模块一　电路基础知识（课件）-《电工基础》同步教学（劳保版，第二版）

模块一 电路基础知识 1 课题二　电阻 课题一　电流和电压 课题三　电功和电功率 课题一　电流和电压 3 学习目标 1. 了解电路的基本组成，熟悉电路图中常用符号。 2. 理解电流的概念，了解直流电流和交流电流的特点。 3. 理解电压、电位和电动势的概念。 4. 能用万用表正确测量电流和电压。 4 课题一　电流和电压 一、电路和电路图 按图 a 所示，用开关和导线将干电池 （电源） 和小灯泡连接起来，只要合上开关，有电流流过，小灯泡就会亮起来。 与此相似，将电风扇接上电源，只要合上开关，有电流流过，电风扇就会转起来，如图b 所示。 5 电路和电路图 课题一　电流和电压 像这样有电流流通的路径称为电路。 如上图 c、d 是用电气符号描述电路连接情况的图，称为电路原理图，简称电路图。 如上图 e 是用功能块表明电路中各部分之间关系的图，称为框图。 在上述电路中，电源是提供电能的装置；开关是控制装置，控制电路的导通 （ ON）和断开 （OFF）；小灯泡和电风扇的电动机是消耗电能的装置，称为负载，也称用电器；导线在电路中起连接作用。 为了保证电路的安全运行，在有些电路中还安装有熔断器等保护装置。 电路的主要功能有两类： 一类是进行能量的传输、分配和转换。另一类是实现信息的传递和处理。 6 课题一　电流和电压 二、电流 电荷有规则的定向运动称为电流。 电流是一种客观存在的物理现象。 1. 电流的方向 习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向，因此电流的方向实际上与电子移动的方向相反。 7 课题一　电流和电压 若电流的方向不随时间的变化而变化，则称其为直流电流，简称直流，用符号 DC 表示。其中，电流大小和方向都不随时间变化而变化的电流，称为稳恒直流电流，如图 a 所示；电流大小随时间的变化而呈周期性变化，但方向不变的电流，称为脉动直流电流，如图 b 所示。 本书中所说的直流电流，如无特殊说明，均指稳恒直流电流。 若电流的大小和方向都随时间而变化，如图c 所示，则称其为交变电流，简称交流，用符号 AC 表示。 上图所示电路中，小灯泡由直流电源 （干电池） 供电，是直流电路；电风扇由交流电源供电，是交流电路。 8 课题一　电流和电压 9 直流和交流 a） 稳恒直流电流　b） 脉动直流电流　c） 交变电流 课题一　电流和电压 在分析和计算较为复杂的直流电路时，经常会遇到某一电流的实际方向难以确定的问题，这时可先任意假定电流的参考方向，然后根据电流的参考方向求解。 10 电流的参考方向和实际方向 a） I>0　b） I<0 课题一　电流和电压 2. 电流的大小 在单位时间内，通过导体横截面的电荷量越多，表示流过该导体的电流越大。 若在时间 t 内通过导体横截面的电荷量是 Q，则电流 I 可用下式表示： 式中，I、Q、t 的单位分别为安培 （A）、库仑 （C）、秒 （s）。 常用的电流单位除安培（简称安） 外，还有千安 （kA）、毫安 （mA） 和微安 （μA）。 它们之间的换算关系为 1 kA = 1 000 A 1 A = 1 000 mA 1 mA = 1 000 μA 11 课题一　电流和电压 3. 电流的测量 电流的大小可以用电流表或万用表等仪表进行测量。 测量电流时应注意： •对交、直流电流应分别使用交流电流表和直流电流表测量。 •电流表或万用表必须串接到被测量的电路中。 （1） 用直流电流表测量直流电流 直流电流表如图所示，表壳接线柱上标有表明极性的记号。 测量时，直流电流应从 “0. 6 A” “3 A” 等代表正极的一端流进，“ -” 端流出，不能接错，否则指针会反偏，既影响正常测量，也容易损坏电流表。 12 课题一　电流和电压 13 直流电流表 课题一　电流和电压 每个电流表都有一定的测量范围，称为电流表的量程。 一般被测电流的数值在电流表量程的一半以上，读数较为准确。 因此，在测量之前应先估计被测电流大小，以便选择适当量程的电流表。 若无法估计，可先用电流表的最大量程挡测量，当指针偏转不到 1 / 3 刻度时，再改用较小量程挡去测量，直到测得准确数值为止。 为了在接入电流表后，对电路原有工作状况影响较小，电流表的内阻应尽量小。 14 课题一　电流和电压 （2） 用万用表测量直流电流 万用表是一种多用途、多量程的电工测量仪表。 常用的万用表有模拟式和数字式两大类，如图所示。 15 万用表 a） 模拟式　b） 数字式 课题一　电流和电压 使用万用表应注意以下几点： 1） 使用前必须仔细阅读使用说明书，了解转换开关的功能。 2） 对于模拟式万用表，必须先调准指针的机械零点，如图所示。 16 模拟式万用表机械调零 课题一　电流和电压 3） 使用万用表测量时，必须正确选择参数和量程，同时应注意两支测量表笔的正、负极性。 对于模拟式万用表，选择电流量程时，最好使指针处在刻度尺 1 / 3 ~ 2 / 3 的位置。 4） 在进行大电流测量时，必须注意人身和仪表的安全，严禁带电切换转换开关。 5） 测量结束后，应将转换开关置于空挡或交流电压最高挡，以防下次测量时由于疏忽而损坏万用表。 17 课题一　电流和电压 三、电压、电位和电动势 1. 电压 在金属导体中虽然有许多自由电子，但只有在外加电场的作用下，这些自由电子才能做有规则的定向移动而形成电流。 电场力将单位正电荷从 a 点移到 b 点所做的功，称为 a、b 两点间的电压，用 Uab 表示。 电压的单位为伏特，简称伏，符号是 V。 18 课题一　电流和电压 除此之外还有千伏（kV）、毫伏 （mV） 和微伏 （μV）。 它们之间的换算关系为 1 kV = 1 000 V 1 V = 1 000 mV 1 mV = 1 000 μV 电压与电流的关系和水压与水流的关系有相似之处。 19 课题一　电流和电压 在如图所示装置中，由于用水泵不断将水槽乙中的水抽送到水槽甲中，使 A 处比 B处水位高，即 A、B 之间形成了水压，水槽中的水便由 A 处向 B 处流动，从而推动水车旋转。 20 水压与水流 课题一　电流和电压 在如图所示电路中，由于电源的正、负极间存在着电压，电路中便有正电荷由正极流向负极 （实际上是负电荷由负极流向正极），从而使灯泡发光。 21 电压与电流 课题一　电流和电压 电压的实际方向即正电荷在电场中的受力方向。 在计算较复杂电路时，电压的实际方向常常难以判断，因此也要先设定电压的参考方向。 原则上电压的参考方向可任意选取，但如果已知电流参考方向，则电压参考方向最好选择与电流参考方向一致，称为关联参考方向。 当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值；反之，为负值。 电压的参考方向有三种表示方法，如图所示。 22 电压参考方向的表示方法 a） 箭头表示　b） 极性符号表示 （参考方向由正指向负） c） 双下标表示 （参考方向由 a 指向 b） 课题一　电流和电压 2. 电位 如果在电路中选定一个参考点 \，则电路中某一点与参考点之间的电压即该点的电位。 电位的单位也是伏特 （V）。 电位通常用 V 或 φ 表示，为简便起见，本书仍用 U 表示电位，如 a、b 点的电位可分别记为 Ua 、Ub 。 原则上参考点可以任意选择，但为了便于分析计算，在电力电路中常以大地作为参考点，电路符号为 “ ”；在电子电路中常以多条支路汇集的公共点或金属底板、机壳等作为参考点，电路符号为 “ ” 或 “ ”。 高于参考点的电位取正，低于参考点的电位取负。 电路中任意两点之间的电位差等于这两点之间的电压，即 Uab =Ua -Ub ，故电压又称电位差。 23 课题一　电流和电压 3. 电动势 电源将正电荷从电源负极经电源内部移到正极的能力用电动势表示，电动势符号为 E，单位为 V。 电源电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。 电动势的方向规定为在电源内部由负极指向正极，如图所示。 24 直流电动势的两种符号 课题一　电流和电压 对于一个电源来说，既有电动势，又有端电压。 电动势只存在于电源内部；而端电压则是电源加在外电路两端的电压，其方向由正极指向负极。 在有载情况下，电源的端电压在数值上总是低于电源内部的电动势，只有当电源开路时，电源的端电压在数值上才等于电源的电动势。 25 课题一　电流和电压 4. 电压的测量 电压的大小可以使用电压表或万用表等仪表进行测量。 测量电压时应注意： •对交、直流电压应分别采用交流电压表和直流电压表测量。 •电压表必须并联在被测电路的两端。 （1） 用直流电压表测量直流电压 直流电压表如图所示，表壳接线柱上标有表明极性的记号。 测量时，直流电压表上的记号应和被测两点的电位相一致，即 “3 V” “15 V” 等代表正极的一端接高电位，“ -” 端接低电位，如图所示，不能接错，否则会因指针反转而损坏直流电压表。 26 课题一　电流和电压 27 直流电压表 直流电压的测量 应注意合理选择电压表的量程，其方法和电流表相同。 为了在接入电压表后对电路的原有工作状况影响较小，电压表的内阻应尽量大，使通过电压表的电流相对于正常工作电流小到可以忽略不计。 课题一　电流和电压 （2） 用万用表测量直流电压 万用表使用前的准备工作及使用中的注意事项与测量电流时基本相同。 要特别注意：万用表必须与被测电路并联；选择电压量程时，最好使指针处在刻度尺 1 / 3 ~ 2 / 3 的位置。 28 课题一　电流和电压 课题二　电　阻 29 学习目标 1. 掌握电阻、电阻率的概念和电阻的计算式。 2. 了解热敏电阻等敏感电阻的特点。 3. 能用万用表测量电阻，用绝缘电阻表测量绝缘电阻。 30 课题一　电流和电压 一、电阻与电阻率 导体在使电流通过的同时也对电流起着阻碍作用，这种对电流的阻碍作用称为电阻。导体的电阻用 R 表示。 在各种电路中，经常要用到具备一定电阻值的元件———电阻器，电阻器也简称电阻。 电阻的单位为欧姆 （Ω），比较大的单位还有千欧 （ kΩ）、兆欧 （ MΩ）。 它们之间的换算关系为 1 MΩ = 1 000 kΩ 1 kΩ = 1 000 Ω 31 课题一　电流和电压 导体的电阻是导体本身的一种性质。 它的大小取决于导体的材料、长度和横截面积，可按下式计算： 式中，ρ 为导体的电阻率，单位为欧·米 （Ω·m）；l 为导体的长度，单位为 m；S 为导体的横截面积，单位为 m2 。 32 课题一　电流和电压 电阻率的大小反映了各种材料导电能力的强弱。 电阻率小、电流容易通过的物体称为导体；电阻率大、几乎不能通过电流的物体称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为半导体。 半导体是电子技术的基础材料，其应用十分广泛，与人们的生产、生活和科技进步紧密相关。 在一定条件下，某些材料的电阻会变为零，称为超导体。 33 课题一　电流和电压 从右图中可以看出，纯金属的电阻率小，导电能力强，所以连接电路的导线一般用电阻率小的铝或铜来制作，必要时还在导线上镀金或银。 合金的电阻率较大，常用于制作电阻器、电炉电阻丝等。 而为了保证安全，电线的外皮、常用电工工具的手柄外壳等都要用橡胶、塑料等绝缘材料制成。 导体、绝缘体、半导体的典型应用示例如图所示。 34 典型材料电阻率的对比 课题一　电流和电压 35 导体、绝缘体、半导体的典型应用示例 课题一　电流和电压 二、稳压过程 当输出电压变化时，取样电路电阻将其变化量的一部分送到比较放大电路。取样电压和基准电压 UZ 进行比较放大，再控制调整管的基极电位，然后通过控制 UCE1 的变化调整输出电压，从而保证 Uo 基本稳定。 假设由于某种原因（如电网电压波动或者负载电阻变化等）使输出电压 Uo 有增加的趋势，其稳定过程可以表示如下： 可见，串联型稳压电路实质上是靠引入深度负反馈来稳定输出电压的。 36 课题一　电流和电压 各种材料的电阻率都随温度的变化而变化。 一般来说，金属的电阻率随温度升高而增大；电解液、半导体和绝缘体的电阻率则随温度升高而减小；而有些合金，如锰铜合金和镍铜合金的电阻率几乎不受温度变化的影响，常用来制作标准电阻器。 37 课题一　电流和电压 二、常用电阻 常用电阻的外形和符号见下表。 38 常用电阻的外形和符号 课题一　电流和电压 39 常用电阻的外形和符号 课题一　电流和电压 40 常用电阻的外形和符号 课题一　电流和电压 三、敏感电阻 敏感电阻是指对温度、电压、湿度、光照、气体、磁场、压力等作用敏感的电阻，如光敏电阻、热敏电阻、压敏电阻等。 部分敏感电阻的外形和符号见下表。 41 常用电阻的外形和符号 课题一　电流和电压 敏感电阻在电子测量和自动控制电路中有广泛应用。 以热敏电阻为例，电阻值随温度升高而减小的热敏电阻称为负温度系数 （NTC） 的热敏电阻，电阻值随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数 （PTC） 的热敏电阻。 如图所示水温测量电路中使用的是一种负温度系数的热敏电阻，若水的温度升高，则热敏电阻的电阻值减小，通过水温表的电流增大，显示的水温值也相应升高。 42 水温测量电路 课题一　电流和电压 四、电阻的测量 1. 用伏安法测量电阻 如图所示，把被测电阻 Rx 接到电源上，在通电的情况下，用电流表和电压表测出流经被测电阻 Rx 的电流 I 和被测电阻 Rx 两端的电压 U，根据部分电路欧姆定律 I = ，可得 Rx = ，代入电压和电流值即可计算出电阻值。 43 用伏安法测量电阻 课题一　电流和电压 用伏安法测量电阻，虽然需要计算，而且测量误差也较大，但它能在通电的工作状态下测量电阻，这在有些场合是很有实际意义的，如测量灯泡点亮后的热态电阻，测量二极管、三极管导通后的电阻等。 44 课题一　电流和电压 2. 用万用表测量电阻 用万用表测量电阻时应注意以下几点： （1） 测量电路中的电阻前，应切断电源，严禁带电测量电阻，如图所示。 45 测量电阻前断开电源 课题一　电流和电压 （2） 估计被测电阻的大小，选择万用表适合的倍率挡，然后进行欧姆调零，即将两支表笔相碰，旋动欧姆调零旋钮，使指针指在电阻刻度尺的零位，如图所示。 一般情况下，测量电阻时指针位于刻度尺的 1 / 3 ~ 2 / 3 位置为宜。 46 万用表欧姆调零 课题一　电流和电压 （3） 测量时双手不可触碰电阻引脚及表笔金属部分，以免接入人体电阻，引起测量误差，如图所示。 47 错误的测量动作 课题一　电流和电压 （4） 测量电路中某一电阻时，应将电阻的一端断开，如图所示。 48 测量时断开电阻一端 课题一　电流和电压 3. 用绝缘电阻表测量绝缘电阻 电气设备或线路的绝缘材料具有极高的电阻，常以兆欧 （ MΩ） 为单位。 当绝缘材料受潮、老化或损坏时，绝缘电阻会减小，漏电流会增大，因此，必须经常检测电气设备或线路的绝缘电阻，确保其符合标准。 绝缘电阻表 （又称兆欧表） 是一种专门用来测量绝缘电阻的仪表。如图所示为发电机式兆欧表，表内有一台微型手摇发电机，测量时通过发电机产生较高的电压。 手摇发电机的额定电压主要有 500 V、1 000 V 和 2 500 V 等几种，可根据被测电气设备或线路的额定电压进行选择。 49 课题一　电流和电压 50 发电机式兆欧表 课题一　电流和电压 兆欧表的基本用法： 将线路端 （ L） 和接地端 （ E） 分别接被测设备的相应部分，由慢到快摇动手柄，当转速达到 120 r / min 时，保持转速均匀、稳定，当指针稳定时读取数值，记录数据。 在测量电气设备带电部分与金属外壳 （地） 之间的绝缘电阻时，金属外壳 （地） 要接到 E 端，否则测量结果会不准确。 51 课题一　电流和电压 如图所示为数字式兆欧表。 其输出功率大，带载能力强，抗干扰能力强，量程可自动转换，一目了然的操作面板和液晶显示屏 （ LCD） 使测量十分方便和迅捷。 数字式兆欧表使用时不需人力做功，优先使用交流电供电，不接交流电时，使用电池供电。 52 数字式兆欧表 课题一　电流和电压 用数字式兆欧表测量绝缘电阻时，线路端 （ L） 与被测物体同大地绝缘的导电部分相接，接地端 （ E） 与被测物体金属外壳或接地部分相接，屏蔽端 （ G） 与被测物体保护遮蔽部分或其他不参与测量的部分相接。 在测量过程中，兆欧表 “E” “L” 端子之间有较高电压，操作时要特别注意人体各部分不可触及。 53 课题一　电流和电压 课题三　电功和电功率 54 学习目标 1. 理解电功、电功率的概念。 2. 掌握电功、电功率和焦耳热的计算方法。 3. 理解电气设备所标额定值的含义。 55 课题一　电流和电压 一、电功 搬运工将重物搬到高处，这是人力做功，消耗的是体能；使用电动葫芦同样也能把重物搬到高处，这是电流做功，消耗的是电能，如图所示。 56 人力做功和电流做功 a） 搬运工搬重物消耗的是体能　b） 电动葫芦搬重物消耗的是电能 课题一　电流和电压 电流做功的过程，实质上就是将电能转化为其他形式的能的过程。 电流所做的功，简称电功，用字母 W 表示。 研究表明，电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流 I 和通电时间 t 三者的乘积，即 W = UIt 式中，W、U、I、t 的单位分别为焦耳 （J）、伏特 （V）、安培 （A）、秒 （s）。 电功的另一个常用单位是千瓦·时 （kW·h），即通常所说的 “度”，它和焦耳的换算关系为 1 kW·h = 3. 6 × 106 J 57 课题一　电流和电压 用来测量电流做功多少 （也就是电路消耗电能多少） 的仪表称为电能表，如图所示。 58 电能表 a） 电子式电能表　b） 预付费 IC 卡式电能表　c） 智能电能表 课题一　电流和电压 二、电功率 在相同的时间内，电流通过不同的用电器所做的功，一般并不相同。 电流在单位时间内所做的功称为电功率，用字母 P 表示，单位为瓦特 （W），简称瓦。常用的电功率单位还有兆瓦 （MW） 和千瓦 （kW）。 它们之间的换算关系为 1 MW = 1 000 kW 1 kW = 1 000 W 59 课题一　电流和电压 电功率的计算式为 式中，P、W、t、U、I 的单位分别为 W、J、s、V、A。 对于纯电阻电路，根据初中时学过的欧姆定律，上式还可以写为 60 课题一　电流和电压 电功率是利用功率表进行测量的，如图所示为 D26-W 型便携式单相功率表。 61 D26-W 型便携式单相功率表 课题一　电流和电压 三、电流的热效应 电烙铁通电后会发热，电水壶通电后可以将水烧开。 电流通过导体时使导体发热的现象称为电流的热效应。 也就是说，电流的热效应就是电能转换成热能的效应。 电流与它流过导体时所产生的热量之间的关系可用下式表示： Q = I2 Rt 式中，Q 的单位是焦耳 （J），这种热也称焦耳热。 I、R、t 的单位分别为 A、Ω、s。 62 课题一　电流和电压 如果是纯电阻电路，那么电流所做的功与产生的热量相等，即电能全部转换为电路的热能。 如果不是纯电阻电路，例如电路中有电动机、电解槽等其他类型负载，电能除部分转换为热能外，还有一部分要转换为机械能、化学能等。 63 课题一　电流和电压 电流的热效应也有不利的一面，如电动机在运行中发热，不仅消耗电能，而且会加速绝缘材料的老化，严重时会发生事故。 因此，在电气设备中应采取防护措施，以避免由电流的热效应所造成的危害。 例如，许多大功率电气设备都装有散热器或散热片，有的电气设备还装有电风扇，机壳上设有散热孔，这些都是为了加快散热，如图所示。 64 课题一　电流和电压 65 电气设备的散热装置 a） 散热孔　b） 电风扇　c） 散热器　d） 散热片 课题一　电流和电压 四、 负载的额定值 电气设备能长期安全工作所允许的最大电流、最大电压和最大功率分别称为额定电流、额定电压和额定功率。 一般元器件和设备的额定值都标在其明显位置，如灯泡上标有的 “220 V / 40 W” 和电阻上标有的 “100 Ω / 2 W” 等。 电动机的额定值通常标在其外壳的铭牌上，故其额定值也称铭牌数据。如图所示为电气设备的铭牌示例。 66 课题一　电流和电压 67 电气设备的铭牌示例 a） 三相异步电动机的铭牌　b） 电力变压器的铭牌 电气设备在额定功率下的工作状态称为额定工作状态，也称满载；低于额定功率的工作状态称为轻载；高于额定功率的工作状态称为过载或超载。 由于过载很容易烧坏用电器，所以一般不允许出现过载。 课题一　电流和电压 $$