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1、电工技术基础电工技术基础高职高专精品课程规划教材前前 言言 本书适用于机械、汽车、建筑、水利、纺织、农业等专业的电工技本书适用于机械、汽车、建筑、水利、纺织、农业等专业的电工技术知识学习。全书共术知识学习。全书共8个模块，内容包括直流电路、交流电路、变压器、个模块，内容包括直流电路、交流电路、变压器、交流电动机、直流电动机、继电一接触器控制、安全用电和电气设备。交流电动机、直流电动机、继电一接触器控制、安全用电和电气设备。每一个模块还配有思考题与习题。每一个模块还配有思考题与习题。本书内容在教学中针对不同的专业可做不同的处理。全部内容可本书内容在教学中针对不同的专业可做不同的处理。全部内容可5
2、668学时内完成。各模块教学学时大致分配如下学时内完成。各模块教学学时大致分配如下:模块一为直流电路，模块一为直流电路，需需10学时学时;模块二为交流电路，由于该模块包含单相交流电、三相交流模块二为交流电路，由于该模块包含单相交流电、三相交流电、电工仪表三方面的内容，需电、电工仪表三方面的内容，需12-16学时学时;模块三为变压器，需模块三为变压器，需4学学时时;模块四为交流异步电动机，需模块四为交流异步电动机，需6-8学时学时;模块五为直流电动机，需模块五为直流电动机，需4学时学时;模块六为继电一接触器控制，需模块六为继电一接触器控制，需12-16学时学时;模块七为安全用电，模块七为安全用电
3、，需需2学时学时;模块八为电气设备，需模块八为电气设备，需4-6学时。学时。下一页对于一些专业，模块八可作为选学内容。对于一些专业，模块八可作为选学内容。为适应高等职业教育的改革要求，突出学生实践技能和创新能力培为适应高等职业教育的改革要求，突出学生实践技能和创新能力培养，本书在编写时力求体现以下特点养，本书在编写时力求体现以下特点:(1)教材紧扣高等职业教育教材紧扣高等职业教育“强调应用，注重实践强调应用，注重实践”的指导思想，的指导思想，内容具有较强的针对性和实用性。内容具有较强的针对性和实用性。(2)以任务驱动的方式编写，以技能训练为主线，结合必要的理论以任务驱动的方式编写，以技能训练为
4、主线，结合必要的理论知识，做到理论与实践的有机结合。知识，做到理论与实践的有机结合。(3)本书要求在学中做，在做中学，通过理论与实践的结合，培养本书要求在学中做，在做中学，通过理论与实践的结合，培养学生电工技术的基本技能。学生电工技术的基本技能。由于时间仓促和编者学识有限，书中难免存在诸多错漏和不妥之处，由于时间仓促和编者学识有限，书中难免存在诸多错漏和不妥之处，敬请广大读者提出批评和改进意见。敬请广大读者提出批评和改进意见。前前 言言上一页总总 目目 录录模块一模块一 直流电路直流电路模块二模块二 交流电路交流电路模块三模块三 变变 压压 器器模块四模块四 交流异步电动机交流异步电动机模块五
5、模块五 直流电动机直流电动机下一页模块六模块六 继电一接触器控制继电一接触器控制模块七模块七 安全用电安全用电模块八模块八 电气设备及其布置电气设备及其布置总总 目目 录录上一页模块一模块一 直流电路直流电路课题一 电路基本知识课题二 电路基本定律课题三 电路基本分析方法及应用【知识点】(1)掌握电路的组成和作用。(2)掌握电路的基本物理量，理解电流、电压的真实方向和参考方向。(3)理解实际电源与电源模型的关系。(4)掌握电路的工作状态及特点。【技能点】(1)认识电路元件，会正确使用电路元器件连接直流电路。(2)会正确使用电压表、电流表测试直流电压和电流。(3)理解电器的额定参数的意义，会正确
6、使用电器。(4)防止短路事故。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页 任务一 直流电路的基本物理量的测量 【任务导入】什么是电路?首先来看看日常生活中最常见的两个电路例子，一个是手电筒电路，如图1-1所示，图1-1(a)、图1-1(b)分别是手电筒的结构不意图和原理电路图。手电筒电路中供给灯泡发光的电源是电池，它是直流电源，所以这是一个直流电路。另一个电路例子是室内照明电路，如图1-2所示，它是由交流电源供电的电路，称为交流电路。模块一只介绍由直流电源组成的直流电路，交流电路将在模块二中介绍。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本
7、知识 手电筒电路虽是一个简单的直流电路，但是它具有组成电路的基本元索电源、负载和连接电源与负载的中间环节，体现了电路的共有特性。【相关知识】一、电路的组成 从前面所举的手电筒电路和室内照明电路可以看出，电路由三个基本部分组成。1.电源 如手电筒电路中的干电池，它是电路中电能的来源，一般称为电源。它是将其他形式的能量转换成为电能的装置。如电池将化学能转换成为电能、发电机将机械能转换成为电能，等等。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 2.负载 用电设备被称为负载，它是将电能转换成其他形式能量的装置。例如，手电筒中的灯泡就是负载，它将电能转换为光能。还有其他的用电设备，如电动机将电能
8、转换为机械能，电热器将电能转换为热能，等等。在直流电路中，负载主要是电阻性负载，电阻的基本性质是对流过它的电流具有阻碍作用，阻碍作用的大小用电阻值来表不，电阻将其电能转换成为热能。3.中间环节 中间环节主要是连接导线和控制电路通断的开关电器，它们将电源及负载连接起来，构成电流通路。此外，中间环节还包括保障安全用电的保护电器，如熔断器(俗称保险丝)等。下一页上一页 电源、负载、中间环节是组成电路的“三要索”。所以，电路就是由电源、负载及中间环节等电器设备组成的总体，是电流流通的闭合路径。二、电路符号与原理电路图 在实际电路中，电路元件是多种多样的。在分析、研究电路问题时，不可能把这些实际元件直接
9、表不在电路中，而是采用一些电路符号来表不。常见的理想电路元件符号如图1-3所示。用电路符号表不实际电路元件和器件，用线条表不电流流经电路(导线)，所绘出的电路图称为原理电路图。手电筒的原理电路如图1-1(b)所示。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 除了上面列举的两个电路外，还有其他功能的电路，各种电路的作用基本可归纳为两方面的功能。第一，电能的传送、分配与转换。例如，电厂的发电机产生电能(电流)，通过变压器、输电线等送到用电单位，并通过负载把电能转换成为其他形式的能量(如机械能等)。这就组成了一个十分复杂的供电系统电路。在模块二中将会介绍的单相交流电路和三相交流电路就是这种功能电路的典型
10、运用。第二，进行电信号产生、传输和处理等。例如，日常生活中使用的扩音机、电视机、手机以及生产和科研中使用的电子自动控制设备、测量仪表、计算机等电子电路。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 在现代电路中，除了“电路”的概念之外，现在还经常用到“网络”概念，这两个概念既有一定的区别，有时又是通用的名词。通常“网络”的含义更具有普遍的适用性，特别是在讨论普遍规律及复杂的电路问题时，常常把电路称作网络。而在讨论比较简单或者是某一具体电路时，则比较多地使用“电路”这个名词。所以，可以认为网络是电路的泛称。如现代因特网、电话网络等。三、电路中的基本物理量 从上面介绍的两个电路已经看到，电路
11、的功能是进行电能的传输和电能与其他形式能量之间的相互转换。为了分析计算电路的工作状况和电路中能量相互转换的情况，必须用一些物理量来表不电路的状态及电路各部分之间能量转换的相互关系。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识电路中常用的物理量主要是电流、电压(电位)、电动势、电功率、电功。在这里对这些物理量做简要的介绍。1.电流 (1)“电流”的物理意义。第一，在电场的作用下，电荷有规则的运动就形成了电流。第二，电流是具有大小和方向的物理量。电流的大小用电流强度(I或i)来表不。电流强度是指在单位时间内通过导体横截面的电荷量。如果电流是随时间变化的，假设在dt时间内通过导体横截面的电荷量
12、为dq，则电流强度为:所以说，电流强度就是流过导体横截面的电荷量对时间的变化率。如果电流的大小和方向都不随时间变化，则称为恒定电流或直流电流，这时的电流强度规定用大写字母I来表示，则下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页 (1-1-1)式中，q是时间t间隔内通过导体横截面的电荷量。电流强度一般简称为电流。(2)电流的单位。电流这个物理量的单位是安培(库仑/秒)，简称“安”，常用大写字母A来表示。根据不同的负载情况，电流大小的差别很大。动力用电动机的电流达到几十甚至上百安培，而电子电路中的电流则常常只有百分之几，甚至千分之几安培。对于较小的电流可以用毫安(mA)或微安(p
13、A)作单位，它们的关系是:1 A=103 mA=106 A课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 (3)电流的真实方向和正方向。电荷的有规则移动形成了电流，而形成电流的电荷可能是正电荷(如正离子)，也可能是负电荷(如电子或负离子)。于是电流就有一个方向问题，在物理学中有关电流方向规定是把正电荷运动的方向作为电流的方向。图1-4中所表示的手电筒电路中电流的实际方向是电流从电源正极流出，经负载后流回电源的负极，这是手电筒电路中电流的真实方向或称实际方向。对于直流电路，在简单电路中，电流的真实方向能够很容易地通过电源的电压极性确定下来，但是在比较复杂的电路中，一段电路里电流的真实方向往往很难预先确定
14、下来;在交流电路中，电流的大小和方向都是随时间变化的(这方面的内容将在模块二中介绍)。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 这时，电流的方向又怎样表不呢?因此，由于分析和计算电路的需要，引入了电流参考方向的概念，参考方向又叫假定正方向，简称正方向。所谓正方向，就是在一段电路里，在电流两种可能的真实方向中，入为地任意选择一个方向作为参考方向。当实际的电流方向与假定电流方向相同时，电流是正值;当实际的电流方向与假定电流方向相反时，电流是负值。在图1-5中，实线箭头是设定的电流正方向，虚线箭头表不的是该段电路中电流的真实方向。其中图1-5(a)表T的电流真实方向与正方向一致，在电路计算
15、中1是正值;图1-5(b)表不电流正方向与真实方向相反的情况，电流1是负值。电流值的正负与正方向的选取有关。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 电流的正方向是分析计算电路时事先假定的电流方向，它可以是任意设定的。当一个直流电路的元器件参数确定之后，电路中各部分电流的真实方向也就全部确定了，它不受正方向的影响，正方向的改变，只影响计算电流的正、负符号。在规定了正方向之后，电流是一个代数量，分析计算出电流的正、负只表明实际电流方向与假定方向的一种关系也就是说，某一个电流是正还是负，都是相对某一假定正方向来说的。今后在电路图中，所标注的电流方向一般都是假定正方向。在分析和计算电路的电
16、流时，首先假定电流的正方向，当计算出电流为正时，说明电流的真实方向与假定方向相同，若计算出电流为负，则说明电流的真实方向与假定方向相反，这样就确定出电路中电流的真实方向。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 2.电压与电位 (1)电压。电压是描写电场力做功本领大小的物理量。电荷在电场力的作用下运动形成电流，电场力移动电荷运动做功。为了描述电场力对电荷做功的本领，引入了“电压”这个物理量。在电场中，电场力把正电荷从A点移动到B点所做的功与被移动电荷电量的比值称为A,B两点之间的电压UAB，A、B两点的电压也叫A、B两点间的电位差，用UA、UB表示电场中A、B两点的电位，则A,B两点
17、的电压为UAB=UA-UB。电压的方向由高电位端指向低电位端。如图1-4中，电源使电流经过电阻R，在R两端产生电势(位)降U。不随时间变化的电压是直流电压，用大写字母U来表T。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识电压的单位是“伏特”，常用字母V来表不，较大的电压单位有千伏(kV),1kV=1 000 V，较小的电压单位有毫伏(mV)和微伏(V),1V=1 000 mV,l mV=1 000V。(2)电位。电位在物理学中也叫电势，它是表不电场中某一点能量性质的物理量，而且是相对于确定的参考点而言。电场中某点八的电位在数值上等于电场力将单位正电荷自该点沿任意路径移动到参考点电场力所做
18、的功。A点电位用UA表示。将电位与电压的概念进行比较，可以看出，电场中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。电位的单位也是伏特，且规定参考点的电位为零，所以参考点又叫零电位点。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 某点的电位与零电位点的选取有关。在物理学中，常选择无限远处或大地作为参考点。而在电工学中，如果所研究的电路里有接地点，通常就选择接地点作为参考点，用 符号表示。在电子电路中常取若干导线的交汇点或者机壳作为电位的参考点，并标以符号表示。在一般的原理性电路中，可选取多条导线汇集的公共点作为参考点。必须注意，在研究同一问题时，参考点原则上可以任意选取，但一经选定，就不能更改了
19、，相应的其余各点电位也就确定了。在一个电路中，参考点一旦选定，其余各点的电位就有唯一确定的数值。如图1-6所示一段电路中有A、B两点，在电源电动势的作用下，正电荷自A移动到B，电场力做正功，表明这段电路是吸收电能的，下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识而且，正电荷在A点时比在B点具有更高的做功能力，即A点是高电位点，B点是低电位点。在图1-6所示的电路中，选取O点为参考电位点，UA=12 V,UB=8V，UAB=UA-UB=4V。(3)电压的正方向。在实际应用中，仅仅知道两点间的电压数值往往是不够的，还必须知道这两点中哪一点电位高，哪一点电位低。例如，对于直流电动机来说，绕组两端
20、的高、低电位不同，电动机的转动方向可能是不同的。在实际应用中，要求知道电压的大小，还要知道电压的极性，即电压的方向。图1-6中包含了几个物理概念:电位(UA、UB)、电压(UAB)、电压正方向(即参考方向，图中的箭头)和电压实际方向的概念。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 在电工学中规定，一段电路上，电压的实际方向是由高电位点指向低电位点。也就是说，沿着电压的实际方向，电位是逐点降低的。正电荷沿着这个方向运动，将失去电能，并转换成为其他形式的能量。在分析和计算电路问题时，由于要分析电路在可能较复杂的情况下，电路中各段电压的真实方向难以确定时，或者该段电压的极性是随时间不断变化
21、时，像规定电流的正方向一样，需要为电压规定一个正方向。一段电路上电压的正方向也是可以任意规定的。如图1-4中，规定A点为高电位点，标以“+”号，B点相对于八点是低电位点，标以“-”号，即假定这一段电路电压的正方向是从八点指向B点，并用箭头的指向来表示。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识当电压的实际方向与事先假定的正方向一致时，电压为正值;当电压的实际方向与事先假定的正方向相反时，电压为负值。这表明，在引入了正方向之后，电压也是一个代数量。电压的正方向根据习惯，可以用三种方法表示:用“+”、“一”符号表不，“+”表不假定的高电位端，“-”表示假定的低电位端。用箭头的指向来表不，由
22、假定的高电位端指向低电位端。用双下标字母表示电压。如在图1-6中，假定AB段电压的正方向是从A指向B，则给电压符号U加双下标AB，即用UAB表示：第一个下标字母A表示假定的高电位点，第二个下标字母表不假定的低电位点。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 这三种方法所代表的意义是相同的，可以相互通用，实际使用时可以任选一种。同样以图1-6所示电路为例，将电压正方向改为图1-7所示,UA=12V,UB=8 V,UBA=-4 V，式中的“-”号说明假定电压正方向与电压实际方向相反。通过以上的分析可知，如同规定电流的正方向一样，电压的正方向也是在分析与计算电路问题时人为引入的。对于某一段
23、电路来说，借助于规定的正方向及电压的正、负值，就能确定出电路中电压的实际方向。电压的正方向原则上可以任意选取。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 对于电位与电压这两个概念，既要看到它们之间的区别，又应看到两者在本质上是相同的。电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。电路中两点之间的电压就是这两点的电位之差。例如，在图1-7中选取电源负极O点作为参考点，则A、B两点的电位分别是UA、UB，A，B两点之间的电压UBA=UB-UA=-4 V。因此，电压又叫电位差。将图1-7所示的电路改成图1-8所示的电路，参考点选取在B点，UAB=4 V，UOB=-8 V,UOA=UAB-UOB
24、=12 V。可见，电压(电位差)与参考点的选取是无关的。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 在电路分析计算中，虽然电流正方向和电压正方向都可以任意选取，但在实际应用中一般只设定其中一个(电流正方向或电压正方向)，另一个也就相应确定了(在电流正方向与电压正方向选取一致的情况下，即关联正方向)。在同一段电路中，电流的正方向与电压的正方向一致，即表示电流从高电位点流向低电位点。在这种正方向表示情况下，欧姆定律为U=IR，可避免由于电流和电压正方向任意选取带来的符号问题。3.电动势 Q)电动势的概念。电动势是表T电源做功能力的物理量。在
25、图1-1(a)手电筒电路所表不的一个完整电路中，在电源以外的部分电路，正电荷总是从电源的正极流出，最后流回电源负极。也就是电流从高电位点流向低电位点，这是电场力推动正电荷做功的结果。为了在电路里保持持续的电流，在电源内部就必须使正电荷从电源负极经过电源内部，移动到电源正极。在电源内部具有某种非电场力，这些非电场力能够把正电荷自电源负极移动到正极。如电池内部因化学作用而产生的化学力、发电机内部因电磁感应作用而产生的电磁力等都是非电场力。在这个过程中，电源把其他形式的能量转换成为电能。为了表征电源内部非电场力对正电荷做功的能力，也就是电源将其他形式能量转换成为电能的本领，引入了“电动势”的概念。电
26、动势在电路中常用字母符号E(或e)来表示。电动势在数值上等于非电场力把单位正电荷从负极经电源内部运动到正极时所做的功。下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页根据这个定义，电动势的单位也是伏特。(2)电动势的正方向。因为电动势的作用是使正电荷从低电位点移动到高电位点，使正电荷的电位能增加，所以规定电动势的真实方向是经电源内部指向电位升高的方向，这与电源端电压的真实方向相反。图1-9是直流电压源的表T符号，其正、负极分别用+、-标出，其电动势的真实方向从负极指向正极。在分析与计算电路的过程中，也可以为电动势规定一个正方向。如图1-10所示电源电动势的正、负极性和数值大小12
27、 V在图中已标出。在图1-10(a)中取电动势正方向与真实方向相同，则E=12 V;在图1-10(b)中，电动势的实际方向与假定的正方向相反，则E=-12 V。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页可见，在规定的正方向之下，电动势也是一个代数量，通常仅在图中标出电动势的正、负极。如果将一个完整的电路分为电源电动势和外电路两部分，电动势的两端电压，就是外电路负载的负载电压。在电路分析计算中，常将电源等效为电压源和电流源，电路符号如图1-11所示。4.电功率与电功 使用电路的目的就是进行电能与其他形式能量之间的转换，所以在电路的分析与计算中还经常用到电功率和电功两个物理量。(1)电功率
28、。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识在图1-12中，正电荷q从电路中A点经负载R移到B点，根据电压的定义很容易得到电场力所做的功W=UABq。因为q=I t,所以也可以写作W=UABq=UABIt。单位时间内电场力所做的功就是电功率，用P表示，则 (1-1-2)在国际单位制中.电压的单位是伏特.电流的单位是安培.则功率的单位是瓦特.简称瓦(W)。1 W功率等于每秒消耗(或产生)1J的功。功率的单位除了瓦之外.还有千瓦(kW)或毫瓦(mW)作单位.关系是 1 kW=1 000 W=103 W 1 mW=0.001 W=10-3 W (2)电功
29、。一段时间/内电路所消耗(或产生)的电功(电能).用W表示下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 W=Pt (1-1-3)工程上.电功的单位经常不是用物理学中的焦耳.而用瓦特小时或千瓦特小时(千瓦小时)来表示。通常所说的千瓦小时可以这样理解:就是其额定功率是1 kW的电器(如1 kW的电炉)在额定状态下工作1h所消耗的电能。(3)电功率的正和负。对于一段只包含电阻元件的电路来说.它总是吸收电功率的.这可以从电阻的功率公式看出:P=I2R。不管电流是正值还是负值.尸总是正值。但是当用功率的一般适用公式P=UI来计算这段电阻电路的功率时.却可能得到正值.也可能得到负值如果在U,I关联正
30、方向的情况下.计算出的功率P是负值.则表明该段电路输出(产生)电功率。下一页上一页这是因为P为负.表明U,I是相反符号的.电流(正电荷)从低电位点流向高电位点.这需要有非电场力来克服电场力做功。这一段电路里应该包含有电源.它将其他形式的能量转换成为电能.从电源两端看电源内部功率为负值.电源输出了电功率.而电源的外部电路功率为正值.吸收了电功率。【任务实施】一、工具、器材准备 (1)数字万用表1只。(2)实验电路板(台)。(3)测量电路.如图1-13所示。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 二、测试内容 1.用数字万用表测直流电流 在测量中.用数字万用表测直流电路时.数字万用表有红(插在表的
31、+端)、黑(插在表的COM端)两只表笔.当电流从红表笔流进.从黑表笔流出时.数字万用表显T电流为正值.反之为负值.测量电路如图1-14所示。相当于给电流假定了一个正方向.当电流从表的正端流进.负端流出时电流为正值.反之为负值。2.用数字万用表测直流电压(电位)如图1-15中数字电压表U，正端接A.负端接B.数字电压表U:正端接O.负端接B.表U1,读数为+4V.而表U读数为-8 V,UAO=UAB+UB=UAB-UOB=12 V。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页再用表测UAO和UOA，也与测电流一样.电压表从正端到负端相当于设定了一个电压正方向。3.用数字万用表测直流电路电流
32、、电压计算功率 如图1-13和1-14所示。测出流过电阻R和R2的电流和R1、R2两端电压.根据P=UI计算电阻R1，和R2所消耗的电功率。计算电源功率P=EI。验证电阻上消耗的电功率等于电源供给的电功率。将测试结果填入表1-1中。任务二电路的工作状态 【任务导入】课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 在实际用电过程中.根据不同的需要和不同的负载情况.电路工作在不同的状态。如电路中电源与负载之间是接通状态.或者是断开状态等。其中有的电路状态不是正常的工作状态.而是事故状态.应尽量避免和消除因此.了解并掌握使电路处于不同状态的条件和
33、特点是正确、安全用电的前提。由于通常所用的电源以电压源为主.本任务中就电源为电压源的情况来进行讨论和分析。相关知识 一、开路 开路又叫断路.典型的开路状态如图1-16所示。电源与负载之间用双刀开关S断开.也就是电源与负载末构成闭合回路，电源与负载处于断开状态。这种情况主要用于负载不用电时.或者检修电路故障等情况。电路开路的特点:(1)因为末构成闭合电路.电路中的电流必为零.即I=0。(2)开关S两侧的电压是不同的。在负载一侧U2=0;在电源一侧U1=E=12 V。(3)此时电源不向负载提供电功率.电路中也无电功率的转换.所以这种状态又叫电源的空载状态。即电源功率PE=EI=0;负载功率PR=U
34、I=0。二、短路 电路中任何一部分被电阻等于零的导线直接连通起来.课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页下一页上一页使该电路两端的电压为零.这种现象就叫短路图1-17所示的是电源被短路的情况.电源两端被一条导线直接连通。电路短路的特点:(1)电源直接经过短路导线形成闭合回路.电流不再流过负载.故负载电流I=0。流经电源的电流IS(设电源内阻为R0，导线电阻r=0,IS=E/R0，叫短路电流。通常电源内阻R0总是很小的.比负载电阻要小得多.所以短路电流IS很大，大大超过了电路的正常工作电流。例如一节干电池电动势为1.5 V，内阻为0.1，若不慎发生电源短路.则短路电流IS=/R0=1
35、.5/0.1=16 A。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识 (2)电源的端电压U1=0。因为这时外电路的电阻近似为零。电源的电动势全部降落在内阻上.即E=ISR0。(3)电源功耗很大。虽然负载中无电流通过.端电压近似为零.故负载吸收的电功率PR=0。但此时.电源产生的电功率全部消耗在内阻上.即PE=EIS=IS2IR0。电源被短路时.将形成极大的短路电流.电源功率将全部消耗在电源内部.产生大量热量.可能将电源立即烧毁。对于发电机来说.过大的短路电流还会使各部分导体之间产生强大的电磁力.使发电机的机械结构遭到破坏。电源短路是一种严重的事故状态
36、.在用电过程中应注意避免。为了防止电路出现短路事故.在电路中都加装有保护设施.如最常见的是在电路中串接熔断器.下一页上一页以便在发生短路事故时.熔断器熔断使故障电路与电源自动断开.避免发生严重的后果。三、负载工作状态及额定工作状态 1.负载工作状态 如图1-16所示，当电路中开关S闭合之后.电源与负载接通.产生电流.并向负载输出电功率.也就是电路中开始了正常的功率转换。这种工作状态就叫负载状态.电路工作状态的特点如下:(1)电路中的电流I=E/(R0+R)。式中.R0是电源的等效内阻.R是电路的负载电阻。(2)负载端电压也就是电源端电压U=IR=E-IR0。课题一课题一 电路基本知识电路基本知
37、识下一页上一页课题一课题一 电路基本知识电路基本知识在电源具有内阻的情况下.电源端电压U总是小于电动势E.只有当电源内阻凡)极小时.UE。(3)功率转换关系。由电压平衡方程式E=IR0+IR.两边乘以电流I.就可以得到功率平衡方程式:EI=I2R0+I2R。电源电动势产生的总电功率PE=EI等于电源内阻R0和负载电阻R所消耗的电功率(I2R0+I2R).即能量守恒。2.额定工作状态 为了使设备能够长期安全可靠地运行.就必须给电器设备加上合适的额定值.如额定电流、额定电压、额定功率等。额定电流是电气设备在一定环境温度下长期连续工作或在规定时间内所容许通过而不会引起设备损坏的最佳电流。下一页上一页
38、额定电压是电气设备正常工作时的端电压。额定功率是电气设备在额定电压和额定电流状态工作时的输出功率或输入功率。如常见的自炽灯泡的额定电压是220 V.额定功率有15 W,25 W,20 W,100 W等。电气设备在实际运行时.应严格遵守各有关额定值的规定。如果设备在额定值运行.则称为额定工作状态。电气设备不能在偏离额定值较大的状态下工作。在低于额定值的状态下运行时.不仅设备末能被充分利用.不经济.而且可能使工作不正常.严重时还可能损坏设备.例如.电动机在低于额定电压值之下工作.就存在这种可能性。设备在高于额定值下工作时.当超过额定值不多.且持续时间也不太长时.课题一课题一 电路基本知识电路基本知
39、识下一页上一页不一定会造成明显的事故.但可能影响设备的寿命.所以一般是不允许的。【任务实施】一、工具、器材准备 (1)数字万用表1只。(2)实验电路板(台)(3)测量电路.如图1-16所示。二、测试内容(1)电路如图1-16所示设电源E=6 V。开关S断开.测量U1;开关合上.测量U2。将测试结果填入表1-2中.并计算出相关值。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识返 回上一页 (2)将0.125 W的10 SZ电阻接入6 V电路中.观察电阻(用手轻触电阻.注意烫伤)的变化。(3)观察电气设备的额定电压、额定电流和额定功率(白炽灯泡、电动机铭牌等)。课题一课题一 电路基本知识电路基本知识知识点
40、(1)全电路欧姆定律的应用。(2)基尔霍夫电流定律。(3)基尔霍夫电压定律。(们会用全电路欧姆定律和基尔霍夫定律分析电路。【技能点】(1)会用仪表验证全电路欧姆定律。(2)会用仪表验证基尔霍夫电流定律。(3)会用仪表验证基尔霍夫电压定律课题二课题二 电路基本定律电路基本定律下一页 任务一 全电路欧姆定律 【任务导入】在物理学中已学过欧姆定律.即流过一个电阻元件R的电流I与这个电阻元件两端的电压U之间满足下面关系:U=IR或I=U/R.R=U/I 相关知识 电路如图1-18所示电路中的电源不是理想电压源.R0为电源电动势E的内阻。R为电路外接负载电阻。由于电路中电动势E、内阻R0负载电阻R是一个
41、串联电路.电路中流过各个元件的电流1相同.所以有课题二课题二 电路基本定律电路基本定律下一页上一页下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律 E-IR0=U=IR 或E=IR0+IR=I(R0+R)(1-2-1)式(1-2-1)表明.电源电动势E等于内阻尺)上电压降与负载电阻R上电压降之和。这就是全电路欧姆定律。【任务实施】一、工具、器材准备 (1)数字万用表1只。(2)实验电路板(台)。(3)测量电路.如图1-19所示。二、测试与验证下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律 电路如图1-19所示将开关S断开和将开关S闭合.读出电压表U的值.请将测试结果填入表1-3中.并计算
42、出相关值。任务二 基尔霍夫定律 【任务导入】欧姆定律表述了线性电阻元件两端电压与流过电阻元件电流之间的关系。而基尔霍夫定律则是从电路的全局和整体上.阐明了电路中各部分电压、电流之间所遵循的规律.在电路的分析与计算方面有十分重要的作用。相关知识 为了说明基尔霍夫定律的内容.首先要介绍几个相关的术语。下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律 节点(也有用结点):电路中三条或三条以上连接有电器元件的导线连接点。支路:连接任何两个节点之间的一段电路称为支路如图1-20中A、B两节点之间包含有三条支路。回路:电路中任何一条闭合的路径叫回路。通常回路都是由若干支路将一些节点连接起来构成的。从电路
43、中某一点出发.沿任意支路循行一周.仍回到原来的出发点.就形成了一个回路。图1-20所示电路中有三个回路.从节点A出发.分别经ADBA、ACBA、ADBCA构成三个回路。有时用至少网孔”的概念。网孔是一种最简单的回路.在网孔中间没有支路穿过.如同渔网中的一个个网眼。下一页上一页图1-20中的ADBA，ACBA两个回路就是网孔。1.基尔霍夫电流定律 基尔霍夫定律包括第一定律.即基尔霍夫电流定律.缩写为KCL;第二定律.即基尔霍夫电压定律.缩写为KVL。KCL的内容是:在任一瞬时.电路中任何一个节点.流入节点电流的总和等于流出该节点的电流总和。如图1-21所示的电路.电路中与节点八相连接的三条支路电
44、流分别为I1，I2，I3，对于节点A有I1=I2+I3。KCL写成普遍使用的表示式为 (1-2-2)课题二课题二 电路基本定律电路基本定律下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律 基尔霍夫电流的另一种表不形式:在任一瞬时.流经任何节点的电流的代数和等于零。普遍表达式为 (1-2-3)在这里一般规定:流入节点的电流为正.流出节点的电流为负。当然.也可以做相反的规定。基尔霍夫电流定律的理论基础则是电流连续性原理如果流入某节点的电流不等于流出节点的电流.那就意味着节点上有电荷的积累或消灭.这就违背了电荷守恒定律电流连续性原理。基尔霍夫电流定律不仅仅适用于节点.还可以扩展应用于电路中的某一部
45、分。将电路的某一部分看成是一个大节点.又叫广义节点。对于这样一个广义的节点.KCL也是成立的。下一页上一页2.基尔霍夫电压定律 在线性电阻及电压源组成的回路内.KVL的内容是:在闭合回路中.电源的电动势E表示电位升.各段电阻的电压IR则表示电位降。在任一瞬时.沿任一个闭合回路绕行一圈回路中电动势的代数和等于电压降的代数和。即 (1-2-4)以电路图1-22为例.图中带箭头的虚线为绕行方向.电流I1和I2箭头设定为正方向。列写KVL方程的步骤是:(1)设定一个绕行方向。课题二课题二 电路基本定律电路基本定律下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律 (2)回路中电动势的正方向和电压降的正
46、方向与绕行方向一致时取正.相反时取负。(3)分别写出等式的两端电动势和电压降的代数和。列写KVL方程时需注意的是:注意将电动势的代数和与电压降的代数和分别列写在方程式的两边。当某一段电路中的电流(电压降)的方向不定时.应首先假定该支路电流的正方向.电阻压降的正方向与电流正方向关联一致。确定电动势和电压的正、负符号的原则:当电动势方向与绕行方向一致时.为正值(电位升.如图1-22中的+E1);反之.则为负值(电位降.如图1-22中的E2)。电压IR的正、负规定是:当电流I的正方向与绕行方向一致时为正值(电位降.如+I1R1).下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律反之为负值(电位升.
47、如-I2R2)。如图1-22所示电路中沿abcda绕行一圈时:从。到b的电阻是R2，流过R2的电流是I2，I2的方向与绕行方向相反.是电位升.所以为-I2R2;从b到c的电动势E2,绕行方向与电动势方向相反.是电位降.所以为-E2;从c到d的电动势E,绕行方向与电动势方向相同.是电位升.所以为+E1;从d到a的电阻R1，流过R1的电流是I1，I1的方向与绕行方向相同.是电位降.所以为+I1R1。根据KVL写出回路方程:E1-E2=I1R2-I2R2下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律KVL也可以写成如下形式:(1-2-5)式(1-2-5)表T在任一瞬时.沿闭合回路绕行一周.各段电
48、压的代数和等于零。它是KVL的普遍适用形式.沿闭合回路绕行过程中.无论遇到什么元件(可以是线性元件.也可以是非线性元件;可以是电压源.也可以是电流源).回路中各兀件的端电压的代数和为零。例如.如图1-23所示的放大器电路.晶体三极管V的集电极c和发射极e之间的电压为Ucc当知道晶体管集电极电流Ic和发射极电流Ic时.可列出回路方程(图中带箭头的虚线框为绕行方向):Ucc=IcRc+Uce+IeRe 有 Uce=Ucc-IcRc-IeRe下一页上一页课题二课题二 电路基本定律电路基本定律请在图1-22中选择不同的绕行方向.验证列出的KVL方程式与选择的绕行方向无关。【任务实施】一、工具、器材准备
49、 (1)数字万用表1只(或电流表、电压表各1只)。(2)实验电路板(台)。(3)测量电路.如图1-21所示。二、测试与验证 1.验证基尔霍夫电流定律 用电流表测出各支路电流.将测量结果填入表1-4中.验证流入节点电流I入等于流出节点电流I出。下一页上一页 2.验证基尔霍夫电压定律 在图1-21电路中选两个网孔作为回路.左边一个网孔叫回路1.右边一个网孔叫回路2.分别测出各电阻上的电压降.将测量结果填入表1-5中.验证回路1和回路2的电压升等于电压降。任务三 用电位分析计算电路 【任务导入】在模块一中已经介绍过了电位的概念.在电路分析中.特别在电子电路中.常在电路中设定一个节点为参考点(常称为“
50、地”).电路中其他各节点对参考点的电压.就是该点的电位。用电位来对电路进行分析和计算.使分析计算更为方便.而且物理概念也很清楚、分析也更简化。课题二课题二 电路基本定律电路基本定律下一页上一页例如.在电子电路中电源用电位表不.在判断和分析晶体三极管放大器的工作状态时.经常使用电位来描述晶体三极管各极之间的电压高低。本任务介绍用电位来表不和计算电路的工作状态。相关知识 从本质上说.电位与电压是同一概念.电路中某一点的电位就是该点到参考点的电压。这里有一个十分重要的概念就是“参考点”.常称参考点为“地”.与其相连的导线叫“地线”.参考点是电路的零电位点。另外就是参考点的选择.参考点的选择原则是可以