电工技术基础与技能单元直流电路

电工技术基础与技能单元直流电路

第二章 直流电路  知识目标： 掌握欧姆定律 。 掌握电阻串联、并联及混联的连接方式，会计算等效电阻、电压、电流和功率。 掌握基尔霍夫电流、电压定律 ；能应用基尔霍夫电流、电压定律列出两个网孔的电路方程。  技能目标： 会根据电阻封装上的色环计算电阻值。 会使用万用表、兆欧表等测电阻的阻值。 会选择并使用合适的工具对导线进行剥线、连接以及绝缘恢复。 第二章 直流电路 电路的组成与电路模型 电路的基本物理量 电阻 欧姆定律及其应用 基尔霍夫定律 电压源与电流源 戴维宁定理 叠加定理 学习内容 学习内容 电路的组成与电路模型 在装有声控节能开关的走廊里，我们一拍手，灯就亮了，是谁在控制灯的亮灭？ 观察与思考 : 电路的定义与组成 一、电路的定义与组成 电路就是电流通过的路径。它是由一些电气设备和元器件按照一定方式连接而成的闭合回路 电路是由 电源 、 负载 、 导线 和 开关 四个基本部分组成。 常用元器件 电源 电源：把其他形式的能转化为电能的装置。 干电池 蓄电池 锂电池 直流发电机 负 载 负载：把电能转变成其他形式能量的装置 电动机 灯泡 扬声器 导线 导线：连接电源与用电器的金属线，起输送电能、分配电能、保护或传递信号的作用 单芯硬导线 电缆线 开关 开关起到把用电器与电源接通或断开的作用 空气开关 开关 知识拓展 a) 铅酸蓄电池 c) 锂电池 d) 电动自行车锂电池 e) 燃料电池 f) 太阳能电池 b) 镍氢电池 电路的状态 【 通路 】 电路各部分连接成闭合回路，有电流通过。 【 开路 】 电路断开，电路中无电流通过。 【 短路 】 电源两端用导线直接相连，电流不经过负载，只经过连接导线直接流回到电源。 通路 开路 短路 注：短路时电流很大，会损坏电源和导线，应尽量避免。 元件符号与电路模型 我们在分析电路时，忽略各元器件的次要特性，只理想化地考虑它的主要特性，并将这些实际元器件用简单的、标准的图形符号表示出来，这样将实际电路抽象地用电路模型表现出来。 一、电路模型 元件符号与电路模型 二、电气文字符号与图形符号 电路的基本物理量 一、电流 1 、定义：当把导体接到电源上形成闭合回路，自由电子就会朝着一定方向移动 , 形成电流。 2 、方向：习惯上规定 正 电荷定向移动的方向为电流的方向 。 3 、表达式 ： 4 、单位：安培（ A ）、简称安 常用的电流单位有： mA （毫安）、  A （微安） 预先假定的一个电流方向，称为电流的 参考方向 ，计算出的电流为 正值 时，说明电流的真实方向与参考 方向一致 ；反之计算出的电流为 负值 时，说明电流的真实方向与参考 方向相反 。 电流 直流电流 ：电流的大小和方向均 不随 时间变化的电流也称为恒定电流 交流电流 : 电流的大小和方向都 随 时间变化的电流。 直流电流 交流电流 电流的测量 注意电流表一定要串联。 测量电流常用的仪表是电流表或万用表的电流挡 电压 思考： 在初中物理学的连通器试验中，我们发现，受重力的作用，当两侧水位有差值的时候，水总是从高水位端向低水位端流动。在下图中，电流的形成是不是也有相似的规律呢？ 电流的形成必须有电位差 电压 1 、定义： A 、 B 极板之间的 电位差 称为 A 、 B 两点之间的电压 。 2 、表达式： 导体两端的电压等于电场力把单位正电荷从高电位端移到低电位端所做功。 单位： 伏特（简称伏） ---V 常用单位：千伏 1kV = 1000V ，毫伏 1V=1000 mV 电压 3 、电压方向： 电压的正方向由高电位指向低电位。 电压的 正极用 “ + ” 符号表示； 负极用 “ - ” 符号表示。 也可用电压符号加下标来表示电压方向，如 表示该电压的方向是从 A 指向 B 。 A B 电压的参考方向 ：进行电路分析时，假定电压的方向。若计算出的电压值为 正值 ，则表明电压的真实方向与参考 方向一致 ；计算出的电压值为 负值 ，则表明电压的真实方向与参考 方向相反 。 电压的测量 测量电压常用的仪表是电压表和万用表的电压挡。 注意：电压表一定要并联 知识拓展 强电指 400v 以下， 36v 以上；弱电指 36v 以下。 强电有生命危险，弱电一般无危险。 400v 以下为低压， 1000v 以上为高压。 测电笔只可用于低压，高压不可用。 电动势 三、电动势 1 、 定义 ：在电源内部，非静电力把正电荷从负极搬运到正极所做的功跟被搬运的电荷量的比值叫做电源的电动势，用 E 表示。 2 、单位： 电动势的单位是 V （伏） 3 、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 。 电动势与电压的本质区别 电动势 电压 1 、电动势是衡量非电场力做功的本领大小。 2 、电动势仅存在于电源内部， 方向是由低电位指向高电位 。 1 、电压是衡量电场力做功的本领大小。 2 、电压不仅存在于电源两端，而且也存在于电源外部。 电 位 观察与思考 现象： 讲高度首先要确定一个计算高度的起点，如：某人的身高为 1.7m ，这个高度是以地平面为起点算起的。同样，讲电位高低是谁规定的呢？ 电 位 1 、定义： 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 “ ⊥ ” 表示零电位点。 2 、表达方式： 电位用字母 V 表示，不同点的电位用字母 V 加下标表示。如 V A 表示 A 点的电位值 , V B 表示 B 点的电位值。 例如： V A = 8V ， V B =3V ，那么 A 、 B 之间的电压为 U AB = V A - V B = （ 8-3 ） V = 5V 电 功 1 、定义： 在导体两端加上电压，导体内部就建立了电场。电场力在推动自由电子定向移动中要做功， 电场力在 t 时间内所做的功 即电路所消耗的电能。 2 、表达式： W = U I t U —— 电路两端电压，单位为 V ； I —— 电路中的电流，单位为 A ； t —— 通电的时间，单位为 s ； 当电路为纯电阻电路： W —— 电能，单位为 J ；实际应用中用千瓦时（ kW · h ）也称为度 1kW · h 就是 1 度 电 功 率 1 、定义： 在一定时间内，电路产生或消耗的电能与时间的比值叫电功率。 2 、表达式： 单位： 瓦（ W ） 电路为纯电阻电路时： 或 常用单位：千瓦（ kW ） 毫瓦（ mW ） 电功率是表明负载消耗电能快慢程度的物理量 电功率的测量 功率表 D26 － W 型便携式单相功率表 例 题 例：  一台 21 英寸彩色电视机额定功率是 120W ，若平均每天使用 6h ，每度电的电费为 0.45 元，求每月（以 30 天计）应付电费为多少？ 每月应付的电费为 : 0.45 元 / 度 ×21.6 度 =9.72 元 每月用电时间为： 6×30=180h 解： 每月消耗的电能为： W=Pt=0.12kW×180h=21.6kW · h=21.6 度 焦耳定律 1 、电流热效应定义 : 电流通过导体时 , 由于自由电子的碰撞 , 电能不断的转变为热能 . 这种电流通过导体时会发生热的现象 , 称为电流的热效应。 2 、焦耳定律： 电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比。即： Q 表示热量， I 表示电流， R 表示电阻， t 表示时间 思考与练习 1. 电流是如何形成的？以及电流的实际方向与参考方向的区别？ 2. 若 1 分钟内通过某一导线截面的电荷量是 120 库仑，则通过该导线的电流是多少安培（ A ）？合多少毫安（ mA ）？ 3. 说明电压与电动势的区别？ 4. 什么叫做电位？计算电位的具体步骤是什么？ 电 阻 神奇现象： 超导现象： 在极低温（接近于热力学零度）状态下，有些金属（一些合金和金属的化合物）电阻突然变为零，这种现象叫超导现象。 电 阻 一、电阻 1 、定义： 导体对电流的 阻碍 作用叫做导体的电阻。 2 、文字及图形符号： 电阻器 R 电位器 R 3 、单位： 欧姆（ Ω ） 常用单位： kΩ （千欧）， MΩ( 兆欧 ) 电 阻 4 、电阻定律 ：导体的电阻跟导体的长度成正比，跟导体的横截面积成反比，并与导体的材料性质有关。  为导体的电阻率 ; 它 与导体的几何形状无关 ，而与导体材料的性质和导体所处的条件有关（如温度） 5 、电阻与温度的关系： 一般金属导体，温度升高，其电阻增大。少数合金电阻，几乎不受温度影响，常用于制造标准电阻器。 电 阻 二、电阻器 电阻的标注 1 、直标法： 主要参数直接标注在电阻器的外壳上。 ▲ —— 表示电阻器的商标； RJ ——“ R ” 代表电阻器， “ J ” 表示电阻器由金属材料制作而成； 1W —— 表示电阻器的额定功率为 1W ； 5.1kΩ —— 表示电阻器的的电阻值为 5.1kΩ ； ±5% —— 电阻值的允许偏差值为 ±5% 。 电阻的标注 2 、数标法： 用 3 或 4 位阿拉伯数字来标注电阻的阻值 472 表示： 104 表示： 4501 表示： 1123 表示： 电阻的标注 3 、色标法： 用不同颜色的色环或色点表示电阻的阻值和允许误差。 使用最多的标注方法 电阻的标注 例 题 例：识别某四环电阻电阻： （棕绿红金） 解 ：第一位有效数字： 1 ； 第二位有效数字： 5 ； 第三位 10 的 2 次方（即 100 ）； 第四位允许误差为  5% 即阻值为： 15 × 100=1500Ω=1.5kΩ 新型电阻器 压敏电阻 光敏电阻 正温度热敏电阻 汽敏电阻 负温度热敏电阻 湿敏电阻 欧姆定律 一、部分电路欧姆定律 【 定理 】 电路中通过电阻的电流， 与 电阻两端所加的 电压成正比 , 与电阻成反比 。 【 公式 】 或 例： 已知某电阻 R =50Ω ，两端电压 U =100V ，求流过电阻的电流为多大？ 解： 欧姆定律 二、电阻的伏安特性 【 线性电阻 】 电阻值 不随 电压、电流的变化而变化 【 非线性电阻 】 电阻值 随 电压、电流的变化而变化 欧姆定律 三、全电路欧姆定律 内电路： 电源本身的电流通路，由电动势 E 和内电阻 R 0 组成。 内电阻： 内电路的电阻，通常用 R 0 表示。 外电路： 电源以外的电流通路。 全电路： 内电路和外电路总称。 欧姆定律 全电路欧姆定律： 在整个闭合电路中，电流与电源的电动势成正比，与电路中的内电阻和外电阻之和成反比。 公式： 或 外电路上的电压降 : 内电路上的电压降 : 电源的电动势等于内外电路电压降之和 欧姆定律 四、负载获得最大功率的条件 在电源电动势 E 及其内阻保持不变时，负载 R 获得最大功率的条件是 R = R 0 ，此时负载的最大功率值为： P 与 R 的变化关系曲线 时称负载与电源匹配，也称为阻抗匹配。 串、并联电路 一、电阻的串联 1 ）串联电路中电流处处相等。 2 ）串联电路两端总电压等于各电阻上分电压之和。 3 ）串联电路的总电阻等于各分电阻之和。 特点 电压表的改装 改装前，量程 （毫伏级）不能适应高电压的测量； 可以根据量程挡的需要串联 （ 一般大于 ）。 改装后，量程 不同阻值的分压电阻 串、并联电路 二、电阻的并联 1 ）电路中各支路两端的电压相等 2 ）电路中总电流等于各支路的电流之和 3 ）并联电路的总电阻 特点 电流表的改装 改装前，量程 ，不能测量较大的电流。 ，可以根据量程挡的需要 （ 一般小于 ）。 改装后，量程 并联不同阻值的分流电阻 串、并联电路 三、电阻的混联电路 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的等效电阻； 3 ） 利用已知条件进行计算电路的总电流； 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。 分析步骤： 基尔霍夫定律 支路： 由一个或几个元件首尾相接构成的无分支电路。 节点： 电路中三条或三条以上支路的联接点。 回路： 电路中任一闭合的路径。 网孔： 不含有分支的闭合回路。 网络： 在电路分析范围内网络是指包含较多元件的电路。 一、相关名词术语 基尔霍夫定律 二、基尔霍夫电流定律 【 定理内容 1】 ： 在任何时刻，电路中流入任一节点中的电流之和，恒等于从该节点流出的电流之和。 【 例 】 基尔霍夫定律 【 定理内容 2】 ： 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。 【 例 】 基尔霍夫定律 某电路中的一部分，选择封闭面如图中虚线所示 : 三极管电路中， 三个电流 满足关系式： 【 实际应用 】 基夫尔霍定律 三、基夫尔霍电压定律 【 定理内容 】 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。 沿着回路 AHBDGEA 绕行方向 例 题 例 : 如图所示的电路中，若 求 A 与 B 两点间的电压 图 2-44 例题 2-6 的图 顺时针绕行一周！ 例 题 图 2-44 例题 2-6 的图 顺时针绕行一周！ 解： 由欧姆定律，可得： 假设回路 的绕行方向如图 由 KVL ，可得 则 : 电压源与电流源 一、电压源 【 理想电压源定义 】 在其两端能保持一定值电压的电源就叫做理想电压源，用字母 或 表示。 【 理想电压源特性 】 （ 1 ）它的端电压 与流过的电流无关 （ 2 ）流过它的电流不是由电压源本身就能确定的，而是由与之相连接的外电路来决定 直流电源电气符号 理想电压源电气符号 电压源 【 实际电压源 】 实际电压源的模型可以用理想电压源 与电阻 串连的组合模型来表示 电源的端电压： 输出功率： 电压源 电子稳压电源 直流电子稳压电源就可近似看作恒压源 电工电子实验室用 微机用 电流源 二、电流源 【 理性电流源定义 】 输出电流与电压无关，其值一定或保持一定的时间函数的电源为理想电流源。 【 理性电流源特性 】 （ 1 ） 它的电流是定值，与端电压无关； （ 2 ） 它的端电压不由电源本身确定，而是由与之相连接的外电路来决定。 电流源的两端电压与外电路有关 电流源 【 实际电流源 】 实际电流源是含有一定内阻 的电流源可用一个理想电流源 和一个电阻 并联的电路模型表示。 输出电压 U 与输出电流 I 之间关系： 理想电流源不允许开路 理想电流源与一般电流源伏安特性 电源等效变换 三、电源等效变换 对外电路来说，实际电压源和实际电流源是相互等效的，等效变换条件是： 或 （ 1 ） 实际电压源和实际电流源进行等效变换时， I S 与 E 的方向应当一致 , 即 I S 的流出端与 E 的正极性端互相对应。 （ 2 ）理想电压源不能等效变换为一个理想电源，反之也是这样。 注意 : 电源等效变换 【 电压源变换为电流源 】 的方向要注意不要弄错哦 … 电压源变换为电流源 电源等效变换 【 电流源变换为电压源 】 思考与练习 如图所示的电路，已知： 试应用电源等效变换法求电阻 R 3 中的电流。 戴维宁定理 网络： 具有两个引出端与外电路相联的电路。又叫做二端网络。 有源二端网络： 内部含有电源的二端网络。 无源二端网络： 内部不含有电源的二端网络。 a) 有源二端网络 【 相关名词术语 】 b) 无源二端网络 戴维宁定理 【 戴维宁定理内容 】 任何一个线性有源二端电阻网络，对外电路来说，总可以 用一个电压源 E 0 与一个电阻 R 0 相串联 的模型来替代。电压源的电动势 E 0 等于该二端网络的开路电压，电阻 R 0 等于该二端网络中所有电源不作用时 ( 即令电压源短路、电流源开路 ) 的等效电阻 ( 叫做该二端网络的等效内阻 ) 。 戴维宁定理 【 戴维宁定理解题步骤 】 1 ）将电路分成待求支路和有源二端网络两部分，断开待求支路。 戴维宁定理 2 ）求出有源二端网络两端点间的开路电压 U ab , 即为等效电源的电动势 E 0 。 【 戴维宁定理解题步骤 】 已知 E 1 = 7 V ， E 2 = 6.2 V ， R 1 = R 2 = 0.2  求开路电压 U ab 戴维宁定理 【 戴维宁定理解题步骤 】 3 ）将有源二端网络中的所有电动势置零后得到无源二端网络，计算其等效电阻，即为等效电源的内电阻 R 0 。 将电压源短路 , 求等效电阻 R ab( R 1 = R 2 = 0.2  ) R ab = R 1 ∥ R 2 = 0.1  = R 0 戴维宁定理 4 ）将等效电源与待求支路连接，形成等效简化电路，根据已知条件求解。 【 戴维宁定理解题步骤 】 将等效电源 E 0 、等效电阻 R 0 及电阻 R 连接成戴维宁等效电路 ，求电阻 R 中的电流 I 思考与练习 如图所示电路，已知： 试应用戴维宁定理 求电阻 R 5 中的电流 I 。 叠加定理 【 叠加定理内容 】 在 线性电路 中，当有多个电源共同作用时，任意一个支路中的电流或电压，可看成是 由各个电源单独作用时，在该支路中所产生的电流或电压的代数和 线性电路： 由线性元件所组成的电路。 电 源 一 电 源 二 某 一 支路 I 电 源 一 电 源 二 仅留内阻 某 一 支路 I  U U  电 源 一 仅留内阻 电 源 二 某 一 支路 I  U  两个电源共同作用时的电流与电压 电源二单独作用时的电流与电压 电源一单独作用时的电流与电压 叠加定理 恒流源断开 恒压源短接 注意保留电源的内阻 电源 U S1 单独作用时对其他电源的处理 理想电压源短接 ，即电动势为零； 理想电流源开路 ，即电流为零。 叠加定理 注意： 1. 叠加原理仅适用于线性电路中的电流和电压的计算，不适用于功率的计算。 2 ．电压源不作用时应视为短路，电流源不作用时应视为开路； 3 ．叠加时要注意电流或电压的参考方向，正确选取各分量的正负号。 叠加定理 例 ： 如图所示电路，试用叠加原理计算各支路电流。 （ a ） (b) E 1 单独作用 (c) E 2 单独作用 例 题 解： (1) 计算电源 单独作用时在各支路上所产生的电流 和 并联后的 等效电阻为： 总电阻： 则： 例 题 (2) 计算电源 单独作用时在各支路上所产生的电流 和 并联后的 等效电阻为： 总电阻： 则： 例 题 (3) 由叠加原理，计算电压源 、 共同作用时各支路中的电流 、 和 思考与练习： 思考与练习： 用叠加定理计算图中电阻 R 中的电流。功率是否能用叠加定理计算？