第二章电路基础知识.docx

第二章电路基础知识.docx

《第二章电路基础知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章电路基础知识.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章电路基础知识

第二章电路基础知识

第一节直流电路

一、电路的概念

1．电路的组成

电流经过的路径叫做电路。

用电源、负载、开关和导线便可组成一个最简单的电路，图2-1a即为电路的实物接线图，其中电源是一节干电池。

将其他形式的能量转换成电能的装置称为电源，常用的电源还有蓄电池、发电机等，它们分别将化学能、机械能转换成电能。

随着科学技术的日益发展和各种能源的充分开发，如水力资源、原子能、太阳能、地热、潮汐、风能等都已成为电能的来源。

将电能转换为其他形式能量的器件或设备称为负载，也称为用电器。

图2-1a中的电灯即为负载，它可以将电能转换成光能。

电炉和电动机则分别将电能转换为热能、机械能。

开关起切断或接通电路的作用，连接导线是输送和分配电能的导体，常用的导线有铜线、铝线。

（a）实物接线图（b）电原理图

图2-1电路图

一个完整的电路，一般应由电源、负载、中间环节（导线、开关等）三个部分组成。

中间环节连接着电源和负载，它起着传输、控制和分配电能的作用。

如收音机的电路，它由天线、晶体管、电阻器、电容器和扬声器等组成，它把天线接收到的信号经过中间电路的处理和放大，然后推动扬声器工作使之播放出声音。

在这个电路里，天线就可看成是一种电源（信号源）；扬声器把电能转换为声能，就是一种负载；而各种中间的处理和放大电路等就可看成是中间环节。

电路又分为外电路和内电路。

从电源的一端经过负载再回到电源另一端的电路，叫做外电路。

电源内部的通路，如电池内部两极之间的通路，叫做内电路。

用电池、直流发电机等作电源的电路，称为直流电路；用交流发电机等作电源的电路，称为交流电路。

2．电路的作用

在现代化的生产和科学技术领域中，电路用来完成控制、计算、通信、测量以及发电、配电等各方面的任务。

虽然实际电路种类繁多、功能各异，但从抽象和概括的角度来看，电路的作用主要体现在以下两个方面：

（1）实现电能的输送和变换

例如，在电力系统组成的电路中，如图2-2所示，这时电路主要是用来传送、分配和变换电能。

发电厂的发电机将热能、水能和核能等转换成电能，通过输电导线和各级变电所中的升压或降压变压器将电能输送到各用电设备，再根据需要将电能转换成机械能、热能或光能等其他形式的能量。

图2-2电力系统电路示意图

（2）实现信号的传递和处理

在电视机电路中，如图2-3所示，通过接收装置把载有语言、文字、音乐、图像的电磁波接收后转换为相应的电信号，然后通过多种中间电路环节将信号进行传递和处理，送到显像管和扬声器后还原为原始信息。

图2-3电视机电路示意图

总之，在电路中，随着电流的通过，进行着从其他形式的能量转换成电能、电能的传输和分配以及又把电能转换成所需要的其他形式能量的过程。

二、电路图

像图2-1a那样的实物电路图，看起来直观易懂，但画起来麻烦，而且没有突出电路的特征。

因此，在实际中是将实物接线图2-1a中的各实物用特定的电路符号来表示，即画成图2-1b所示的电原理图。

通常所说的电路图，都是指电原理图。

电路图中常用的电路符号如表2-1所示。

表2-1常用的电路图形符号

符号

名称

符号

名称

符号

名称

开关

电阻器

接机壳

电池

电位器

接地

发电机

电容器

端子

电感器

线圈

电流表

连接导线

不连接导线

带铁芯

电感器

电压表

熔断器

抽头线圈

二极管

灯

表2-1中的各种图形符号有规律地组合便可构成各种电路图。

如图2-1b所示的电路，在开关S闭合时只有一条电流经过的路

径，称为单回路电路。

图2-4所示也是一个单回路电路，但在电

路中有两个电阻负载，一个是灯泡，一个是电阻器。

单回路电路

的工作过程是比较简单的。

开关S闭合，电路接通（通路），电图2-4有两个负载的电路

路中有电流流过，电灯发亮；开关S断开，电路开路（断路），电路中没有电流流过，电灯不亮。

三、电路的基本物理量

1．电流

电荷的定向移动形成电流。

在金属导体中，电流是自由电子在外电场作用下有规则地定向运动形成的。

在某些液体或气体中，电流则是正离子或负离子在外电场作用下，向相反方向运动而形成的。

规定以正电荷运动的方向为电流的方向。

因而金属导体中电流的方向与电子流的方向恰好相反。

衡量电流大小的物理量是电流强度I，它取决于在单位时间内通过导体横截面的电荷量Q的多少。

电荷量简称电荷，单位是库仑，用字母C表示，则电流强度I就可用下式表示

人们常把电流强度叫做电流。

电流的基本单位是安培，简称安，用字母A表示。

若在1s内通过导体横截面的电荷量为1C，则电流强度就是1A。

常用的电流强度单位还有kA（千安）、mA（毫安）、（微安），它们之间的换算关系是

1kA＝103A

1mA＝10-3A

1＝10-3mA＝10-6A

电流分直流电流和交流电流两大类。

大小和方向都不随时间变化的电流，称为稳恒电流，简称直流（简写作DC），直流电流与时间之间的函数关系如图2-5a所示；大小随时间变化，而方向不随时间变化的电流，称为脉动电流，波形如图2-5b所示；大小和方向都随时间变化的电流，称为交变电流，简称交流（简写作AC），其波形如图2-5c所示。

其中，脉动电流是交变电流的一种。

（a）直流电流（b）脉动电流（c）交流电流

图2-5电流强度与时间的关系波形

2．电位、电压、电动势

（1）电位

电路中的每一点均有一定的电位，这就如同空间的每一处均有一定的高度一样。

为了说明高度，就必须要有一个计算高度的起点，如某一架空线的高度为9m，这个高度实际上是从地面算起的，只是因不说自明，所以常常省去这一标准。

同样，为了分析电路中某一点电位，也必须先指定一个计算电位的起点，一旦规定了计算起点，则电路中各点的电位就可以确定了。

参考点的电位规定为零，因而低于参考点的电位是负电位，高于参考点的电位是正电位。

参考点不同，各点电位的数值也不同。

只有确定了参考点之后，各点电位才有确定的数值。

电位的单位是伏特，简称伏，用字母V表示。

（2）电压

电压是衡量电场力做功能力大小的物理量。

电场中两点间的电位差，就是两点间的电压。

由于电压是电位之差，所以，电路中某两点的电压大小只跟该两点的位置有关，而与参考点的选择无关。

电压和电流一样，不但有大小，而且还有方向，即有正有负。

电压的实际方向规定由高电位指向低电位，即电位降低的方向。

在电路图中，常用带箭头的细实线，或采用“＋”、“－”号表示电压的方向。

其中，“＋”号表示电压的高电位端，“－”号表示电压的低电位端。

若遇到电路中某两点间的电压方向不能预先确定时，也可先假定电压的参考方向，再根据所得数值的正负来确定其实际方向。

（3）电动势

要使电路中有持续不断的电流，就必须保证电路中有一定的电位差存在，而维持这种电位差依靠的是电源。

在前面已叙述过，电源是将其他形式的能量转换为电能的装置，即电源是利用非电力把正电荷由负极搬到正极的。

电动势就是衡量这种能量转换本领的物理量。

电动势只存在于电源内部，人们规定电动势的方向在电源内部由负极指

向正极，如图2-6所示。

电动势用字母E表示，单位也为V（伏）。

电动势与电压的定义类似，但是两者是有区别的，具体如下：

图2-6电动势的方向

①电动势与电压具有不同的物理意义，电动势表示非电场力（电源力）做功的大小，而电压则表示电场力做功的大小。

②电动势与电压的方向不同，电动势的方向由低电位指向高电位，即电位升的方向。

③电动势仅存在于电源内部，电压不仅存在于电源两端，而且也存在于电源外部。

3．电阻

反映导体对电流起阻碍作用大小的物理量称为电阻，用字母R或r表示。

电阻的基本单位是欧姆，简称欧，用字母表示。

欧姆是这样定义的：

当导体两端的电压是1V，导体内通过的电流是1A时，这段导体的电阻就是1。

电阻的单位除欧姆外，常用的单位还有k（千欧）和M（兆欧），它们之间的换算关系是

1k＝103

1M＝103k＝106

导体的电阻是客观存在的，它与导体两端有无电压无关，即使没有电压，导体仍然有电阻。

实验证明：

当温度一定时，均匀导体的电阻与导体的长度l成正比，与导体的横截面面积S成反比，并与导体的材料性质有关，即

式中的比例系数是与导体材料性质有关的物理量，叫做电阻率或电阻系数，单位是欧姆·米，用字母·m表示。

电阻率通常是指某种材料在20C时，长1m、截面面积1mm2的电阻值。

不同的材料有不同的电阻率，电阻率的大小反映了各种材料导电性能的好坏。

电阻率越大，导电性能越差。

通常将电阻率小于10-6·m的材料称为导体，如银、铜、铝等；电阻率大于107·m的材料称为绝缘体，如橡胶、陶瓷、塑料等。

生产中导体一般用铜、铝等电阻率小的金属制成，而为了安全，电工器具都采用电阻率较大的绝缘材料与导体隔离，如橡胶、塑料等。

电阻器是利用导体的电阻性能，制造成的具有一定阻值的实体元件，用它来控制电路中的电流、电压的数值。

电阻器也叫做电阻，是组成各种电路最基本的元件之一。

常用的电阻外形及图形符号如图2-7所示。

（a）固定电阻（b）可变电阻（c）线绕电阻

图2-7常用电阻器的外形及图形符号

电阻器的品种很多，结构、规格也不一样。

若按其阻值分类，有固定电阻（如图2-7a）和可变电阻（如图2-7b）；按其结构分类，有线绕电阻（如图2-7c）和非线绕电阻（如图2-7a）；按材料分类，有碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻等。

4．电功与电功率

（1）电功

当电流在电路中流动时，电源力和电场力都要做功。

使正电荷从电源正极经外电路移至电源负极，是电场力做功；使正电荷在电源内部从负极移至正极是电源力做功。

电场力或电源力在一段时间内移动电荷所做的功，称为电功，也称为电流的电能，用A表示。

电功单位为焦耳，简称焦，用字母J表示。

（2）电功率

电功不能说明电场力或电源力做功的快慢，因为不知道这些功是在多长时间内完成的。

所谓电功率是指电场力或电源力在单位时间内所做的功，用字母P表示，即

上式中，若电功单位为J，时间单位为s，则电功率的单位为瓦特，简称瓦，用字母W表示。

若电流在1s内所做的功为1J，则电功率就是1W。

在实际工作中，电功率的常用单位还有kW、mW等，它们之间的换算关系是

1kW＝103W

1mW＝10-3W

电功率是衡量电能转换为其它形式能量速度的物理量。

对于发电设备来说，功率是单位时间内所产生的电能；对于用电设备（负载）来说，功率就是单位时间内所消耗的电能。

四、电路的工作状态

在实际工作中，电路通常具有三种工作状态，即负载状态、短路状态和开路状态。

1．负载状态

负载状态就是正常的有载工作状态，即电路中的开关闭合，负载中有电流流过，电路处于导通状态。

2．短路状态

若外电路与电阻值近似为零的导体接通时，电路处于短路状态。

电源短路时，外电路的电阻可视为零，在电流的回路中仅有很小的电源内阻，此时的电流很大，短路电流会使电源烧毁，必须严加防止。

产生短路的原因往往是由于接线不慎或者是电气设备绝缘的损坏，也有可能是其他一些因素，如老鼠咬噬以及非人为的意外短接等。

因此我们接线时应非常慎重，同时还应经常性地检查电气设备及线路的绝缘情况，并保持电气设备周围良好的工作环境等。

在通常情况下，短路是一种严重的事故，应尽量加以避免。

为了防止短路所引起的事故，通常在电路中安装熔断器或其他自动保护装置，以期在一旦发生短路时能迅速切断故障电路，从而防止事故的扩大并保护电气设备和供电线路。

3．开路状态

开路就是电源两端或电路某处断开，电路中没有电流通过，电源不向负载输送电能。

对于电源来说，这种状态叫做空载，这时电源的端电压等于电源电动势，电源