电工电子基础直流电路分析教案

项目一直流电路分析

任务1电路构成

我们都知道，矿井下面光线不好，下井必须配戴矿灯，而矿灯的电路是如

何组成的，这值得我们去学习。

一、电路构成

1.电路：一个基本的电流回路。电路如图1.1所示。

图1.1电路的基本结构

2.电路组成：电源、负载、导线和开关。

（1）电源：是将非电能形态的能量转换成电能的供电设备，例如，发电机、

电池等。

（2）负载：是将电能转换成非已能形态能量的用电设备，例如，电动机、照

明灯等。

（3）连接导线：传送信号、传输电能。

（4）辅助设备：保证电路安全、可靠地工作（例如控制电路通、断的开关与

保障安全用电的熔断器），而且使电路自动完成某些特定工作成为可能。

【小结】

1.电路定理图不考虑电气元件的实际安装位置和实际连线情况，只是把

各元件按接线顺序用符号展开在平面图上，用直线将各元件连接起来。

2.电路的组成：电源、负载、连接导线、辅助设备：

二、电路的主要物理量

电流

1.电流：电路中带电粒子在电源作用下有规则地移动（习惯上规定正电荷

移动的方向为电流的实际方向）。

2.电流参考方向：是预先假定的一个方向，参考方向也称为正方向，在

甩路中用箭头标出。

（1）图1.2（a）,I=3A计算结果为正，表示电流实际方向与参考方向

一致。

（2）图1.2（b）,I=-3A计算结果为负，表示电流实际方向与参考方

向相反。

注意：电流的正、负只有在选择了参考方向之后才有意义。

图1.2电流的方向

特例：交流电的实际方向是随时间而变的。如果某一时刻电流为正值，即

表示该时刻电流的实际方向与参考方向一致；如果是负值，则表示该时刻电流

的实际方向与参考方向相反。

3.电流的大小为

Q

/=7

电流的单位是安（培）（A）。常用的电流单位还有毫安0、微安1A）等。

1A=103=10'lA

4.电流对负载有各种不同的作用和效应，如表1.1所示。

表1.1

光效应在气

化学效应在

热效应总磁效应总出体和一些对人体生命

导电的溶

出现现半导体中的效应

液中出现

出现

1

电熨斗、电继电器线

白炽灯、发蓄电池的充事故、动物

烙铁、熔圈、开关装

光二极管电过程麻醉

断器置

电压与电动势

1.电压：可以通过电荷的分离产生，如图1.3所示。要把不同极性的电荷

分离开，就必须对电荷做功。在电荷分离过程中，这两种不同极性的电荷之间

便产生了电压。

电压为零低电压

高电压

图1.3电压是分离电荷的结果

2.非静电力在电源内部搬运（分离）电荷，且分离电荷后产生的电压越

高，对电荷所做的功也越大。例如：

（1）图1.4是通过感应来产生电压。将条形磁铁插入线圈再从线圈中拔

出，电压表的指针摆动，这是利用磁来产生电压，称为电磁感应。

图1.4通过电磁感应产生电压

(2)图1.5是通过热来产生电压。将一段铜丝和一段康铜丝绞合或焊接起

来，格另外的导线端接在一个电压表上，并在两段导线的连接处加热，这两

段导线的另外两端会产生电压。

U…

图1.5通过热来产生电压

(3)图1.6所示为通过光来产生电压。将一光敏器件接在电压表上，用

光源来照射该光敏器件，光敏器件的两端就会产生电压。

金属荔片

图1.6通过光来产生电压

(4)图1.7所示为通过晶体的形变产生电压(压电效应)。将压电晶体与

高内里的电压表相连接，并在其表面施加压力，当压力增大和减小时，电压

表显示出电压。

石英晶体

图1.7通过压力产生电压

(5)通过对绝缘材料摩擦也可以产生电压，摩擦起电的现象就是通过摩擦

将电荷分离转移，从而形成电压。这种方式产生的电称为静电。

综上所述，电压产生的过程是非静电力搬运（分离）电荷做功过程，非静

电力做的功越大，电源把其他形式的能转化为电能的本领就越大。

3.电源电动势（电动势）：它表征非静电力在电源内部搬运电荷所做的功

与被移送电荷量的比值。

4.电动势的大小为

Q

电动势的单位为伏［特］（V）。

5.电动势的方向规定由电源负极指向电源正极，如图1.8所示。

图1.8电动势的方向

图1.8所示电路中，非静电力将电荷分离搬运到电源两端，当外电路闭合

时，电荷会经外电路移动而形成外电路电流I。

6.电压表征静电力在电源外部搬运电荷所做的功（W）与被移送电荷量（Q）

的比值。即

0上

Q

电压的单位和电动势的单位一样也是伏［特］（V）。

7.电压的方向规定由电源正极（高电位端）指向电源负极（低电位端）。

电位

1.什么是电位？就像空间的每一点都有一定的高度一样，电路中每

一点都有一定的电位。

2.电位有什么作用？由于空间高度的差异，才会引起液体从高向低流

动。电路中电流产生也必须有一定的电位差，在电源外部通路中，电流从高电

位点流向低电位点。

3.电位用字母V表示，不同点的电位用字母V加下标表示。例如表示A点

的电位值。

4.零电位点：衡量电位高低的一个计算电位的起点，该点的电位值规定为

OVo习惯上常规定大地的电位为零，称为参考点。

5.电路中零电位点规定之后，电路中任何一点与零电位之间的电压，就

是该点的电位。反之各点电位已知后，就能求出任意两点［A、B）间的电压。

例如，VA=5V,VB=3V,贝IJA、B之间的电压为

=-=（5-3）V=2V

电能

1.电能：着导体两端电压为U,通过导体横截面积的电荷量为Q,电场力

所做的功就是电路所消耗的电能：

/==UIt

2.电能的单位为焦［耳］（J）o在实际应用中常以千瓦时（（h）（曾称度）

作为电能的单位。

1h时在数值上等于功率为1的用电器工作1h所消耗的电能。

1度=1h=1000W3600s=3.61。,'s=3.6106

J

3.电能的测量是利用电能表（俗称电度表），如图1.9所示。

图1.9电度表与接线

［例1.1］一台2..彩电额定功率是12.TV,每千瓦时电的电费为0.45元,

共计工作5小时，电费为多少？

［解］电费=千瓦数用电小时数每千瓦时费用

=0.1250.45元=0.27元

电功率

1.电功率：用电设备单位时间（t）里所消耗的电能（W）叫做电功率:

尸上

t=UI

若是纯电阻电路：

U2

P==I2R=R

2.电功率是利用功率表进行测量的，其测量线路如图L10所示。

图1.10功率表测功率

功率表测电压的线圈（1.2）并联在电路上，测量电流的线圈（3.4）串联

在电路上。

［例1.2］一台电炉的额定电汽为220V,额定电流为5A,该电炉电功率

为多大？

［解］P=UI=2205W=11001.1

【小结】

1.电流是一种物理现象，又是一个表示带电粒子定向运动强弱的物理量（电

流会使导线发热，指的是物理现象；电路中有3A的电流，是指其电流的强弱）。

2.电流的参考方向是任意假定的，在电路图中用箭头标示。如果有了电流的

参考方向又有了电流的正值或负值，才可以判定出导体中电流的真实方向。

3.电压产生的本质是不同极性的电荷分离，而产生电压的方式有多种，它们

是：

工有分克产二毛任

♦w逅］I搏I］.|「东电恒］"-博|

:第”|Ir|、申I4...L-T（电

电压的实际方向，习惯上规定高电位点指向低电位点。

4.电动势不仅有大小，也有方向。它的实际方向习惯上规定由低电位点指

向高电位点（经内电路）。电动势单位与电压单位一致是“伏［特］”。

5.为了描述某点电位高低，在选定一零电位点（参考点）以后，就可以用

电位概念来表征某点电位的高低了。

6.电位的值与参考点的选择有关，而电压与电位参考点的选择无关。

7.电路所消耗的电能是指在电场力的作用下，该电路两端电压使电路中电

荷移动所做的功。

8.电能测量可使用电能表，电能表接线按“相线1进2出，零线3进4出”

的原则。

9.电功率数学表达式为

P=UI

P==A/2=〃2/斤

三、欧姆定律

1.基本概念：

（1）内电路：电源本身的电流通路。

（2）内阻：内电路的电阻。

（3）外电路：电源以外的电流通路。

（4）全电路：内电路和外电路总称。

2.图1.11所示为全电路。

(1)对于外电路，在电路电压一定的情况下，电路电阻越大，电路中电流就

越小。

/上

R

应用欧姆定律时，应注意电流I和电压U的参考方向：

图1.12(a)中，电流为

图1.12(b)中，电流为

R

［例1.3］试求图1.13(a)所示电路中的电流，图中电压为1.5V,电阻为

10

V

(a)(b)

图1.12应用欧姆定律时的参考方向

u0…

(a)(b)

(c)

图1.13例题L3附图

［解］图1.13(a)所示电路中没有标出电流方向，可以设定其参考方向如图

1.13(b)所示，电压和电流参考方向一致，则

/=£丝

R=1A=1.5A

若按图1.13(c)设定其参考方向，由于电压和电流参考方向选用不一致，则

,7-125

I=---------

RA=-1.5A

计算结果I<0,说明图L13(c)设定的电流方向与实际方向相反。

(2)全电路欧姆定律

3K

电源内阻越小，可以更多地向外电路提供电流(电能)。

【小结】

1.应用欧姆定律列式时，当电压和电流的正方向选得相反时，表达式须

带负号。

2.全电路欧姆定律。

电流形式表达式为

I=&+犬

电压形式表达式为

技能训练

一、电工常用工具的使用

电工常用工具是指一般专业目工都要使用的工具。正确使用和维护电工工

具，既能提高工作效率和施工质量，又能减轻劳动强度、保证操作安全和延长

电工工具的使用寿命。常用的电工工具包括通用工具、线路安装工具、登高工

具和设备装修工具等，这里只介绍通用工具。通用工具是指一般专业电工都要

应用的常用工具装备。

L验电笔

(a)钢笔式握法(b)螺丝刀式握法

2.螺钉旋具

1)螺钉旋具的式样和规格

的.分

(•)•字形■仃短具(b)十字影■灯箕具

2)使用螺钉旋具的安全知识

3)使用方法

贬

_

-W-

(・)大•打艇具的使用(b)小蝶仃族具的使用

3.钢丝钳

痔

归口刀口窝口_______

(b)商奴¥线

(■)结构

(C)紧冏或起松螺母(d)剪切导线(e)记切钢丝

4.尖嘴钳

5.断线钳

6.剥线钳

钳柄

7.电工刀

1）电工刀的使用

2）使用电T刀的安全知识

3）实训内容

8.活络扳手

（G扳动小黑母时的握法

二、简单直流电路测试

任务评价

一、操作检查

二、验收标准

表1-2电压电流测量值与计算值

测数据

/4/,U1

电器彩

州M侑

itWM

任务2电路基本定律与分析

电阻元件

电阻元件的电流、电压关系

1.电阻的电流、电压关系特性：将电阻两端电压与流过电阻电流的关系用图

形表示。在电阻为恒定值时，电流、电压关系特性如图1.14所示。

图1.14阻阻的电流、电压特性

注意：电阻越小，这条直线越陡。

线性电阻和非线性电阻

1.线性电阻：电压、电流特性如图1.15(a)所示，电阻是常数。

2.非线性电阻：电压、电流特性如图1.15(b)所示，电阻不是常数。

(a)

(b)

图1.15电阻的电流、电压特性

常用电阻元件

1.线性性电阻

(1)电阻参数标注：①直接标注在电阻占；②色环标注。色环表示的意义

如表1.2所示。

表1.2色标符号规定

颜色有效数字乘数允许偏差(%)工作电压

银色10〃10

金色105

黑色0104

棕色110116.3

红色2102210

橙色31016

黄色410'25

绿色51050.532

蓝色61060.2540

紫色71070.150

灰色810863

+50,-20

白色9109

无色20

(2)二位有效数字色环标记：如图1.17所示，该电阻的阻值为2700,允

许偏差±5%；

(3)三位有效数字色环标记：如图1.18所示，该电阻的阻值为33200,允

许偏差±1%。

图1.17两位有效数字色标示例

图1.18三位有效数字色标示例

2.非线性电阻

（1）热敏电阻外形如图L19所示。

（2）热敏电阻：①负温度系数热敏电阻，简称（）电阻；应用于温度测量

和温度调节，还可以作为补偿电阻，对具有正温度系数特性的元件（例如晶体

管）进行补偿；抑制小型电动机、电容器和白炽灯在通电瞬间所出现的大电流

（冲击电流）。②正温度系数热敏电阻，简称（）电阻。电阻可用于小范

围的温度测量、过热保护和延时开关。

（3）压敏电阻：如图1.20所示。

・・・

图1.20压敏电阻

压敏电阻可用于过压保护，将它并联在被保护元件两端，当出现过电压时,

其电阻急剧减小，将电流分流以保护并联在一起的元件。

【小结】

1.线性电阻元件电流、电压特性直线的斜率能反映电阻值的人小。

2.工程应用中常用电阻元件为：

I常用电阻兀flI

串联电路

一.电阻的串联

把多个元件逐个顺次连接起来，就组成了串联电路。

电阻串联电路的特点

(1)电路中流过每个电阻的电流都相等。

(2)电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和，即

U=M+L2+…+

电阻串联电路的特点

(3)电路的等效电阻(即总电阻)等于各串联电阻之和，W

〃二〃1+M+…+

RR[+R+RS

----[=>2--

U

5="..=%

&与儿电阻串联电路的特点

上式表明，在串联电路中，阻值越大的电阻分配到的电压越大；反之电压越

电阻串联电路的特点

若已知R1和R2两个电阻串联,电路总电压为U,可得分压公式如下图所示

三.电池的串联

当用电器的额定电压高于单个电池的电动势时，可以将多个电池串联起来使

用，称串联电池组。

设串联电池组是由n个电动势都是E,内阻都是r的电池组成，则

串联电池组的总电动势

断串联电池组的总内阻

并联电路

一.并联电路

把多个元件并列地连接起来，由同一电压供电，就组成了并联电路。

电阻并联电路的特点

（1）电路中各电阻两端的电压相等，且等于电路两端的电压。

（2）电路的总电流等于流过各电阻的电流之和，即

（3）电路的等效电阻（即总电阻）的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即

4）电路中通过各支路的电流与支路的阻值成反比，即

IR=A&=...=//■

上式表明，阻值越大的电阻所分配到的电流越小，反之电流越大。

若已知和两个电阻并联，并联电路的总电流为I,可得分流公式如下:

二.：电阻并联电路的应用

（1）凡是额定工作电压相同的负载都采用并联的工作方式。这样每个负载都

是一个可独立控制的回路，任一负载的正常启动或关断都不影响其他负载的

使用。

（2）获得较小阻值的电阻。

（3）扩大电流表的量程

三.电池的并联

有些月电器需要电池能输出较大的电流，这时可用并联电池组。

设并联电池组是由n个电动势都是E,内阻都是r的电池组成，则

E产并联电池组的总目动势

r

等二二

n并联电池组的总内阻

混联电路

电路中元件既有串联又有并联的连接方式称为混联。

对干电阻混联电路的计算，只需根据电阻串、并联的规律逐步求解

即可，但对于某些较为复杂的电阻混联电路，比较有效的方法就是画出等效

电路图，然后计算其等效电阻。

例题图中Rl=R2=R3=2Q,R4=R5=4Q,试求A、B间的等效电

解:

1.按要求在原电路中标出字母C,如下左图所示。

2.将A.B.C各点沿水平方向排列，并将R15依次填入相应的字母之间。

R1与R2串联在A.C间，R3在B.C之间，R4在A.B之间，R5在A.C之间，即

可画出等效电路图，如上右图所示。

3.由等效电路可求出间的等效电阻，即：2

混联电路上功率关系是：电路中的总功率等于各电阻上的功率之和。

直流电桥

一.直流电桥平衡条件

电桥是测量技术中常用的一种电路形式。本节只介绍直流电桥。

图中的四个电阻都称为桥臂，是待测电阻。B.D间接入检流计G。

调整RLR2.R三个已知电阻，直至检流计读数为零，这时称为电桥平衡。电桥

平衡时B.D两点电位相等，即

因此R\I\=2=2

可得R1R=/(2

电桥的平衡条件是：电桥对臂电阻的乘积相等。

利用直流电桥平衡条件可求出待测电阻的值。

为了测量简便，R1与R2之比常采用十进制倍率，R则用多位十进制电

阻箱使测量结果可以有多位有效数字，并且选用精度较高的标准电阻，所

以测得的结果比较准确。

二.不平衡电桥

电桥的另一种用法是：当为某一定值时将电桥调至平衡，便检流计指零。当有

微小变化时，电桥失去平衡，根据检流计的指示值与其与间的对应关系，也

可间接测知的变化情况。同时它还可将电阻的变化换成电压的变化，这在测量

和控制技术中有着广泛的应用。

1.利月电桥测量温度

把销（或铜）电阻置于被测点，当温度变化时，电阻值也随之改变，用

电桥测出电阻值的变化，即可间接得知温度的变化量。

2.利月电桥测量质量

把电阻应变片紧贴在承重的部位，当受到力的作用时，电阻应变片的

电阻就会发生变化，通过电桥电路可以把电阻的变化量转换成电压的变化量，

经过电压放大器放大和处理后，最后显示出物体的质量。

基尔霍夫定律

R2

电路只有3个电阻，2个电源，似乎很简单，可是你试一试，能用电阻串、并

联化简，并用欧姆定律求解吗？

显然不能

如果要求计算不平衡的直流电桥，也会遇到同样的困难。

不能用电阻串、并联化简求解的电路称为复杂电路。

分析复杂电路要应用基尔霍夫定律。

电路的基本术语

支路

电路中的每一个分支称支路。它由一个或几个相互串联的电路元件所构

成。含有电源的支路称有源支路，不含电源的支路称无源支路。

节点

3条或3条以上支路所汇成的交点称节点。

回路和网孔

电路中任一闭合路径都称回路。一个回路可能只含一条支路，也可能包

含几条支路。其中，最简单的回路又称独立回路或网孔。

一.基尔霍夫第一定律

基尔霍夫第一定律又称节点电流定律。它指出：在任一瞬间，流进某一节点的

电流之和恒等于流出该节点的电流之和，即

£/进二£/出

对于节点。有

/1+72=73+74+75

可将上式改写成

ZH-723-74-75=0

因此得到

£/二0

即对任一节点来说，流入（或流出）该节点电流的代数和恒等于零。

在应月基尔霍夫第一定律求解未知电流时，可先任意假设支路电流的参考方

向，列出节点电流方程。

通常可将流进节点的电流取正，流出节点的电流取负，再根据计

算值的正负来确定未知电流的实际方向。

有些支路的电流可能是负，这是由于所假设的电流方向与实际方

向相反。

没有构成闭合回路的单支路电流为零。

基尔霍夫第一定律可以推广应用于任一假设的闭合面（广义节点）。

上图电路中闭合面所包围的是一个三角形电路，它有3个节点。

应用基尔霍夫第一定律可以列出

上面三式相加得

++二0或£/二0

即流入此闭合面的电流恒等于流出该闭合面的电流。

二.基尔霍夫第二定律

基尔霍夫第二定律又称回路电压定律。它指出：在任一闭合回路中，各段电路

电外降的代数和恒等于零C

用公式表示为

E〃二0

即在任一回路循环方向上，回路中电动势的代数和恒等于电阻上电压降的代

数和。

在用式£U=0时，凡电流的参考方向与回路循环方向一致者，该电流在电阻

上所产生的电压降取正，反之取负。电动势也作为电压来处理，即从电源的正

极到负极电压取正，反之取负。

在用式EE=E时，电阻上电压的规定与用式£U=0时相同，而电动势

的正负号则恰好相反。

这种以支路电流为未知量，依据基尔霍夫定律列出节点电流方程和回路电压

方程，然后联立求解的方法称为支路电流法。

支路电流参考方向和独立回路绕行方向可以任意假设，绕行方向一般取与

电动势方向一致，对具有两个以上电动势的回路，则取电动势大的为绕行方

向。

分析a中电路，两个电源的电动势分别为E1和E2,根据基尔霍夫第二定律可

得

/（用+应+而）=0-皮

解含有儿个电源的复杂电路时，可将其分解为几个简单电路来研究，然后将

计算结果叠加，求得原电路的实际电流、电压，这一原理称为叠加原理。

叠加原理只适用于线性电路，即电路的参数不随外加电压与通过

其中的电流而变化的电路；而且叠加原理只能用来计算电流和电压，不能直接

用丁计算功率。

电压源与电流源的等效变换

电路中的电源既提供电压，也提供电流。

将电源看作是电压源或是电流源，主要是依据电源内阻的大小。

为了分析电路的方便，在一定条件下电压源和电流源可以等效变换。

一.电压源

具有较低内阻的电源输出的电压较为恒定，常用电压源来表征。电压源可分为

直流电压源和交流电压源。

u

।--------------0实际电压源可以月恒定电动势£和内阻［•串联起来表示