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直流电路基础知识 讲师 xxx xx 公司 xx 部门 xx 类别 日期xx xx xx 前言 知识目标 了解电流 电压 电动势的基本概念 掌握其单位及单位的换算 了解电阻的概念和电阻与温度的关系 掌握欧姆定律 熟练应用欧姆定律进行计算 理解电能和电功率的概念 掌握焦耳定律 掌握电能 电功率的计算 会使用直流电压表 电流表 基本物理量 欧姆定律 电路的连接 电功和电功率 电流的热效应 短路 直流电路 1 1电路的组成 1 直流电路 电路就是电流流过的路径 它由电源 负载 连接导线和开关等组成 当开关闭合时 电路中有电流通过 负载就可以工作 叫做接通电路 即合闸 当开关断开时 电路中没有电流通过 负载停止工作 叫做断开电路 即分闸 1 电源电源是电路的源泉 它为电路提供电能 现在应用的电源有各种干电池电源 太阳能电源 风力发电电源 火力发电电源 水力发电电源 核能发电电源等 2 导线导线构成电路的通路 因为用途不同 导线的种类繁多 主要用于电力系统作为输电导线 3 开关开关是控制电路通 断的电器 设备 根据用途不同 其体积 形状差别很大 用在电子仪器 设备上的有微型开关 用在电力设备上的有耐高压 大电流的高压开关 用在运动设备上有接近开关 用在一般设备上的有刀开关 空气开关等 1 直流电路 4 负载负载是消耗电能的设备 电路通过负载 将电源的电能转化为热能 机械能 光能等其他形式的能 为人们所用 电路的负载常用的有以电动机驱动的各种机械 以电阻加热的电炉 电热器 电吹风 电烙铁等 以发光为目的的各种电光源 在电子电路中的各种耗能器件 发射装置等 都可以视为电源的负载 1 直流电路 各类开关 电路负载 a 低压电路翘板开关 b 低压电器断路器 电路符号 a 电动机 b 节能灯 电路符号 如图所示为最简单的电路 负载 连接导线和开关称为外电路 电源内部的一段电路称内电路 1 直流电路 1 电流导体中的自由电子在电场力的作用下 做有规则的定向移动 就行成了电流 习惯上规定正电荷移动的方向为电流方向 因此在金属导体中 电流的方向是和自由电子的实际移动方向相反的 2 电流强度电流的大小用电流强度 简称电流 来表示 其数值等于单位时间内通过导体截面的电荷量 通常用符号I表示 即 2 基本物理量 式中 I 电流强度Q 通过导体截面的电荷量t 通过电荷量Q所用的时间 2 基本物理量 电流强度的单位可用千安 KA 安 A 毫安 mA 表示 即 直流电流的大小和方向都不随时间变化 用大写字母I表示 3 电位 电压电场中某点的电位 在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移至无限远处的过程中电场力所做的功 其单位为伏特 简称伏 V 在电场中电位等于零的点叫做参考点 凡电位高于零电位的点 电位为正 凡电位低于零电位的点 其电位为负 通常往往以大地作为参考点 电场中两点之间的电位差 称为电压 其表达式为 2 基本物理量 式中 A 电场力所做的功Q 电荷量U 两点之间的电位差 即电压 2 基本物理量 电压的单位可用千伏 kV 伏 V 毫伏 mV 表示 即 电场中各点的电位 随着参考点的改变而不同 但是无论参考点如何改变 任意两点间的电位差是不变的 电压的正方向是从高电位点指向低电位点 2 基本物理量 4 电动势在电场中 将单位正电荷由低电位移向高电位时外力所作的功称为电动势 其表达式为 式中 A 外力所作的功Q 电荷量t 电动势电动势的正方向规定为由低电位指向高电位 即电位升高的方向 5 电流 电动势和电压的测量电流的大小用电流表来测量 测量时将电流表串联在被测的电路中 表的 端为电流的流入端 表的 端为电流的流出端 根据表针所指示的刻度 读出电流的大小 2 基本物理量 电动势和电压可用电压表来测量 测量时将表的两个接线端并联在被测电压的两端 测量时表的 接线端接被测电压的正极 接线端接被测电压的负极 根据表针所指示的刻度 读出电压的大小 2 基本物理量 6 电阻在电场力的作用下 电流在导体中流动时 所受到的阻力 称为电阻 用 R 或 r 表示 电阻常用的单位为 兆欧 M 千欧 k 欧 2 基本物理量 当导体两端的电压是1V 导体中的电流是1A时 这段导体的电阻为1 2 基本物理量 实验证明 在一定的温度下 截面积均匀 材料相同的一段金属导体电阻的大小 与其长度成正比 与其截面积成反比 并与其材料有关 这种关系称为电阻定律 可用公式表示为 式中 R 导体的电阻L 导体长度S 导体截面及 电阻率 2 基本物理量 导体的电阻率是指在温度为20 时 长1m 截面为1mm2的导体的电阻值 导体的电阻还与导体的温度有关 一般金属材料的电阻是随温度的升高而增加 但电解液导体是随温度的升高而降低考虑温度影响时的电阻 应为 式中 导体材料的电阻温度系数 即温度每增加1 时 导体电阻的变化值与原电阻的比值R1 温度为t1时的电阻值R2 温度升高到t2时的导体的电阻 能很好传导电流的物体叫导体 基本不能传导电流的物体叫绝缘体 导体能力介于导体和绝缘体之间的物质叫做半导体 导体和绝缘体是相对的 若外界条件促使绝缘体内部自由电荷增加 如灰尘 水分 温度等 就会使绝缘体向导体方向转化 失去绝缘体的作用 这种现象就是平常所说的绝缘劣化 导体的电阻可用欧姆表来测量 绝缘体的绝缘电阻可用绝缘摇表 兆欧表 来测量 2 基本物理量 欧姆定律是表示电压 或电势 电流和电阻三者关系的基本定律 如图所示为部分电路 3 欧姆定律 部分电路 实验证明 通过电阻的电流与电阻两端所加的电压成正比 与电阻成反比 称部分电路的欧姆定律 即 如果电路包括电源在内 称为全电路 3 欧姆定律 全电路 在这样的闭合电路中 电路中的电流与电源的电动势成正比 与电路中负载电阻及电源内阻之和成反比 称为全电路欧姆定律 即 E 电源电动势R r0 分别为负载电阻和电源的内阻I 电路中流过的电流 如果要考虑连接导线的电阻时 则总电阻中还要加上导线的电阻值 电路的连接 有串联和并联及混联三种形式 1 串联电路1 电阻的串联凡是将电阻首尾依次相连 使电流只有一条通路的接法叫做电阻的串联 在电阻串联电路中 具有下列特点 串联电路中各电阻流过的电流都相等 即I I1 I2 I3总电压等于各电阻上电压降之和 即U U1 U2 U3总电阻R为各个负载电阻之和 即R R1 R2 R3各电阻上电压降之比等于其电阻比 即U1 U2 R1 R2 4 电路的连接 2 电源的串联将前一个电源的负极和后一个电源的正极依次连接起来 即为电源的串联 电源这样连接可以获得较大的电源电压 串联电源的总电势为E E1 E2 E3 En总内阻为r0 r01 r02 r03 r0n串联电源发出的总电流为 4 电路的连接 2 并联电路1 电阻的并联将电路中若干个电阻并排连接起来的接法 称为电阻的并联 4 电路的连接 并联电路 电阻的并联电路具有以下特点 各电阻两端的电压均相等 即U U1 U2 U3电路总电流等于电路中各支路电流之总和 即I I1 I2 I3 可起到分流作用电路总电阻R的倒数等于各个支路电阻倒数之和 即1 R 1 R1 1 R2 1 R3 并联负载愈多 电路的总电阻愈小 电源供给的电流愈大 即负荷愈重 通过各支路的电流与各自电阻成反比 即I1 I2 R2 R1 4 电路的连接 2 电源的并联把所有电源的正极连接在一起 作为电源的正极 把所有电源的负极也连接在一起 作为电源的负极 然后接到电路中 称为电源的并联 用蓄电池作电源时 其并联必须具备两个条件 一是每个电源的电势必须相等 二是每个电源的内电阻必须相同 这时 总电动势仍等于一个电源的电动势 而流过外电路的电流等于流过各电源的电流总和 故在需要较大输出电流时 常采用电源的并联 4 电路的连接 3 混联电路电路中既有元件的串联又有元件的并联 称为混联电路 也叫复联电 对于混联电路的计算 要根据电路的具体情况应用有关串联和并联的特点来进行 一般步骤为 求出各元件串联和并联的等效电阻值 再计算电路的总电阻值 由电路总电阻值和电路的端电压 根据欧姆定律计算出电路的总电流 根据元件串联的分压关系和元件并联的分流关系 逐步推算出各部分的电压和电流 4 电路的连接 1 电功电流所做的功叫做电功 用符号A表示 电流的大小与电路中的电流 电压以及通电时间成正比 用公式表示为A UIt I2Rt式中U 电路两端的电压I 电路电流R 电路的电阻t 通电时间电功及电能量的单位名称是焦耳 单位符号是J 另一单位名称是千瓦时 单位符号为kWh 它们之间的关系是1kWh 3 6兆焦 5 电功和电功率 2 电功率电流在单位时间内所做的功叫做电功率 用字母P表示 用公式表示为P A t UI I2R U2 R式中A 电功t 做功的时间U 电压I 电流R 电阻电功率的单位名称为瓦特 单位符号位W 功率较大时 用 千瓦 或 兆瓦 作单位 写作 kW MW 5 电功和电功率 1 电流的热效应电流通过导体时 由于自由电子的碰撞 电能就不断地转变为热能 这种电流通过导体会产生热的现象 称为电流的热效应 电与热的转化关系为 Q I2Rt W式中I 导体中通过的电流R 导体的电阻t 电流通过导体的时间W 消耗的电能Q 导体产生的热量 6 电流的热效应 短路 2 短路如果电源通向负载的两根导线不经过负载而相互直接接通 就发生了电源被短路的情况 这时电路中的电流可能增大到远远超过导线所允许的电流限度 短路会造成电气设备的过热 甚至烧毁电气设备 引起火灾 同时 短路电流还会产生很大的电动力 造成电气设备损坏 严重的短路事故甚至还会破坏系统稳定 所以对运行中的电气设备应采取一定的保护措施 例如安装自动开关 熔断器等 当发生短路故障时 这些装置可将短路点及时切除 以限制短路造成的破坏 6 电流的热效应 短路 1 电阻两端电压为10V时 电阻为10 当电压升至20V时 电阻值将为20 2 110V 40W 的灯泡在220V的电源上能正常工作 3 若选择不同的零点位点时 电路中各点的电位将发生变化 但电路中任意两点的电压却不会改变 4 几个电阻并联后的总电阻值一定小于其中任一个电阻的阻值 5 电路中某两点的电位都很高 则该两点间电压一定很大 6 当电路处于通路状态时 外电路负载上的电压等于电源的电动势 7 电源电动势的大小由电源本身的性质所决定 与外电路无关 8 在一定温度下 导体的电阻和它的长度成反比 和它的截面积成正比 9 在电阻串联电路中 电阻值越大 其两端的电压就越高 10 在电阻并联电路中 电阻值越大 流过它的电流也就越大 11 测量电流时应把电流表串联在被测电路里 测量电压时应把电压表和被测部分并联 12 导体的长度和截面积都增大一倍 其电阻值也增大一倍