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电工技术与基础


《电工技术基础与技能》演示文稿

1

认识电路

高 等 教 育 出 版 社 Higher Education Press

《电工技术基础与技能》演示文稿
1 教学难点:
1.了解电路的三种状态特点。 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。

r />认识电路

教学重点:
1. 了解电路的基本组成、电路的三种状态和额定电压、电 流、功率等概念。 2.掌握电流、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。
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学时分配:
序号
1 2 绪论 第一节 电路





学 时

1

3
4 5 6

第二节
第三节 第四节 第五节

电流
电阻 部分电路欧姆定律 电能和电功率 1

7
8

单元小结
单元总学时

1 3
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1 认识电路

1.1 电路 1.2 电流 1.3 电阻 1.4 部分电路欧姆定律 1.5 电能和电功率 单元小结
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第一节 电



一、电路的基本组成 二、电路模型(电路图)

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一、电路的基本组成

1.什么是电路
电路是由各种元器件(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。

动画 M1-1

电路的状态

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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
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(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)。

(3)控制器件:

控制电路工作状态的器件或设备(如 开关等)。

(4)连接导线:

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)。

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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):电路断开,电路中没有电流通过,又称 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接 相连,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。
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二、电路模型(电路图)

由理想元件构成的电路称为实际电路的电路模型,也称为实 际电路的电路原理图,简称为电路图。例如手电筒的电路如图

1-2 所示。

图1-2 手电筒的电路原图
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电路是由电特性相当复杂的器件组成的,为了便于使用数 学方法对电路进行分析,可将电路实体中的各种电器设备和元 器件用一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件(模型)来代 替,而对它的实际结构、材料、形状等非电磁特性不予考虑。

理想元件

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表 1-3 常用理想元件及符号

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第二节 电流

一、电流的基本概念 二、直流电流 三、交流电流

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一、电流的基本概念

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 讨论一般电流时可用符号 i 。

单位时间内通过导体横截面的电荷量,电流用符号 I 或 i(t)表示,

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设在 ?t = t2-t1 时间内,通过导体横截面的电荷量为 ?q = q2-q1,则在 ?t 时间内的电流强度可用数学公式表示为
i (t ) ? ?q ?t

式中,?t 为很小的时间间隔,时间的国际单位制单位为 s (秒), 电荷量 ?q 的国际单位制为库仑 (C)。电流 i(t) 的国际单位制 为A (安培) 。 常用的电流单位还有mA (毫安)、 ?A(微安)、 kA(千

安) 等,它们与安培的换算关系为
1 mA = 10-3A; 1 ?A = 10-6 A; 1 kA = 103 A
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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荷量相等,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。
I? ?q Q ? ? 常数 ?t t

直流电流 I 与时间 t 的关系在 I-t 坐标系中为一条与时间 轴平行的直线。
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三、交流电流

如果电流的大小及方向均随时间变化,则称为变动电流。 对电路分析来说,一种最为重要的变动电流是正弦交流电流,

其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化,将之简称为 交流(Alternating Current),记为 AC 或 ac ,交流电流的瞬时值 要用小写字母i 或 i(t) 表示。

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第三节 电



一、电阻元件
二、电阻与温度的关系

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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。 l 电阻定律 R?? S ?—— 制 成 电 阻 元 件 的 材 料 电 阻 率 , 国 际 单 位 制 单 位 为 ?· m(欧·米) ; l ——绕制成电阻的导线长度,国际单位制为m (米) ; S ——绕制成电阻的导线横截面积,国际单位制为 m2 (平方米); R ——电阻值,国际单位制为? (欧) 。 经常用的电阻单位还有k? (千欧 ) 、 M? (兆欧) 1 k? = 103 ?; 1 M? = 106 ?
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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 1?C 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 R2 ? R1 ?? R1 (t 2 ? t1 ) 如果 R2 > R1 ,则 ? > 0,将 R 称为正温度系数电阻,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 ? ? (t2-t1) ]
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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

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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 称为电导,其国际单位制为 西门子 (S) 。

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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 ) 的电阻元件称为线性电阻,其伏安特性曲线在 U-I 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) 的电阻元件称为非线性电阻,其 伏安特性曲线在 U-I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1-3 线性电阻的伏安特性曲线
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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

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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能量。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 W(瓦特),常用的单位还有mW (毫瓦)、 kW (千瓦),它们与 W 的换算关系是 1 mW = 10?3 W; 1 kW = 103 W
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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 又称为有功功率或平均功率。

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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,其国际单位制为焦耳(J),电能的计 算公式为 W=P·=UIt t
通常电能用kW · (千瓦·时)来表示大小,也称为度(电): h 1 度(电) = 1 kW · = 3.6 ? 106 J h 即功率为 1 000 W 的供能或耗能元件,在 1 小时内所发出或 吸收的电能量为 1 度。
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【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 h(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 h= 120 h, 则 W = P · = 60 ? 120 W · = 7200 W · = 7.2 kW · t h h h 即每月消耗的电能为 7.2 度,约合为 3.6 ? 106 ? 7.2 J? 2.6 ? 107 J
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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——电气设备或元器件所允许通过的最大电流。 额定功率——在额定电压和额定电流下所消耗的功率,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下的工作状 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下的 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。
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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 ——热量单位为 J。

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单元小结

本单元介绍了电路的基本概念,内容包括:

一、电路

二、电流
三、电阻

四、电功率与电能

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一、电路

电路是由各种元器件(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。电路的基本组成包括电源、负 载、控制器件和连接导线等四个部分。电路有通路、开路、短 路等三种状态。

由理想元件构成的电路称为实际电路的电路模型,也称为 实际电路的电路原理图,简称为电路图。

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二、电流

在电场力作用下,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荷量,称为 电流。

电流的大小及方向都不随时间变化,则称为直流电流。电 流的大小及方向均随时间作周期性变化,则称为交流电流。

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三、电阻



1.电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件,电阻定律 l R?? S

电阻元件的电阻值一般与温度有关,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 1?C 时电阻值 发生变化的百分数,即 R2 ? R1 ?? R1 (t 2 ? t1 ) 2.电阻元件的伏安特性关系服从欧姆定律,即 U = RI 或 I = U/R = GU 。其中,电阻 R 的倒数 G 称为电导,其国际单位制 单位为S (西门子)。 3.电流通过导体时产生的热量为 Q = I2Rt (焦耳定律)。
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四、电功率与电能

电功率是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能量, P = UI 。
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,W = P · =UIt t

1度(电) = 1 kW · = 3.6 ? 106 J h
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。
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