电工基础《电路的基本物理量》.

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1、第一章 电路的基本概念和基本定律 第一章 电路的基本概念和基本定律 教学难点： 1了解电路的三种工作状态特点。 2理解理想元件与电路模型、线性电阻与非线性电阻的 概念。 教学重点： 1. 了解电路的基本组成、电路的三种工作状态和额定电压 、电流、功率等概念。 2掌握电流、电压、电功率、电能等基本概念。 3掌握电阻定律、欧姆定律、焦耳定律，了解电阻与温 度的关系。 第一章 电路的基本概念和基本定律 第一节 电路 第二节 电流和电压 第三节 电阻 第四节 部分电路欧姆定律 第五节 电能和电功率 第一节 电 路 一、电路的基本组成 二、电路模型(电路图) 一、电路的基本组成 1什么是电路 电路是由各

2、种元器件(或电工设备)按一定方式连接起来 的总体，为电流的流通提供了路径。 2电路的基本组成 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( 如电池、发电机等)。 图1-1 简单的直流电路 (2)负载(耗能元件): 使用(消耗)电能的设备和 器件(如灯泡等用电器)。 控制电路工作状态的器件或设备(如 开关等)。 将电器设备和元器件按一定方式连接 起来(如各种铜、铝电缆线等)。 (3)控制器件： (4)连接导线： 3电路的状态 (1)通路(闭路)：电源与负载接通，电路中有电流通过， 电气设备或元器件获得一定的电压和电功率，进行能量转换。 (2)开路(断路

3、)：电路断开，中没有电流通过，有称为空 载状态。 (3)短路(捷路)：电源两端或电路中某些部分被导线直相 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。 二、电路模型(电路图) 图1-2 某用电器的电路原图 由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，也叫做实 际电路的电路原理图，简称为电路图。例如某用电器的电路如图 1-2 所示。 表 1-3 常用理想元件及符号 第二节 电流和电压 一、电流的基本概念 二、直流电流 三、交流电流 四、电压 一、电流的基本概念

4、 电路中电荷沿着导体的定向运动即形成电流，其方向规定为 正电荷流动的方向(或负电荷流动的反方向)，其大小等于在单位 时间内通过导体横截面的电量，称为电流强度(简称电流)，用符 号 I 或 i(t)表示，讨论一般电流时可用符号 i 。 设在 t = t2t1 时间内，通过导体横截面的电荷量为 q = q2q1，则在 t 时间内的电流强度可用数学公式表示为 式中，t 为很小的时间间隔，时间的国际单位制为 秒(s)，电量 q 的国际单位制为库仑 (C)。电流 i(t) 的国际单 位制为安培 (A) 。 常用的电流单位还有毫安 （mA）、微安（ A）、千安 （kA） 等，它们与安培的换算关系为 1 m

5、A = 10-3A； 1 A = 10-6 A； 1 kA = 103 A 二、直流电流 如果电流的大小及方向都不随时间变化，即在单位时间内 通过导体横截面的电量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流， 简称为直流 (Direct Current)，记为 DC 或 dc ，直流电流要用 大写字母 I 表示。 直流电流 I 与时间 t 的关系在 It 坐标系中为一条与时间轴 平行的直线。 第三节 电 阻 一、电阻元件 二、电阻与温度的关系 一、电阻元件 电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件，例如灯泡、 电热炉等电器。 电阻定律 制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆米 ( m) ； l 绕制成电阻的

6、导线长度，国际单位制为米 (m) ； S 绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米 (m2) ； R 电阻值，国际单位制为欧姆 () 。 经常用的电阻单位还有千欧 (k) 、兆欧 (M) 1 k = 103 ； 1 M = 106 二、电阻与温度的关系 电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影 响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高 1C 时电阻值 发生变化的百分数。 如果设任一电阻元件在温度 t1 时的电阻值为 R1，当温度升高 到 t2 时电阻值为 R2 ，则该电阻在 t1 t2 温度范围内的(平均)温度 系数为 如果 R2 R1 ，则 0，将 R 称为正温度系数电阻

7、，即电阻 值随着温度的升高而增大；如果 R2 R1，则 0，将 R 称为负 温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。显然 的绝对 值越大，表明电阻受温度的影响也越大。 R2 = R1 1 (t2t1) 第四节 部分电路欧姆定律 一、欧姆定律 二、线性电阻与非线性电阻 一、欧姆定律 电阻元件的伏安关系服从欧姆定律，即 U = RI 或 I = U / R = GU 其中 G = 1/R，电阻 R 的倒数 G 叫做电导，其国际单位制为 西门子 (S) 。 二、线性电阻与非线性电阻 电阻值 R 与通过它的电流 I 和两端电压 U 无关 (即R = 常数 ) 的电阻元件叫做线性电阻，其伏安特性曲线

8、在 IU 平面坐标系中为一条通过原点的直线。 电阻值 R 与通过它的电流 I 和两端电压 U 有关 (即R 常数) 的电阻元件叫做非线性电阻，其 伏安特性曲线在 IU 平面坐标系 中为一条通过原点的曲线。 通常所说的“电阻” ，如不 作特殊说明，均指线性电阻。图1-4 线性电阻的伏安特性曲线 第五节 电能和电功率 一、电功率 二、电能 三、电气设备的额定值 四、焦耳定律 一、电功率 电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在 单位时间内吸收或发出的电能。两端电压为 U、通过电流为 I 的 任意二端元件(可推广到一般二端网络)的功率大小为 P = UI 功率的国际单位制单位为瓦特(W)

9、，常用的单位还有毫瓦 (mW)、千瓦(kW)，它们与 W 的换算关系是 1 mW = 103 W； 1 kW = 103 W 吸收或发出：一个电路最终的目的是电源将一定的电功率 传送给负载，负载将电能转换成工作所需要的一定形式的能量 。即电路中存在发出功率的器件(供能元件)和吸收功率的器件( 耗能元件)。 习惯上，通常把耗能元件吸收的功率写成正数，把供能元 件发出的功率写成负数，而储能元件(如理想电容、电感元件) 既不吸收功率也不发出功率，即其功率 P = 0。 通常所说的功率 P 又叫做有功功率或平均功率。 二、电能 电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的 电能量，用符号W表示，其

10、国际单位制为焦耳(J)，电能的计 算公式为 W = P t = U I t 通常电能用千瓦小时(kW h)来表示大小，也叫做度(电)： 1 度(电) = 1 kW h = 3.6 106 J 即功率为 1 000 W 的供能或耗能元件，在 1 小时的时间内所 发出或消耗的电能量为 1 度。 【例1-1】有一功率为 60 W 的电灯，每天使用它照明的时 间为 4 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 = 4 30 = 120 h， 则 W = P t = 60 120 = 7200 W h = 7.2 kW h 即每月

11、消耗的电能为 7.2 度，约合为 3.6 106 7.2 2.6 107 J 三、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，都 规定了额定电压、额定电流、额定功率等铭牌数据。 额定电压电气设备或元器件所允许施加的最大电压。 额定电流电气设备或元器件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。 四、焦耳定律 电流通过导体时产生的热量(焦耳热)为 Q = I2 R t I 通过导体的直流电流或交流电流的有效值，单位为 A。 R 导体的电阻值，单位为 。 T 通过导体电流持续的时间，单位为 s。 Q 焦耳热单位为 J。