第一部分 電工基礎

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第一章 電路的基本概念和基本定理

復習內容

本章主要介紹了電路的概念、基本物理量、基本元件和基本定律。

復習要求

1．掌握電路的組成，理解電路的三種基本工作狀態和電氣設備額定值的意義。

2．理解電流的概念和電流產生的條件，掌握電流的計算公式和方向的規定。

3．理解電壓、電位的聯系和區別，掌握電壓方向的規定。

4．理解電能和電功率的概念，熟練掌握電能、電功率的計算。

5．了解電源的外特性。

6．理解電阻和電阻器的概念，了解超導現象，掌握電阻定律。

7．熟練掌握電路歐姆定律的計算與應用。

8．了解焦耳—楞次定律。

9．熟練掌握負載獲得最大功率的條件。

1.1 電路

一、電路的組成

（一）電路

電路是指實際元器件按一定方式連接起來，以形成電流的通路。

（二）電路的組成及各部分組成的作用

電路由以下四部分組成：

1．電源：將其他形式的能量轉變為電能的裝置。作用：為電路提供能量。

2．負載：指用電器，各種用電設備的總稱。作用：將電能轉化為其他形式的能量。

3．導線：連接電源與負載的金屬線稱為導線。作用：將電源產生的電能輸送給負載。

4．控制和保護裝置：用來控制電路的通斷、保護電路的安全，使電路正常工作的裝置。

二、電路的工作狀態

電路的工作狀態有哪些？分別有什么特點？

1．有載狀態：電源與負載接成閉合回路，產生電流，并向負載輸出電功率狀態。

2．開路狀態：又叫斷路，指電路中某處斷開，電路中無電流。

3．短路狀態：電路某一部分被導線直接連通，其兩端電壓為零。若電源的兩端直接用導線連通，電路中電流很大，會損壞電氣設備。

三、電路圖

1．定義：將電路中的實際元器件用規定的圖形符號表示出來的電路連接圖。

2．常用的電氣元件符號參見教材第2頁。

四、單位制

在國際單位制（SI制）有7個基本單位，如表1-1所示。

1.2 電路中的基本物理量

一、電流

（一）電流的基本概念

1．電流的形成：電路中電荷的定向運動形成電流。

2．電流的特征：表征帶電粒子定向運動強弱的物理量。

3．電流計算公式：

4．單位：國際單位為安培（A）；常用單位有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。

5．換算關系：1kA=103A，1mA=10-3A，1μA=10-3mA=10-6A

（二）電流的參考方向

規定正電荷定向移動的方向為電流的實際方向。

由于實際電路中的電流方向很難判斷，因此引入參考方向。參考方向為任意方向。在參考方向下計算出的電流為正值，則說明參考方向與實際方向一致；反之，則二者方向相反，如圖1-1所示。

（三）分類

1．直流電流：大小和方向都不隨時間改變而發生變化的電流，又叫恒定電流。用大寫字母I表示。

2．交流電流：大小和方向都隨時間改變而發生變化的電流。用小寫字母i表示。

二、電壓

（一）電壓

1．電壓：單位正電荷從一點移動到另一點電場力所做的功。

2．計算公式：

3．單位：基本單位為伏特（V）；常用單位有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。

4．換算關系：1kV=103V，1mV=10-3V，1μV=10-3mV=10-6V

（二）方向

正電荷運動的起點指向終點，又叫做電壓的極性。用“+”、“-”兩個符號表示。

由于實際電壓方向很難判斷，因此引入參考方向。參考方向為任意方向。在參考方向下計算出的電壓為正值，則說明參考方向與實際方向一致；反之，則二者方向相反。

參考方向的三種表示方法如圖1-2所示。

（三）電壓的分類

1．直流電壓：大小和極性都不隨時間改變而發生變化的電壓，又叫恒定電壓。用大寫字母U表示。

2．交流電壓：大小和極性都隨時間改變而發生變化的電壓。用小寫字母u表示。

（四）關聯參考方向

為分析電路方便起見，總是把某元件或某段電路電壓參考方向和電流參考方向取為關聯參考方向。關聯參考方向規定電流參考方向是從電壓參考方向的正極流入，負極流出，如圖1-3所示。

三、電位

（一）參考點

參考點是計算電位的基準點，電路中的各個點電位都是針對這個基準點而言的。通常規定參考點的電位為零，因此，參考點又叫做零電位點，用接地符號“⊥”表示。參考點的選取是任意的。

（二）電位

在電路中任選一個參考點，電路中某一點到參考點的電壓就叫做該點的電位。電位的符號用U來表示，如a點和零參考點間的電壓Ua0稱為a點的電位，記做Ua，電位的單位是伏特（V）。

（三）電位降

1．電位降即電壓，電壓的方向即是電位降低的方向，且電路中任意兩點間的電壓即為此兩點間的電位差。

2．公式：Uab=Ua-Ub

（四）電壓與電位的區別

1．電位的值隨參考點選取的不同而不同，具有多值性。

2．電壓的值與參考點的選取無關，其值具有單一性。

四、電能

1．電能：在電場力作用下，電荷定向移動形成的電流所做的功叫電能。

2．計算公式：W=Uq；W=UIt

3．單位：國際單位為焦耳（J）；常用單位為千瓦小時（度）。

4．換算關系：1度=1kW·h=3.6×106J

五、電功率

（一）電功率

1．電功率：電場力在單位時間內所做的功。常用電器（如電燈泡、電爐、電烙鐵）上都標明了它的額定電壓、額定電流、額定功率，表示電器設備所允許的最大電壓、電流和功率。

2．計算公式：, P=UI

3．單位：國際單位為瓦特（W）；常用單位有千瓦（kW）、毫瓦（mW）。

4．換算關系：1kW=103W，1mW=10-3W

（二）電能與電功率的區別

電能是指一段時間內電流所做的功，或者說一段時間內負載消耗的能量。

電功率是指單位時間內電流所做的功，或者說是指單位時間內負載消耗的能量。

六、電源及電動勢

（一）電源

電源是把其他形式的能轉換成電能的裝置。

（二）電源的作用

把正電荷由低電位的負極經內電路送到高電位的正極，內電路和外電路連接而成一個閉合電路，外電路中就有了電流。

（三）電動勢

電動勢是電源力將單位電荷從電源負極移到正極克服電場力所做的功。用E表示。

（四）電動勢的大小及方向

大小：在數值上等于電源電極兩端的電位差。

方向：電場力推動正電荷運動的方向，即電位升高的方向，與電壓的實際方向相反。

（五）電動勢與電壓的區別

1．電動勢與電壓的物理意義不同。電動勢表示非電場力做功的本領，電壓表示電場力做功的本領。

2．電動勢僅僅在電源內部，是電源特有的。電壓存在于電源的內、外部。

3．電動勢與電壓的方向相反。

1.3 電阻及其與溫度的關系

一、電阻

（一）電阻器

電阻器是對電路中電流起阻礙作用且消耗電能的器件。

（二）電阻

1．電阻是表示導體對電流阻礙作用大小的物理量，用R表示。

2．單位：國際單位為歐姆（Ω）；常用單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。

3．換算關系：1kΩ=103Ω，1MΩ=103kΩ=106Ω

（三）電阻定律

在溫度不變時，一定材料制成的導體的電阻跟它的長度成正比，跟它的截面積成反比。即

二、電阻與溫度的關系

R2=R1[1+α（t2-t1）]

1.4 歐姆定律

一、歐姆定律

（一）部分電路歐姆定律

電路中的電流I與加在這段電路兩端的電壓U成正比，與這段電路的電阻R成反比。

公式如下。

在關聯參考方向下：

在非關聯參考方向下：

（二）全電路歐姆定律

全電路中的電流I與電源的電動勢E成正比，與電路的總電阻（外電路的電阻R和內電阻r0之和）成反比。

公式如下。

式中，I— 電路中的電流，單位為安培（A）；

E—電源的電動勢，單位為伏特（V）；

R— 外電路的電阻，單位為歐姆（Ω）；

r0— 電源內阻，單位為歐姆（Ω）。

二、伏安特性曲線

用含源電路“在線”狀態下測量電阻兩端的電壓和對應的電流值，在直角坐標系中，電壓U為橫坐標，以電流I為縱坐標，畫出電壓與電流的關系曲線，這條曲線叫做元件的伏安特性曲線，也叫外特性曲線。特性曲線參考教材第18頁圖1-19。

三、電阻元件消耗的能量與功率

1．計算電阻消耗的能量：

2．計算電阻消耗的電功率：

1.5 焦耳–楞次定律

一、焦耳—楞次定律

電流流過導體產生的熱量Q與電流I的平方成正比，與導體的電阻R成正比，與通電時間t成正比。

二、焦耳—楞次定律的公式

Q=I2Rt

式中，Q— t時間內產生的熱量，單位為焦耳（J）；

I—流過導體的電流，單位為安培（A）；

R—導體的電阻，單位為歐姆（Ω）；

t— 通電的時間，單位為秒（s）。

1.6 負載獲得最大功率的條件

一、負載獲得最大功率的條件

條件：

R=r0

二、最大功率

獲得最大功率為：

此時，稱之為負載與電源匹配。