可以使用并联电阻的方法扩大电流表的量程，如图1-32所示，在只能测量小电流的表头两端，并联上一个合适的电阻，可以实现扩大电流表量程的目的。分析电阻并联电路任务二任务实施

2．恒压供电负载在并联状