電工基礎(chǔ)-課件(1)

1、第1章電路的基本概念1.1電流1.2電動(dòng)勢、 電壓和電位1.3電路1.4電阻和歐姆定律1.5電能和電功率本章小結(jié)習(xí)題實(shí)驗(yàn)一直流電流、電壓的測量 1.1 電 流我們知道生活中的白熾燈之所以會(huì)發(fā)光發(fā)熱， 是因?yàn)橛须娏髁鬟^電燈內(nèi)部。 那么到底什么是電流？電流是怎么形成的， 又是怎樣流動(dòng)的， 人們又是怎樣來控制它的呢？1.1.1 電流的形成如圖1-1所示， 有A、 B兩個(gè)帶電體， A帶正電， B帶負(fù)電。 我們用一根金屬導(dǎo)線連接兩個(gè)帶電體， 發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線中有電荷的定向移動(dòng)。 這是為什么呢？圖1-1 電流的形成因?yàn)榻饘賹?dǎo)線中存在著大量帶負(fù)電的自由電子， 在無外加電場時(shí)， 這些自由電子做著無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)導(dǎo)

2、線兩端在A、 B帶電體的作用下產(chǎn)生電場時(shí)， 根據(jù)同性相斥、 異性相吸的原理，導(dǎo)體中的自由電荷不僅做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)， 還在電場力的作用下做定向移動(dòng)， 使導(dǎo)線中的自由電子由物體B流向物體A， 和A中的正電荷中和。 導(dǎo)線中自由電子中和完后， 物體B上的負(fù)電荷不斷補(bǔ)充， 這樣， 導(dǎo)線中一直存在著電子流， 直到A、 B兩帶電體上的電荷完全中和為止。 這種電荷沿一定方向有規(guī)律的定向移動(dòng)稱為電流。不同的導(dǎo)電材料中， 可以自由移動(dòng)的電荷不同。 在金屬導(dǎo)體中是帶負(fù)電荷的自由電子在外電場的作用下， 逆著電場方向運(yùn)動(dòng)形成電流， 如圖1-1所示。 在某些電解液或氣體中， 電流是正離子或負(fù)離子在外電場作用下規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成

3、的。 因此， 產(chǎn)生電流必須具備兩個(gè)基本條件： 內(nèi)部條件， 要有可做定向移動(dòng)的帶電粒子； 外部條件， 要有使帶電粒子做定向移動(dòng)的電場， 二者缺一不可。1.1.2 電流的類型電流的類型一般有四種， 其波形如圖1-2所示。 1. 穩(wěn)恒直流電流直流電流的方向是單向的， 用I表示。 電池的電流即屬于這種類型。 圖1-2(a)所示的波形是一種大小和方向都不隨時(shí)間而改變的電流， 稱為穩(wěn)恒直流電流。 直流電通常用DC(Direct Current)或dc表示。 2. 脈動(dòng)直流電流脈動(dòng)直流電流的特點(diǎn)是電流的方向不變， 電流的大小隨時(shí)間做周期性變化， 也記作DC。 圖1-2(b)所示的波形是一種脈動(dòng)直流電流。 某

4、些蓄電池的充電電流即屬于這種類型。 圖1-2 電流的類型(a) 穩(wěn)恒直流電流； (b) 脈動(dòng)直流電流； (c) 正弦交流電流； (d) 非正弦周期交流電流3. 正弦交流電流交流電流的大小和方向都隨時(shí)間做周期性的變化。 交流電流的瞬時(shí)值要用小寫字母i表示。 圖1-2(c)所示的波形是一種按正弦函數(shù)規(guī)律變化的交流電， 即正弦交流電流。 交流電通常用AC(Alternating Current)或ac表示。 多數(shù)企業(yè)用電以及日常生活中家用電器和照明使用的電流即屬于這種類型。 4. 非正弦周期交流電流電子技術(shù)中還有不按正弦規(guī)律做周期性變化的交流電流， 叫做非正弦周期交流電流。 圖1-2(d)所示的波形

5、是矩形波。1.1.3 電流的大小電流的大小常用電流強(qiáng)度(簡稱電流)來表示， 用單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量來定義。 對于直流電流， 在任一瞬間t通過電路的電荷量q都不變， 其電流為式中： I電流強(qiáng)度， 單位為安(A)。 q電荷量， 單位為庫(C)。 t時(shí)間， 單位為秒(s)。對于交流電流， 由于通過電路的電荷量一直在變化， 只能取一個(gè)非常小的時(shí)間間隔t， 若在此時(shí)間間隔內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量為q， 則此時(shí)電流為在國際單位制中， 電流的單位是安培， 符號為A(安)。 如果在1 s內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量是1 C， 則電流為1 A。 工程上還常用kA(千安)、 mA(毫安)或A（微安）作單位

6、， 其關(guān)系如下： 1 kA=103 A, 1 A=103 mA, 1 mA=103 A電流的大小可以用電流表（安培表）或萬用表的電流擋進(jìn)行測量。 先選擇好電流表的量程，使其大于實(shí)際電流的數(shù)值， 否則可能燒壞電流表。 測量時(shí)必須把電流表串聯(lián)在電路中， 使電流從表的正端流入， 負(fù)端流出， 如圖1-3所示。圖1-3 電流的測量1.1.4 電流的方向電流不僅有大小， 而且有方向。 正、 負(fù)電荷有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)都能形成電流， 以哪個(gè)為準(zhǔn)呢？習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较颉?因此， 在金屬導(dǎo)體中電流方向與自由電子定向移動(dòng)的方向相反， 在電解液中電流方向與正離子的移動(dòng)方向相同， 與負(fù)離子的移動(dòng)方向相反

7、。 電路中的電流方向是客觀存在的， 不借助儀表很難知道。 這就給具體分析電路， 尤其是分析復(fù)雜電路帶來了困難。 為解決這一問題， 引入電流參考方向的概念。 參考方向一經(jīng)選定， 電流就成為一個(gè)代數(shù)量， 有正負(fù)之分。 分析電路前, 先任意假設(shè)一個(gè)電流的參考方向。 分析電路時(shí)， 計(jì)算結(jié)果為正值， 表明電流的實(shí)際方向與參考方向相同， 如圖1-4（a）所示； 若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值， 則表明電流的參考方向與實(shí)際方向相反， 如圖1-4（b）所示。 圖1-4 電流參考方向與實(shí)際方向 (a) I0； (b) I0， 說明A點(diǎn)電位VA高于B點(diǎn)電位VB。 （2） 當(dāng)UAB0， 說明A點(diǎn)電位VA低于B點(diǎn)電位VB。 （3）

8、 當(dāng)UAB=0， 說明A點(diǎn)電位VA等于B點(diǎn)電位VB。 【例1.3】 分別說出圖1-16中A點(diǎn)的電位、 B點(diǎn)的電位和AB兩點(diǎn)間的電壓。圖1-16 電位與參考點(diǎn)的關(guān)系(a) C點(diǎn)為參考點(diǎn)； (b) B點(diǎn)為參考點(diǎn)解： （1） 圖（a）中， C 點(diǎn)為零電位點(diǎn)， 因此VC=0。 B點(diǎn)相對于零電位的電位為VB=E2=5 V， A點(diǎn)相對于零電位的電位為VA=E1+E2=8 V， AB兩點(diǎn)間的電壓為UAB=VAVB=85=3 V。 （2） 圖（b）中， B 點(diǎn)為零電位點(diǎn)， VB=0， A點(diǎn)相對于零電位的電位為VA=E1=3 V， AB兩點(diǎn)間的電壓為UAB=VAVB=30=3 V。 因此， 電路中選擇不同的參考

9、點(diǎn)， 各點(diǎn)的電位也將隨之改變。 但任意兩點(diǎn)間的電壓不變。 就和某人的身高不隨基準(zhǔn)點(diǎn)而變化的道理一樣。 1.3 電 路前面我們分別講解了電流、 電動(dòng)勢、 電壓和電位， 現(xiàn)在我們來研究一個(gè)閉合回路電路。 圖1-17（a）所示是一個(gè)實(shí)際的門鈴電路， 門鈴的開關(guān)按鈕裝在門外， 電源裝在墻里， 電鈴裝在室內(nèi)。 有客人按下按鈕， 電路閉合， 有電流流過喇叭， 電鈴響。 這就是電路。 生活中的電視機(jī)、 洗衣機(jī)、 電冰箱都要和電源、 導(dǎo)線構(gòu)成閉合電路， 電視機(jī)才出畫面， 洗衣機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)， 電冰箱才制冷。 圖1-17 門鈴電路(a) 門鈴的實(shí)際電路； (b) 電路原理圖1.3.1 電路的組成電路就是電流通過的路徑

10、， 由電源、 負(fù)載、 導(dǎo)線、 開關(guān)組成。 初學(xué)者往往不能一目了然各元件間是怎樣連接的, 但是， 用符號把電路連接情況表示出來， 那就很容易看出電路中各元件的連接情況了。 如圖1-17（b）所示是門鈴電路的原理圖，其電路的組成如圖1-18所示。 圖1-18 電路的組成1. 電源電源是提供電能的設(shè)備， 即能夠?qū)⑵渌问降哪苻D(zhuǎn)變成電能的裝置。 例如： 干電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能， 發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能等。 2. 負(fù)載負(fù)載是指電路中的用電設(shè)備， 能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成其他形式能的裝置。 通常所說的用電器就是電源的負(fù)載。 例如： 電燈將電能轉(zhuǎn)換成光能和熱能， 電爐將電能轉(zhuǎn)換成熱能， 電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能

11、等。 3. 導(dǎo)線導(dǎo)線起連接作用， 用來傳輸和分配電能。 導(dǎo)線常用銅、 鋁等金屬材料制成。 4. 開關(guān)開關(guān)起控制作用， 控制電源與負(fù)載的接通或斷開。 圖1-18所示電路的作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與轉(zhuǎn)換， 常用于電力及一般用電系統(tǒng)中，稱為電力電路。 電路的另一個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)電信號的傳遞、 處理和存儲(chǔ)， 這類電路稱為信號電路， 例如：計(jì)算機(jī)中的邏輯電路， 收音機(jī)、 電視機(jī)中的調(diào)諧電路和放大電路等。 1.3.2 電路的狀態(tài)電路的狀態(tài)有通路、 開路和短路。1. 通路通路指整個(gè)電路是閉合回路， 電路中有電流流過。 我們來看一下通路狀態(tài)下電路中電荷的運(yùn)動(dòng)。 如圖1-19所示， a端為電源正極， b端為電源負(fù)極，

12、電源在導(dǎo)線中施加從a指向b的電場， 因此在外電路中， 由于電場力的作用， 正電荷從 a經(jīng)過外電路運(yùn)動(dòng)到b， 形成電流。 圖1-19 電路中電荷的運(yùn)動(dòng)在電源內(nèi)部， 由于電源力的作用， 正電荷從b經(jīng)過內(nèi)電路運(yùn)動(dòng)到a， 形成閉合回路。 因此， 在圖中電源內(nèi)外電流方向都是順時(shí)針的， 在電源外部電流是從電源正極流向負(fù)極， 在電源內(nèi)部電流是從負(fù)極流向正極。 2. 開路（斷路）開路指電路斷開， 電路中沒有電流， 只有電源電動(dòng)勢， 此時(shí)用電壓表測得的電源端電壓即電源電動(dòng)勢， 如圖1-20所示。 圖1-20 電源電動(dòng)勢的測量3. 短路當(dāng)電源兩端被導(dǎo)線直接相連， 電流從電源正極流出， 經(jīng)連接導(dǎo)線直接流回電源負(fù)極，

13、 并未流經(jīng)負(fù)載， 這種狀態(tài)稱為短路狀態(tài)。 當(dāng)負(fù)載部分被短接時(shí)， 即為部分短路。 一般情況下， 短路時(shí)電流很大， 會(huì)損壞電源和導(dǎo)線， 在電力電路中， 應(yīng)盡量避免。 但在電子設(shè)備調(diào)試過程中， 為避免各部分的干擾， 有時(shí)要將電路某一部分短路， 使與調(diào)試無關(guān)的部分電路無電流而不工作， 僅需要調(diào)試的部分電路正常工作。 1.3.3 電路圖用規(guī)定的圖形符號表示電路連接情況的圖， 稱為電路圖。 各種電氣元件都可以用圖形符號來表示， 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定， 常用的部分電氣元件符號如表1-1所示。 1.4 電阻和歐姆定律1.4.1 電阻導(dǎo)體中的電荷在定向移動(dòng)時(shí)， 常與其他原子或電子碰撞而受到阻礙， 這種導(dǎo)體對電流的阻

14、礙作用稱為電阻。 例如燈泡、 電熱爐等電器中都存在這種阻礙作用。 不僅金屬導(dǎo)體有電阻，其他物體都有電阻。 電阻用符號R表示， 單位為歐姆（）。 常用的單位還有千歐（k）、 兆歐（M）等， 它們之間的關(guān)系如下： 1 k103 1 M106 導(dǎo)體的電阻由它本身的物理?xiàng)l件所決定。 實(shí)驗(yàn)證明， 當(dāng)溫度一定時(shí)， 金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長度成正比， 與橫截面積成反比， 還與材料的導(dǎo)電性能有關(guān)， 即符合電阻定律：式中： 導(dǎo)體的電阻率， 單位為歐米(m)。 l導(dǎo)體的長度， 單位為米(m)。 S導(dǎo)體的橫截面積， 單位為平方米(m2)。 R導(dǎo)體的電阻值， 單位為歐()。電阻率是反映材料導(dǎo)電性能的參數(shù)， 與材料的幾

15、何形狀無關(guān)， 而與導(dǎo)體材料的性質(zhì)和導(dǎo)體所處的條件有關(guān)。 在一定溫度下， 對同一種材料， 是常數(shù)。 表1-2列出了20時(shí)幾種常用材料的電阻率。不同的物質(zhì)有不同的電阻率， 電阻率的大小反映了各種材料導(dǎo)電性能的好壞， 電阻率越大，表示導(dǎo)電性能越差； 反之， 表示導(dǎo)電性能越好。 通常根據(jù)材料電阻率的大小， 將材料分為導(dǎo)體(107 m， 如石英、 塑料)和半導(dǎo)體（的大小介于導(dǎo)體與絕緣體之間, 如鍺、 硅）。 起連接作用的導(dǎo)線， 電阻要盡可能小， 故常用銅、 鋁等電阻率小的純金屬制成。 有些場合需使用電阻率較大的材料， 如燈泡的燈絲用鎢絲制作； 鎳鉻合金及鐵鉻合金常用來制作電熱元件， 它們在高溫時(shí)有足夠的

16、機(jī)械和抗氧化性， 且加工性能好。電工用具上的手柄起保護(hù)作用， 故用橡膠、 木頭等電阻率很大的絕緣材料制作。1.4.2 電阻與溫度的關(guān)系導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的情況如圖1-21所示。 可見， 導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化而改變。圖1-21 導(dǎo)體電阻與溫度的關(guān)系曲線溫度每升高1時(shí)電阻值所變動(dòng)的數(shù)值與原來電阻值的比值， 稱為電阻的溫度系數(shù)， 以字母表示， 單位為1/。 如果設(shè)任一電阻元件在溫度t1時(shí)的電阻值為R1， 當(dāng)溫度升高到t2時(shí)的電阻值為R2， 則電阻的溫度系數(shù)：即（1-1） 電阻的溫度系數(shù)反映了材料的電阻受溫度影響的程度， 顯然的絕對值越大， 表明電阻受溫度的影響也越大。導(dǎo)體的溫度上升時(shí)， 即t2t

17、1： 如果R2R1， 則0， 即電阻值隨著溫度的升高而增大， 稱此電阻為正溫度系數(shù)電阻， 一般金屬導(dǎo)體都是正溫度系數(shù)電阻； 如果R2R1， 則0， 即電阻值隨著溫度的升高而減小， 稱此電阻為負(fù)溫度系數(shù)電阻， 如碳、 石墨、 電解液等材料， 許多熱敏電阻元件就具有負(fù)溫度特征， 在一些電氣設(shè)備中可以起到補(bǔ)償和調(diào)節(jié)作用。研究表1-2， 可以發(fā)現(xiàn)有的金屬材料(如康銅、 錳銅)的電阻溫度系數(shù)極小， 表明溫度變化時(shí)， 其電阻幾乎不變。 它們通常被用于制造標(biāo)準(zhǔn)電阻、 電阻箱以及電工儀表中的分流電阻和附加電阻等。 還有一類物質(zhì)， 在較高溫度時(shí)是半導(dǎo)體或?qū)w， 甚至是絕緣體， 可是當(dāng)溫度降到某一接近絕對零度的特

18、定值TC時(shí)， 它的直流電阻突然下降為零， 即處于=0的導(dǎo)電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為零電阻效應(yīng)， 這類物質(zhì)稱為超導(dǎo)體, 這種失去電阻的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性， 出現(xiàn)零電阻時(shí)的溫度TC稱為臨界溫度。 超導(dǎo)體的應(yīng)用在電子通信、 電力輸送、 發(fā)電、 數(shù)字電子技術(shù)、 醫(yī)療、 交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。 隨著較高臨界溫度的超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)， 超導(dǎo)技術(shù)將會(huì)不斷引起新的技術(shù)革命。 【例1.4】 某電動(dòng)機(jī)的繞組用銅漆包線繞成， 在運(yùn)行前測得其電阻為8 , 運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)測得電阻為10 。 已知室溫為20， 求該電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)繞組的溫度和溫升。 解： 已知t1=20， R1=8 , R2=10 。 由表1-2可知銅的電阻溫

19、度系數(shù)= 0.0041 1/， 由式(1-1)得 繞組溫升: t=t2t1=80.9820=60.981.4.3 電阻元件和部分電路歐姆定律在電路理論中， 電燈、 電熱器、 電阻器等的主要特征是消耗一定的電能（不可逆）， 而不是儲(chǔ)能， 因此，凡在電路中消耗一定電能的元件都可以用一個(gè)等效電阻來代替， 電阻元件是它們的理想化模型。 電阻符號如圖1-22所示， 是一個(gè)二端元件。 通過實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論： 導(dǎo)體中的電流與它兩端的電壓成正比， 與它的電阻成反比, 即（1-2）式中： I電流， 單位為安（I）。 U電壓， 單位為伏（V）。 R電阻， 單位為歐（）。式（1-2）為部分電路歐姆定律， 是德國科學(xué)家歐

20、姆在1827年通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的， 在電路理論中具有重要的地位， 并被廣泛應(yīng)用。 在國際單位制中， 電阻的單位為歐姆（）。 當(dāng)電路兩端的電壓為1 V時(shí)， 通過的電流為1 A， 則該段電路的電阻為1 。 圖1-22 電阻元件歐姆定律表達(dá)了電路中電壓、 電流和電阻的關(guān)系， 它說明： （1） 如果電阻保持不變， 當(dāng)電壓增加時(shí)， 電流與電壓成正比例地增加； 當(dāng)電壓減小時(shí)， 電流與電壓成正比例地減小。 （2） 如果電壓保持不變， 當(dāng)電阻增加時(shí)， 電流與電阻成反比例地減??； 當(dāng)電阻減小時(shí)， 電流與電阻成反比例地增加。 根據(jù)歐姆定律所表示的電壓、 電流與電阻三者之間的相互關(guān)系， 可以從兩個(gè)已知的數(shù)量中求解出

21、另一個(gè)未知量。 因此歐姆定律可以有三種不同的表示形式。 （1） 已知電壓、 電阻求電流：（2） 已知電流、 電阻求電壓:（3） 已知電壓、 電流求電阻:從圖1-22 中可以看出， 電阻兩端的電壓方向由高電位指向低電位， 并且電位是逐點(diǎn)降低的， 因而， 通常把電阻兩端的電壓稱為“電壓降”或“壓降”。 歐姆定律同樣適合交流電路， 有不管是直流還是交流電路， 歐姆定律只適用于線性電路, 即負(fù)載是線性電阻元件的電路?！纠?.5】 工程上常采用“伏安法”測電阻， 即利用電流電壓表和直流電流表分別測量電阻上的電壓和電流， 由歐姆定律求解電阻的阻值。 如圖1-23所示， 在一電阻爐兩端加上110 V的直流電

22、壓， 測得電流為4.55 A， 問電阻爐的電阻為多大？解： 由部分電路歐姆定律可知電阻爐的電阻為=24.18 圖1-23 伏安法測電阻【例1.6】 設(shè)人體電阻最小值為800 ， 當(dāng)通過人體電流為45 mA時(shí)就會(huì)對人體造成傷害， 試求安全工作電壓。 解： 由部分電路歐姆定律得U=RI8004510336 V即安全工作電壓U36 V。 針對不同的工作環(huán)境， 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè)安全電壓級別， 分別是12 V、 24 V和36 V。 1.4.4 電阻的伏安特性在溫度一定的條件下， 在一個(gè)電阻元件上加不同的電壓時(shí)可測得不同的電流值， 將這些數(shù)據(jù)描繪在U-I平面上， 得到一條反映電壓和電流之間關(guān)系的曲線，

23、 簡稱伏安特性曲線。 一般金屬電阻值不隨所加電壓和通過的電流而改變， 即在一定溫度下電阻值是常數(shù)。 其伏安特性曲線是一條通過原點(diǎn)的直線， 這種電阻稱為線性電阻， 如圖1-24所示。 線性電阻的阻值只與元件本身的材料和尺寸有關(guān)。 廣義地說， 凡遵守歐姆定律的元件都稱為線性元件。 由電源和線性元件組成的電路稱為線性電路。 另一類電阻， 其阻值隨電壓或電流的變化而改變， 即電壓與電流的比值不是常數(shù)， 故稱為非線性電阻。 例如圖1-25是非線性元件二極管的正向伏安特性曲線， 很明顯它不是一根直線。 對于具有非線性元件的電路， 歐姆定律已不再適用。圖1-24 線性電阻的伏安特性曲線圖1-25 二極管的正

24、向伏安特性曲線1.4.5 全電路歐姆定律電動(dòng)勢為E、 內(nèi)阻為R0的電源與外電路形成的閉合電路稱為全電路, 如圖1-26所示。 圖中, E和R0構(gòu)成電源內(nèi)電路, R為外電路的等效電阻。 全電路歐姆定律的內(nèi)容是： 全電路中的電流與電源的電動(dòng)勢E成正比， 與電路的總電阻（外電路電阻R和內(nèi)電路電阻R0之和）成反比， 即式中： I電路中的電流， 單位為安（A）。 E電源電動(dòng)勢， 單位為伏（V）。 R外電路電阻， 單位為歐（）。 R0電源內(nèi)阻， 單位為歐（）。全電路歐姆定律也可寫成 E=I(R+R0)=U+U0 式中， U=RI是外電路上的電壓降， 也是電源的端電壓； U0=R0I是內(nèi)電路上的電壓降。 電

25、源電動(dòng)勢等于內(nèi)電路壓降與外電路壓降之和。 也可寫成U=EIR0， 即電源端電壓U等于電源電動(dòng)勢E和內(nèi)電路壓降R0I之差。 【例1.7】 在圖1-26所示電路中， 已知電源電動(dòng)勢E=24 V， 內(nèi)阻R0=4 ，R=8 。 求： 電路中的電流、 電源的端電壓、 負(fù)載上的電壓和電源內(nèi)阻上的電壓降。 解： 由歐姆定律得電路中的電流為A電源端的電壓為 U=EIR0=2424=16 V負(fù)載R上的電壓為 U=RI=28=16 V電源內(nèi)阻R0上的電壓降為 U0=R0I=24=8 V 【例1.8】 圖1-27中， 當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S打向1時(shí)， 外電路的電阻R1=29 ， 測得電流I1=0.1 A； 當(dāng)開關(guān)S打向2

26、時(shí)，外電路的電阻R2=9 ， 測得電流I2=0.3 A， 求電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻。 解： 根據(jù)全電路歐姆定律， 得聯(lián)立方程消去E， 得R1I1+R0I1=R2I2+R0I2 將R0=1 代入得E=R1I1+R0I1=3 V 這道例題介紹了一種測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的方法。 圖1-27 例1.8圖1.4.6 端電壓 端電壓即外電路兩端的電壓， 也是電源兩端的電壓。 端電壓與電源電動(dòng)勢不同， 電源電動(dòng)勢不隨外電路的電阻而改變； 由于實(shí)際電源內(nèi)阻的存在， 端電壓U隨著外電路電阻R而變化。 如圖1-28 所示， 變阻器R增大， U也增大； R減小， U也減小。這個(gè)現(xiàn)象可以用全電路歐姆定律來分析。 當(dāng)外電路

27、電阻R增加時(shí)， 由于， 故電流I減小， 又因?yàn)閁=EIR0， 電流減小時(shí)， 端電壓就增大了； 反之, 當(dāng)外電路電阻R減小時(shí)， 電流I增大， 端電壓U就減小了。 圖1-28 端電壓與負(fù)載的關(guān)系電源端電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律叫電源的外特性。 討論如下兩種特殊情況： （1） 當(dāng)外電路開路時(shí)， R， I0， R0I0， 于是U=E。 這說明外電路斷路時(shí)端電壓等于電源電動(dòng)勢。 利用這個(gè)道理， 用電壓表測得的電源開路電壓即為電源電動(dòng)勢。 前提是電壓表的內(nèi)阻足夠大， 這樣電路中的電流就小， 結(jié)果就越正確。 （2） 當(dāng)外電路短路時(shí)， R0， U0， 此時(shí)IE/R0， 由于電源內(nèi)阻R0一般都很小， 因此， 短路

28、時(shí)電流很大。 電流太大不僅會(huì)燒壞電源， 還可能引起火災(zāi)， 應(yīng)當(dāng)避免這種情況。 因此在電力電路中必須安裝保險(xiǎn)裝置； 在實(shí)驗(yàn)中絕不可將導(dǎo)線或電流表（電流表內(nèi)阻很?。┲苯咏拥诫娫瓷?， 以防短路現(xiàn)象發(fā)生。 【例1.9】 圖1-29所示為測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的電路。 當(dāng)開關(guān)S打向2時(shí)， 電壓表讀數(shù)為6.3 V； 當(dāng)開關(guān)S打向1時(shí)， 電流表讀數(shù)為3 A， R=2 ， 求電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻。 解: 開關(guān)S打向2時(shí)， 未接通外電路， 測得的是電源開路電壓， 因此得E=6.3 V。 又由E=IR+IR0得6.332+3R0R00.1 因此， 該電源的電動(dòng)勢為6.3 V， 內(nèi)阻為0.1 。圖1-29 例1.9 圖1

29、.4.7 電位的計(jì)算要計(jì)算電路中某點(diǎn)的電位， 只要從這一點(diǎn)通過一定的路徑繞到零電位點(diǎn)， 該點(diǎn)的電位等于此路徑上全部電壓降的代數(shù)和。 具體計(jì)算電路中某點(diǎn)電位的步驟如下： (1) 根據(jù)題意選擇恰當(dāng)?shù)牧汶娢稽c(diǎn)。 (2) 確定電路中的電流方向， 標(biāo)出各元件兩端電壓的極性。 電壓分為電源電壓和電阻上的電壓。 電源電壓的正負(fù)極由圖示直接得到， 電阻上電壓的極性根據(jù)電路中的電流方向來確定， 電流流入端為正極， 流出端為負(fù)極。（3） 從被求點(diǎn)出發(fā)， 沿一定路徑繞到零電位點(diǎn)， 則該點(diǎn)的電位等于此路徑上全部電壓降的代數(shù)和。 注意每一項(xiàng)電壓的正、 負(fù)值。 如果繞行方向與電壓方向一致， 此電壓取正； 反之， 此電壓則

30、取負(fù)。 【例1.10】 圖1-30中， 已知各電流方向如圖所示， R1=3 ， R2=5 ， R3=3 ， I1=3 A， I2=2 A， I3=1 A， E1=12 V， E2=7 V， 求A、 B、 C、 D四點(diǎn)電位。 圖1-30 例1.10 圖解： D點(diǎn)設(shè)為零電位點(diǎn)， 因此VD=0。 根據(jù)各電流方向， 確定R1、 R2上電壓極性左正右負(fù)， R3上電壓上正下負(fù)，E1上電壓上正下負(fù)， E2上電壓上負(fù)下正。 計(jì)算A點(diǎn)電位可從AD： VA=E1=12 V計(jì)算A點(diǎn)電位也可從ABD： VA=I1R1+I3R3=33+13=12 V 計(jì)算A點(diǎn)電位也可從ABCD： VA=I1R1+I2R2E2=33+2

31、57=12 V 可見， 參考點(diǎn)選定后， 電路中各點(diǎn)電位就有了確定值， 而與計(jì)算電位時(shí)選擇的路徑無關(guān)。 一般以最短的路徑求解， 故VA=E1=12 V。 B點(diǎn)電位： VB=I3R3=13=3 V C點(diǎn)電位： VC=E2=7 V1.5 電能和電功率1.5.1 電能（電功）電流流過負(fù)載時(shí)會(huì)消耗電能， 轉(zhuǎn)化成其他形式的能。 例如： 電流流過燈泡時(shí)， 使燈泡發(fā)光，電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽?電流流過電動(dòng)機(jī)時(shí)， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能； 電流通過電爐時(shí)， 電能轉(zhuǎn)化為熱能； 電流通過電解槽時(shí)， 電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。 能量轉(zhuǎn)化的過程是電流做功的過程， 消耗的電能用電功來度量。 直流電路中電流所做電功的表達(dá)式為W

32、=UIt式中： W電功或電能， 單位為焦（J）。 U負(fù)載兩端的電壓， 單位為伏（V）。 I流過負(fù)載的電流， 單位為安（A）。 t電流做功的時(shí)間， 單位為秒（s）。在實(shí)際應(yīng)用中常以kW h（千瓦時(shí)， 俗稱度）作為電能（電功）的單位， 它表示1 kW的負(fù)載通電1小時(shí)所消耗的電能。 1度=1 kW h=3.6106 J 對于線性電阻負(fù)載， 根據(jù)歐姆定律U=RI和I=U/R， 有 W=I2Rt1.5.2 電功率 電功率是指電流在單位時(shí)間內(nèi)所做的電功。 直流電路中電功率用字母P表示為式中： P功率， 單位為瓦（W）。當(dāng)W、 t、 U、 I、 R的單位分別取J、 s、 V、 A、 時(shí)， 電功率的單位為瓦特

33、（W）。 常用的單位還有千瓦（kW）、 毫瓦（mW）等， 它們之間的關(guān)系為 1 kW103 W，1 mW 103 W 即一段電路上的電功率跟這段電路兩端的電壓和電路中的電流成正比。 顯然電路中電壓越高， 電流越大， 功率也就越大。 功率的測量可使用功率表。 對于線性電阻負(fù)載， 根據(jù)歐姆定律U=RI， 有【例1.11】 教室中有額定功率40 W的日光燈8盞， 每只日光燈耗電46 W（包括鎮(zhèn)流器耗電）。 若每天用4小時(shí)， 一月按30天計(jì)算， 問一月耗電多少？若每度電費(fèi)0.55元， 一月應(yīng)付電費(fèi)多少？解： 8盞燈的總功率為P=4683680.368 kW一月用電時(shí)數(shù): t=430=120 h一月共耗

34、電W=Pt=0.368 kW120 h =44.16 kW h=44.16(度)應(yīng)付電費(fèi): 0.55元/度44.16度=24.29元1.5.3 電流的熱效應(yīng)電流通過導(dǎo)體時(shí)， 導(dǎo)體發(fā)熱的現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的平方、 導(dǎo)體的電阻以及通電時(shí)間成正比， 這就是焦耳定律， 即Q=I2Rt Q的單位焦耳（J）， I、 R、 t的單位分別是A、 、 s。 電流的熱效應(yīng)常用于制造電熱器， 如電爐、 電飯煲、 電烙鐵、 熔斷器等。 但電流的熱效應(yīng)也會(huì)使一些電氣設(shè)備發(fā)熱， 導(dǎo)致絕緣材料老化變質(zhì)， 縮短使用壽命， 甚至燒壞設(shè)備。 1.5.4 電氣設(shè)備的額定值電氣設(shè)備工

35、作時(shí)， 都規(guī)定有最高容許溫度， 若超過此溫度， 就有可能造成設(shè)備事故。 額定電流： 電氣設(shè)備長時(shí)間連續(xù)工作的最大容許電流。 電氣設(shè)備長時(shí)間連續(xù)工作的電流超過此額定值時(shí)， 電氣設(shè)備將因過度發(fā)熱而縮短壽命或燒毀。 額定電壓： 為了使電氣設(shè)備中的電流不至過大， 并保證絕緣材料的安全使用， 加在設(shè)備上的電壓的最大容許值。額定功率： 額定電壓與額定電流的乘積。 通常用電器的銘牌上都標(biāo)明了額定電流、 額定電壓、 額定功率， 它表明電器設(shè)備所允許的最大電流、 電壓和功率。 例如： 一只燈泡上標(biāo)明“220 V、 100 W”， 說明正常使用時(shí)， 這只燈泡應(yīng)接220 V電壓， 消耗功率為100 W。 由P=U2

36、/R， 可以計(jì)算出燈泡在正常工作時(shí)的電阻為484 。 若所接電壓超過220 V， 燈泡消耗功率大于100 W， 則有可能將燈泡燒壞。 如燈泡接在380 V電源上， 則實(shí)際消耗功率P=U2/R3802/484298 W100 W， 鎢絲將很快燒斷。 若所接電壓低于220 V， 燈泡消耗的功率小于100 W（較暗）， 則使用不正常。 如接110 V 電源上， 則實(shí)際消耗功率P=U2/R1102/48425 W100 W， 燈泡燈光微弱。 根據(jù)額定功率和額定電壓， 可算出用電器的額定電流。 例如“220 V、 40 W的白熾燈”的額定電流是40/2200.18 A。 加在用電器上的電壓改變， 它的功

37、率也隨著改變。 電氣設(shè)備在額定電壓、 額定電流和額定功率下的工作狀態(tài)稱為額定工作狀態(tài)， 又稱滿載， 高于額定值稱為過載， 低于額定值稱為輕載。 電氣設(shè)備應(yīng)盡可能工作在額定狀態(tài)， 才能保證其運(yùn)行安全、 可靠、 經(jīng)濟(jì)、 合理， 并延長使用壽命。 我們在選擇電阻時(shí)， 不但要考慮電阻值的大小， 還應(yīng)根據(jù)電阻實(shí)際消耗功率來選擇。 在實(shí)際使用中, 有可能出現(xiàn)短時(shí)間過載的現(xiàn)象， 一般取電阻的額定功率應(yīng)是實(shí)際消耗功率的1.52倍, 以保證元器件的可靠、 耐用。 本 章 小 結(jié)1. 電荷的定向移動(dòng)形成電流。 電路中有持續(xù)電流的條件是： 電路為閉合回路； 電路兩端存在電壓。 2. 電流分為直流電流和交流電流。 電

38、流的大小等于單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量， 即或 習(xí)慣上規(guī)定正電荷的定向移動(dòng)方向?yàn)殡娏鞣较颉?. 電壓是電路中任意兩點(diǎn)間的電位差。 電壓分為直流電壓和交流電壓。 習(xí)慣上規(guī)定電壓方向從高電位端指向低電位端。 電動(dòng)勢是電源的開路電壓。 電路中某點(diǎn)的電位就是該點(diǎn)與零電位之間的電壓。 4. 電路是由電源、 負(fù)載、 導(dǎo)線和開關(guān)等組成的閉合回路。 電路的作用是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。 電路的狀態(tài)有通路、 開路和短路三種。 5. 電阻是表示元件對電流呈現(xiàn)阻礙作用大小的物理量。 其大小符合電阻定律： 當(dāng)溫度一定時(shí)， 金屬導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長度成正比， 與其橫截面積成反比， 即式中， 電阻率是反映材料導(dǎo)電性能

39、的參數(shù)。 此外， 導(dǎo)體的電阻還與溫度有關(guān)。 6. 部分電路歐姆定律反映了電流、 電壓和電阻三者之間的關(guān)系， 即考慮了電源內(nèi)阻的歐姆定律稱為全電路歐姆定律， 即式中， R0為電源內(nèi)阻。 不管是直流還是交流電路， 歐姆定律只適用于線性電阻電路。 7. 電流通過負(fù)載時(shí)， 將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。 電能的計(jì)算公式： W=UIt， 單位為焦耳(J)。 電功率的計(jì)算公式： ， 單位為瓦(W)。 電熱的計(jì)算公式： Q=I2Rt， 單位為焦耳(J)。 習(xí) 題一、 填空題1. 電荷的_移動(dòng)形成電流。 電流的大小用_表示， 其符號是_， 國際單位是_， 表示小電流的單位有_、_。 2. 電流的方向?yàn)開的移動(dòng)方向

40、， 在金屬導(dǎo)體中電流方向與自由電子移動(dòng)方向相_。 3. 電壓的符號為_， 國際單位制中， 電壓的單位是。 _表示小電壓的單位有_、_。 4. 電動(dòng)勢的符號為_， 其國際單位是_， 其方向?yàn)樵陔娫磧?nèi)部自_極指向_極。 電源電動(dòng)勢在數(shù)值上等于電源兩端的_電壓。 5. 電路是由_、 _、 _和_等組成的閉合回路。 電路的作用是實(shí)現(xiàn)電能的_和_。 6. 電路通常有_、 _和_三種狀態(tài)。 7. 在一定_下， 導(dǎo)體的電阻和它的長度成_， 而和它的橫截面成_。8. 一根銅導(dǎo)線， 它的橫截面為2 mm2， 長度為1 m。 20時(shí)， 它的阻值為_ ； 50時(shí)， 電阻為。 9. 部分電路歐姆定律表述為， 在某段純

41、電阻電路中， 電路中的電流I與電阻兩端的電壓U成_， 與電阻R成_， 其表達(dá)式為_。 10. 全電路歐姆定律表述為， 閉合電路中的電流與成正比， 與電路的_成反比， 其表達(dá)式為_。 11. 如圖1-31所示， 當(dāng)S閉合時(shí)， Va=_， Uab=_； 當(dāng)S斷開時(shí)， Uab_。 圖1-31 填空題11圖12. 電流在一秒內(nèi)所做的功叫做_。 電源電動(dòng)勢所提供的功率， 等于_和所消耗的功率之和。 二、 選擇題1. 有一段導(dǎo)線的電阻為R， 把它對折起來作為一條導(dǎo)線使用， 其電阻是（）。A. R/4 B. R/2 C. R D. 2R2. 電源電動(dòng)勢是2 V， 內(nèi)阻是0.2 ， 當(dāng)外電路斷路時(shí)， 電路中的

42、電流強(qiáng)度和路端電壓分別是（）。A. 0， 2 V B. 20 A， 2 V C. 20 A， 0 D. 0， 03. 在上題中， 當(dāng)外電路短路時(shí)， 電路中的電流強(qiáng)度和路端電壓分別是（）。A. 10 A， 2 V B. 10 A， 0 C. 0， 0 D. 0， 2 V4. 有兩根同種材料的電阻絲， 長度值比為12； 橫截面積之比為23， 則它們的電阻之比是（）。A. 12 B. 23 C. 45 D. 345. 電源電動(dòng)勢為1.5 V， 內(nèi)阻為0.12 ， 外電路的電阻為1.38 ， 電路中的電流和端電壓分別為（）。A. I=1.5 A， U=0.28 V B. I=1 A， U=1.38 VC. I=1.5 A， U=1 V D. I=1 A， U=0.12 V6. 一電阻元件， 當(dāng)其電流減為原來的一半時(shí)， 其功率為原來的（）。A. 1/2 B. 2倍 C. 1/4 D. 4倍7. 燈泡A為“110 V， 40 W”、 燈泡B為“220 V， 60 W”， 它們都在各自的額定電壓下工作， 以下說法正確的是（）。 A. 兩個(gè)一樣亮 B. 燈泡A亮 C. 燈泡D. 亮8. 有一干電池， 其端電壓U=1.5 V， 內(nèi)阻R0=0.2 ， 輸出電流I=0.5 A， 該電池的電動(dòng)勢為（）。A. 1