电路基础知识与直流电路 精品教材.docx

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电路基础知识与直流电路精品教材

模块二电路基础知识与直流电路

课题一学习电路基础知识

学习目标

1、掌握电路的组成和电路的状态，能识读基本的电气符号和简单的电路图；

2、理解电流的概念、方向及参考方向；

3、理解电压、电位和电动势的概念；

4、理解电能和电功率的概念；

5、理解电阻的含义，了解电阻定律；

6、了解电阻器的种类和应用。

任务一认识电路与电路图

在日常生产和生活中，大部分环节使用的都是交流电，但也有很多场合使用直流电，比如：

手机充电器、蓄电池、干电池电路等等。

如图2-1所示，这是常见的手电筒电路，合上开关，电流从电源正极流出，通过导线传输，经过开关、灯泡回到电源负极，形成电流通路，灯泡发光；断开开关，电路不通，电流被阻断，灯泡不亮。

相关知识

1、电路的组成及状态

a、电路的基本组成

（1）什么是电路

一个基本的电流回路称为电路。

例如：

在使用灯具（或其他电气设备）之前，总要用导线把它们和电源连接起来，这种将电源和负载连接起来的电流通路称为电路。

即电路是由各种元器件（或电工设备）按一定方式联接起来的总体，为电流的流通提供了路径。

图2-1手电筒实物电路

（2）电路的基本组成

通常组成一个简单电路，至少要有电源、连接导线、开关和负载。

负载、连接导线和开关称为外电路，电源内部的电路称为内电路。

电路的基本组成包括以下四个部分：

①电源（供能元件）：

为电路提供电能的设备和器件，常见的有干电池、蓄电池、发电机等，如图2-2所示。

电源就是一个能量转换装置，把其它形式的能转换为电能的一种装置。

比如：

干电池是把化学能转换为电能的装置，而发电机是把机械能转换为电能的装置。

图2-2常见电源

②负载（耗能元件）：

又称用电器，是把电能转换成其它形式能的装置，即消耗电能的装置，常见的有电灯、电动机、电加热器。

③控制和保护装置：

用来控制电路的通断，保护电路的安全，使电路能够正常工作，如开关、熔断器、继电器等。

④连接导线：

它把电源和负载接成闭合回路，输送和分配电能。

一般常用的导线是铜线和铝线，如图2-3所示。

图2-3常见导线截面图

b、电路的状态

电路有三种状态：

通路、开路和短路。

（1）通路：

也成为闭路。

如图2-4a所示电路中，当开关闭合，电路中有电流流过，即为通路状态。

（2）开路：

也称为断路。

如图2-4b所示电路中，当开关断开，电路中没有电流流过，即为开路状态。

（3）短路：

如图2-4c所示电路中，a、b两点用导线接通，这时电流不经过负载，直接从导线ab回到电源，即为短路状态。

提示：

电源两端的导线直接相连接，输出电流过大对电源来说属于严重过载，如没有保护措施，电源或电器会被烧毁或发生火灾，所以通常要在电路或电气设备中安装熔断器、保险丝等保险装置，以避免发生短路时出现不良后果。

图2-4a图2-4b图2-4c

2、电路图

为简便起见，电路通常不用实物表示，而是用电路图表示，如图2-5所示即为手电筒实物电路的电路图。

在电路图中，电路组成的元器件和连接情况是用国家统一规定的图形和文字符号来表示的。

常用的图形及文字符号如表2-1所示。

图2-5手电筒电路图

表2-1部分电工图形及文字符号

练一练

1、电路由______、______、______和______四部分组成。

2、电路有______、______、______三种状态。

实践活动

翻阅家里的电路图

每个家庭都有各种各样的电器，找出说明书，看看电路图，你认识哪些符号，哪些又是你不认识的。

任务二电流

我们知道手电筒电珠发光是因为电珠中有电流流过，那电流是怎么形成的呢？

相关知识

1、电流

电荷的定向移动形成电流。

在金属导体中存在大量自由电子在做无序不规则的运动，如图2-6a所示。

当有电场存在时，金属导体中的自由电子在电场力作用下定向移动，这就形成了电流，如图2-6b所示。

图2-6电流的形成

电流的大小用电流强度（简称电流）来表示，通常用符号I表示，其在数值上等于通过导体横截面的电荷量Q和通过这些电荷量所用时间t的比值，用公式表示为：

式中Q--通过导体横截面的电荷量，单位是库[仑],符号为C；

t--通过电荷量Q所用的时间，单位是秒，符号为s；

I--电流，单位是安[培]，符号为A。

如果在1s内通过导体横截面的电量为1C，则导体中的电流即为1A。

在国际单位制中，电流的单位除A外，还有千安（kA）、毫安（mA）和微安（µA），它们之间的换算关系为：

1kA=103A=106mA=109µA

2、电流的方向

习惯上规定正电荷移动的方向为电流的实际方向，因此在金属导体中，电流的实际方向和自由电子实际运动的方向相反，如图2-6b所示。

在进行电路分析计算时，电流的实际方向有时难以确定，为了计算方便，常常事先假定一个电流方向（假想的电流方向），称为参考方向，并在电路中用箭头标出。

如果计算的结果电流为正值，那么电流的实际方向与参考方向一致；如果计算的结果电流为负值，那么电流的实际方向与参考方向相反。

若不规定电流的参考方向，电流的正负号是无意义的。

【例题】在5min时间内，通过导体横截面的电荷量为4.8C，求电流是多少安，合多少毫安？

解：

根据电流的定义式

练一练

1、规定______的移动方向为电流的方向，金属导体中自由电子移动方向跟电流方向是______。

2、通过一个电阻的电流是5A，经过3min，通过这个电阻横截面的电荷量是______。

3、56mA=______A;16µA=______mA;1.38A=______mA。

知识链接——安培

安德烈·玛丽·安培（André-MarieAmpère，1775年—1836年），法国物理学家、化学家、数学家，在电磁作用方面的研究成就卓著。

1820年发现了电流间的相互作用力，并提出了著名的安培定律。

此后，为纪念他而命名电流的单位为安培。

安培最主要的成就是1820～1827年对电磁作用的研究。

主要有：

1、发现了安培定则。

2、发现电流的相互作用规律。

3、发明了电流计。

4、提出分子电流假说。

5、总结了电流元之间的作用规律——安培定律。

任务三电压、电位和电动势

电压、电位、电动势是电工学中应用最基本的物理量，那么三者之间有什么区别和联系呢？

相关知识

1、电压

如图2-7a所示，水流从水位高的A点向水位低的B点流动，那是因为A、B点间有水压。

其实电流就像水流，电压就像水压，电位就像水位，如图2-7b所示，电池就是为电路提供电压的装置。

电池的正极电位高，负极电位低，正、负极之间存在电压，在电压的作用下，电流从正极向负极处流动，电路中就会产生一个从电池正极到负极的电流。

图2-7电压及其类比

在电路中电压的大小等于电场力把单位正电荷从高电位点移到低电位点所做的功，即：

式中,Uab表示电压，单位为伏〔特〕，用符号V表示；W表示功，单位为焦[耳]，用符号J表示；Q表示电量，单位为库[仑]（C）。

在国际单位制中，电压的常用单位还有千伏（kV）和毫伏（mV）：

电压的实际方向由高电位指向低电位。

电压方向有三种表示法：

箭头法：

用带箭头的线段表示电压的方向，如图2-8a所示。

极性法：

在电路的两点或元件两端标上极性表示电压的方向，如图2-8b所示。

下标法：

用符号U加双下标字母表示，如Uab表示电压方向从a指向b，如图2-8c所示。

图2-8电压的参考方向

2、电位

电路中某点相对于参考点的电压称为该点的电位，用V表示，如用VA表示A点的电位。

电位的单位也为伏[特]（V）。

参考点的电位规定为零，一般选择大地作为参考点，在电子仪器中常把金属机壳或电路的公共节点作为参考点，用符号“⊥”表示。

在电路中A、B两点间的电压等于A、B两点间的电位之差。

即

两点间的电压也叫做两点间电位差。

讲到电压必须说明是哪两点间的电压。

电路中某一点A的电位，等于该点A与参考点O之间的电压，即

。

3、电动势

电动势是衡量电源将非电能转化为电能本领的物理量，用符号E表示，单位是伏[特]（V）。

电动势仅存在于电源的内部，电动势的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。

电动势的大小在数值上等于电源在开路状态下两端的电压。

如图2-9所示。

图2-9

练一练

1、某电路中A、B两点的电位分别为VA=5V,VB=3V,则A、B两点间的电压UAB=______。

2、3.8kV=______V;867mV=______V;7.9V=______mV=______kV。

实践活动

找找看，电视机遥控器电池、手机电池、数码相机电池、电动车蓄电池等常见直流电源的电压都是多少伏？

任务四电能和电功率

我们去买空调，销售员除了介绍外观、材料等特点外，还会介绍它的耗电有多低，有多省电。

那么用什么来评价耗电的多少呢？

相关知识

1、电能

用家用电器时，需要考虑电器消耗的电能，在符合使用要求的情况下，尽量选择耗电少的电器。

那么什么是电能？

电能跟哪些因素有关呢？

电流能使照明器具发光，电动机转动，电炉发热......这些都是电流做功的表现。

电能是指在一定的时间内，电流通过用电器时所做的功，用符号W表示，其国际单位制为焦尔（J），电能的计算公式为

式中W----电能，单位是焦[耳]，符号为J；

U----电路两端的电压，单位是伏[特]，符号为V；

I----流经电路的电流，单位是安[培]，符号为A；

t----通电时间，单位是秒，符号为s。

通常电能用千瓦时（kW·h）来表示大小，也就是我们常说的“度”。

1度（电）=1kW·h

=1000w×3600s

=

=

即功率为1kW的用电器，在1h的时间内所消耗的电能为1kW·h即1度。

2、电功率

单位时间内电流所做的功称为电功率，简称功率。

它是表明电流消耗电能快慢程度的物理量，用字母P表示，计算公式为

代入

可以得到

式中P----电功率，单位是瓦[特]，符号为W；

U----电路两端的电压,单位是伏[特]，符号为V；

I----流经电路的电流,单位是安[培]，符号为A。

若电流在1S内所做的功为1J，则电功率就是1W。

【例题】有一功率为40W的电灯，每天使用它照明的时间为5小时，如果平均每月按30天计算，那么每月消耗的电能为多少度？

合为多少J?

解：

该电灯平均每月工作时间t=5´30=150h，40W=0.04kW,则

　　　W=Pt=0.04´150=6kWh

即每月消耗的电能为6度，约合为3.6´106´6=2.16´107J。

3、电气设备的额定值

为了保证电气设备和电路元件能够长期安全地正常工作，而规定的额定电压、额定电流、额定功率等参数值，叫做额定值。

额定电压——电气设备或元器件在正常工作条件下允许施加的最大电压。

额定电流——电气设备或元器件在正常工作条件下允许通过的最大电流。

额定功率——在额定电压和额定电流下消耗的功率，即允许消耗的最大功率。

额定工作状态——电气设备或元器件在额定功率下的工作状态，也称满载状态。

轻载状态——电气设备或元器件在低于额定功率的工作状态，轻载时电气设备不能得到充分利用或根本无法正常工作。

过载（超载）状态——电气设备或元器件在高于额定功率的工作状态，过载时电气设备很容易被烧坏或造成严重事故。

轻载和过载都是不正常的工作状态，一般是不允许出现的。

练一练

1、电流在____________内