电工基础知识入门.doc

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第一章直流电路

本章学习要点：

1．熟悉电流、电压、电阻、电功率、电功等常用的物理量；

2．了解常用电气元件的电路符号，能够看懂电路图的连接关系；

3．熟练掌握欧姆定律的两种形式，明确U，J，R，E，r之间的关系；

4．准确辨识简单电路电阻的串、并联关系，掌握两种连接形式中每个元件上电压、电流与总电压、总电流的关系。

现实生活中，我们经常听到或说起很多有关电方面的名词、术语，也经常有很多用电方面的困惑。

这些名词、术语究竟是怎样定义的?

它们之间有什么关系?

是什么因素导致电压的高低、电流的大小?

为什么会发生由用电引发的火灾?

为什么家里几个月没人住，还会产生电费?

很多经常听到的，看似简单，又不容易说清的问题，通过本章的学习都会有明确的答案。

§1—1电学的基本物理量

一、电量

自然界中的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的，而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。

在通常情况下，原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数，原子对外不显电性。

但是，用一些办法，可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。

失去电子的物体带正电荷，得到电子的物体带负电荷。

物体失去或得到的电子数量越多，则物体所带的正、负电荷的数量也越多。

物体所带电荷数量的多少用电量来表示。

电量是一个物理量，它的单位是库仑，用字母C表示。

1C的电量相当于物体失去或得到6.25×1018个电子所带的电量。

二、电流

电荷的定向移动形成电流。

电流有大小，有方向。

1．电流的方向

1、人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。

金属导体中，电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果，电子流的方向是负电荷的移动方向，与正电荷的移动方向相反，所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反，如图1—1所示。

2．电流的大小

电学中用电流强度来衡量电流的大小。

电流强度就是l秒钟通过导体截面的电量。

电流强度用字母表示，计算公式如下：

式中——电流强度，单位安培（A）；

——在t秒时间内，通过导体截面的电量数，单位库仑（C）；

——时间，单位秒（s）。

实际使用时，人们把电流强度简称为电流。

电流的单位是安培，简称安，用字母A表示。

如果1秒内通过导体截面的电量为1库仑，则该电流的电流强度为1安培，习惯简称电流为1安。

实际应用中，除单位安培外，还有千安（）、毫安（）和微安（）。

它们之间的关系为：

三、电压

为了弄清楚电荷在导体中定向移动而形成电流的原因，我们对照图1—2a水流的形成来理解这个问题。

从图1—2a可以看到外水由一A槽经C管向8槽流去。

水之所以能在C管中进行定向移动，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：

A，B两槽之间的水位差即水压，是实现水形成水流的原因。

与此相似，当图1—2b中的开关S闭合后，电路里就有电流。

这是因为电源的正极电位高，负极电位低。

两个极间电位差（电压）使正电荷从正极出发，经过负载R移向负极形成电流。

所以，电压是自由电荷发生定向移动形成电流的原因。

在电路中电场力把单位正电荷由高电位a点移向低电位b点所做的功称为两点间的电压，用表示。

所以电压是a与b两点间的电位差，它是衡量电场力做功本领大小的物理量。

电压用字母U表示，单位为伏特，电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳，则ab间的电压值就是1伏特，简称伏，用字母V表示。

常用的电压单位还有千伏（kV），毫伏（mV）等。

它们之间的关系为：

1kV=V

lV=mV

电压与电流相似，不但有大小，而且有方向。

对于负载来说，电流流人端为正端，电流流出端为负端。

电压的方向是由正端指向负端，也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。

在电路图中，用带箭头的细实线表示电压的方向。

四、电动势、电源

在图1—2a中，为使水在C管中持续不断地流动，必须用水泵把B槽中的水不断地泵入A槽，以维持两槽间的固定水位差，也就是要保证C管两端有一定的水压。

在图1—2b中，电源与水泵的作用相似，它把正电荷由电源的负极移到正极，以维持正、负极间的电位差，即电路中有一定的电压使正电荷在电路中持续不断地流动。

电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的，它在电路中将其他形式能转换成电能。

电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量，用字母E表示，它的单位也是伏特，简称伏，用字母V表示。

电源的电动势只存在于电源内部。

人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。

在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向，如图1—2b所示。

当电源两端不接负载时，电源的开路电压等于电源的电动势，但二者方向相反。

生活中用测量电源端电压的办法，来判断电源的状态。

比如测得工作电路中两节5号电池的端电压为2.8V，则说明电池电量比较充足。

五、电阻

一般来说，导体对电流的阻碍作用称为电阻，用字母R表示。

电阻的单位为欧姆，简称欧，用字母表示。

如果导体两端的电压为1伏，通过的电流为1安，则该导体的电阻就是1欧。

常用的电阻单位还有千欧（k）、兆欧（M）。

它们之间的关系为：

1k=

1M=k

应当强调指出：

电阻是导体中客观存在的，它与导体两端电压变化情况无关，即使没有电压，导体中仍然有电阻存在。

实验证明，当温度一定时，导体电阻只与材料及导体的几何尺寸有关。

对于二根材质均匀、长度为L、截面积为S的导体而言，其电阻大小可用下式表示：

式中——导体电阻，单位为欧（）；

——导体长度，单位为米（m）；

——导体截面积，单位为平方毫米（）；

——电阻率，单位为欧·米（·m）。

式中电阻率是与材料性质有关的物理量。

电阻率的大小等于长度为1m，截面积为1的导体在一定温度下的电阻值，其单位为欧米（：

m）。

例如，铜的电阻率为1.7×·m，就是指长为1m，截面积为1mmz的铜线的电阻是1.7×。

几种常用材料在20时的电阻率见表1—1。

从表中可知，铜和铝的电阻率较小，是应用极为广泛的导电材料。

以前，由于我国铝的矿藏量丰富，价格低廉，常用铝线作输电线。

由于铜线有更好的电气特性，如强度高、电阻率小，现在铜制线材被更广泛应用。

电动机、变压器的绕组一般都用铜材。

表1—1几种常用材料在20℃时的电阻率

材料名称

电阻率（·m）

银

1.6×

铜

1.7×

铝

2.9×

钨

5.3×

铁

1.0×

康铜

5.0×

锰铜

4.4×

铝铬铁电阻丝

1.2×

六、电功、电功率

电流通过用电器时，用电器就将电能转换成其他形式的能，如热能、光能和机械能等。

我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功，简称电功，用字母W表示。

电流通过用电器所做的功与用电器的端电压、流过的电流、所用的时间和电阻有以下的关系：

如果公式（1—3）中，电压单位为伏，电流单位为安，电阻单位为欧，时间单位为秒，则电功单位就是焦耳，简称焦，用字母J表示。

电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率，用字母P表示。

其数学表达式为：

将公式（1—3）代入公式1—4后得到：

若在公式（1—4）中，电功单位为焦耳，时间单位为秒，则电功率的单位就是焦耳/秒。

焦耳/秒又叫瓦特，简称瓦，用字母W表示。

在实际工作中，常用的电功率单位还有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。

它们之间的关系为：

1kW=W

1W=mW

从公式1—5中可以得出如下结论：

1．当用电器的电阻一定时，电功率与电流平方或电压平方成正比。

若通过用电器的电流是原来电流的2倍，则电功率就是原功率的4倍；若加在用电器两端电压是原电压的2倍,则电功率就是原功率的4倍。

2．当流过用电器的电流一定时，电功率与电阻值成正比。

对于串联电阻电路，流经各个电阻的电流是相同的，则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。

3．当加在用电器两端的电压一定时，电功率与电阻值成反比。

对于并联电阻电路，各个电阻两端电压相等，则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。

在实际工作中，电功的单位常用千瓦小时（kW·h），也叫“度”。

1千瓦小时是1度，它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能，即：

1kW·h=1kW×1h=3.6×J

例题1一台42英寸（1英寸=2.54厘米）等离子电视机的功率约为300W，平均每天开机3小时，若每度电费为人民币0.48元，问一年（以365天计算）要交纳多少电费?

解：

电视机的功率P=300W=0.3kW

电视机一年开机的时间t=3×365=1095h

电视机一年消耗的电能W=Pt=0.3×1095=328.5kW·h

一年的电费为328.5×0.48=157.68元

想一想：

现在的电气在不工作时经常是通电的，（待机状态），此时的功耗很低，一般不超过10W（计算时可以估算为5W），假定家中有空调、电视机、DVD播放器、家庭影院功放、计算机主机、计算机显示器，如果这些电气长期处在待机状态，它们一年要消耗多少电费?

有没有其他问题?

七、电流的热效应

电流通过导体使导体发热的现象叫做电流的热效应。

电流的热效应是电流通过导体时电能转换成热能的效应。

电流通过导体产生的热量，用焦耳一楞次定律表示如下：

式中——热量，单位焦耳（J）；

——通过导体的电流，单位安培（A）；

——导体电阻，一单位欧姆（）；

——导体通过电流的时间，单位秒（S）

焦耳一楞次定律的物理意义是：

电流通过导体所产生的热量，与电流强度的平方、导体的电阻及通电时间成正比。

在生产和生活中，应用电流热效应制作各种电气。

如白炽灯、电烙铁、电烤箱、熔断器等在工厂中最为常见；电吹风、电褥子等常用于家庭中。

但是电流的热效应也有其不利的一面，如电流的热效应能使电路中不需要发热的地方（如导线）发热，导致绝缘材料老化，甚至烧毁设备，导致火灾，是一种不容忽视的潜在祸因。

例题2已知当一台电烤箱的电阻丝流过5A电流时，每分钟可放出1.2×J的热量，求这台电烤箱的电功率及电阻丝工作时的电阻值。

解：

根据公式（1—4），电烤箱的电功率为：

电阻丝工作时电阻值为：

§1—2电路

一、电路的组成和作用

电流所流过的路径称为电路。

它是由电源、负载、开关和连接导线等4个基本部分组成的，如图1—3所示。

电源是把非电能转换成电能并向外提供电能的装置。

常见的电源有干电池、蓄电池和发电机等。

负载是电路中用电器的总称，它将电能转换成其他形式的能。

如电灯把电能转换成光能；电烙铁把电能转换成热能；电动机把电能转换成机械能。

开关属于控制电器，用于控制电路的接通或断开。

连接导线将电源和负载连接起来，担负着电能的传

输和分配的任务。

电路电流方向是由电源正极经负载流到电源负极，在电源内部，电流由负极流向正极，形成一个闭合通路。

二、电路图

在设计、安装或维修各种实际电路时，经常要画出表示电路连接情况的图。

如果是画如图1—3所示的实物连接图，虽然直观，但很麻烦。

所以很少画实物图，而是画电路图。

所谓电路图就是用国家统一规定的符号，来表示电路连接情况的图。

表1—2是几种常用的电工符号。

图1—4是图1—3的电路图。

表1—2几种常用的电工符号

名称

符号

名称

符号

电池

电流表

导线

电压表

开关

熔断器

电阻

电容

照明灯

接地

三、电路的三种状态

电路有三种状态：

即通路、开路、短路。

通路是指电路处处接通。

通路也称为闭合电路，简称闭路。

只有在通路的情况下，电路才有正常的工作电流开路是电路中某处断开，没有形成通路的电路。

开路也称为断路，此时

电路中没有电流；短路是指电源或负载两端被导线连接在一起，分别称为电源短路或负载短路。

电源短路时电源提供的电流要比通路时提供的电流大很多倍，通常是有害的，也是非常危险的，所以一般不允许电源短路。

§1—3欧姆定律

一、一段电阻电路的欧姆定律

所谓一段电阻电路是指不包括电源在内的外电路，如图1—5所示。

实验证明，二段电阻电路欧姆定律的内容是，流过导体的电流强度与这段导体两端的电压成正比；与这殷导体的电阻成反比。

其数学表达式为：

式中——导体中的电流，（A）；

——导体两端的电压，（V）；

——导体的电阻，（）。

在公式（1—7）中，已知其中两个量，就可以求出第三个未知量；公式（1—7）又可写成另外两种形式：

1.已知电流、电阻，求电压：

2.已知电压、电流，求电阻：

例题3一台直流电动机励磁绕组在220V电压作用下，通过绕组的电流为0.427A，求绕组的电阻。

解：

已知电压U=220V，电流I=0.427A，由公式（1—9）得：

二、全电路欧姆定律

全电路是指含有电源的闭合电路。

全电路是由各段电路连接成的闭合电路。

如图1—6所示，电路包括电源内部电路和电源外部电路，电源内部电路简称内电路，电源外部电路简称外电路。

在全电路中，电源电动势、电源内电阻、外电路电阻和电路电流之商的关系为：

式中——电路中的电流，（A）；

——电源电动势，（V）；

——外电路电阻，（）；

——内电路电阻，（）。

公式（1—10）是全电路欧姆定律。

定律说明电路中的电流强度与电源电动势（）成正比，与整个电路的电阻（）成反比。

将公式（1—10）变换后得到：

式中——外电路电压；

——内电路电压。

外电路电压是指电路接通时电源两端的电压，又叫做路端电压，简称端电压。

这样，公式（1—11）的含义又可叙述为：

电源电动势在数值上等于闭合回路的各部分电压之和。

根据全电路欧姆定律研究全电路处于三种状态时，全电路中电压与电流的关系是：

1．当全电路处于通路状态时，由公式（1—11）可以得出端电压为：

由公式可知，随着电流的增大，外电路电压也随之减小。

电源内阻越大，外电路电压减小得越多。

在直流负载时需要恒定电压供电，所以总是希望电源内阻越小越好。

2.当全电路处于断路状态时，相当于外电路电阻值趋于无穷大，此时电路电流为零，开路内电路电阻电压为零，外电路电压等于电源电动势。

3．当全电路处于短路状态时，外电路电阻值趋近于零，此时电路电流叫短路电流。

由于电源内阻很小，所以短路电流很大。

短路时外电路电压为零，内电路电阻电压等于电源电动势。

全电路处于三种状态时，电路中电压与电流的关系见表1—3。

表1—3电路中电压与电流的关系

电路状态

负载电阻

电路电流

外电路电压

通路

=常数

开路

短路

0

通常电源电动势和内阻在短时间内基本不变，且电源内阻又非常小，所以可近似认为电源的端电压等于电源电动势。

今后不特别指出电源内阻时，就表示其阻值很小忽略不计。

但对于电池来说，其内阻随电池使用时间延长而增大。

如果电池内阻增大到一定值时，电池的电动势就不能使负载正常工作了。

如旧电池开路时两端的电压并不低，但装在收音机里，却不能使收音机发声，这是由于电池内阻增大所致。

例题4如图1一6所示的电路。

电源电动势=24V，电源内阻=-4，负载电阻=20。

求电路中的电流，电源的端电压，负载电压和电源内阻电压。

解：

根据公式（1—10），电路中的电流：

由公式（1一11），电路中电源的端电压：

根据公式（1—8），电路中的负载电压：

根据公式（1一8），电路中电源内阻的电压：

§1—4电阻的串联、并联电路

一、电阻的串联电路

在一段电路上，将几个电阻的首尾依次相连所构成的一个没有分支的电路，叫做电阻的串联电路。

如图1—7a所示是电阻的串联电路。

图1—7b是图1—7a的等效电路。

电阻的串联电路有以下特点：

1．串联电路中流过各个电阻的电流都相等，即：

…

2．串联电路两端的总电压等于各个电阻两端的电压之和，即：

…

3．串联电路的总电阻（即等效电阻）等于各串联的电阻之和，即：

…

根据欧姆定律得出，，，…，可以得出：

…

或者

此公式表明，在串联电路中，龟阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电压越大；反之，电压越小，即电阻上的电压分配与电阻的阻值成正比。

这个理论是电阻串联电路中最重要的结论，用途极其广泛。

比如，用串联电阻的办法来扩大电压表的量程：

在如图1—7a所示的，电路中，将代人公式（1—14）式中

这两个公式可以直接计算出每个电阻从总电压中分得的电压值，习惯上就把这两个式子叫做分压公式。

电阻串联的应用极为广泛。

例如：

（1）用几个电阻串联来获得阻值较大的电阻。

（2）用串联电阻组成分压器，使用同一电源获得几种不同的电压。

如图1—8所示，由

R１～R4组成串联电路，使用同一电源，输出4种不同数值的电压。

（3）当负载的额定电压（标准工作电压值）低于电源电压时，采用电阻与负载串联的方法，使电源的部分电压分配到串联电阻上，以满足负载正确的使用电压值。

例如，一个指示灯额定电压6V，电阻6，若将它接在12V电源上，必须串联一个阻值为6的电阻，指示灯才能正常工作。

（4）用电阻串联的方法来限制调节电路中的电流。

在电工测量中普遍用串联电阻法来扩大电压表的量程。

二、电阻的并联电路

将两个或两个以上的电阻两端分别接在电路中相同的两个节点之间，这种连接方式叫做电阻的并联电路。

如图１—9a所示是电阻的并联电路，图1—9b是图１—9a的等效电路。

电阻的并联电路有如下特点：

1．并联电路中各个支路两端的电压相等，即：

…

2．并联电路中总的电流等于各支路中的电流之和，即：

…

3．并联电路的总电阻（即等效电阻）的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即：

…

若是两个电阻并联，根据公式1—18可求并联后的总电阻为：

根据公式（1—l6）及欧姆定律可以得出：

公式（1—20）表明，在并联电路中，电阻的阻值越大，这个电阻所分配到的电流越小，反之越大，即电阻上的电流分配与电阻的阻值成反比。

这个结论是电阻并联电路特点的重要推论，用途极为广泛，比如，用并联电阻的办法，扩大电流表的量程。

电阻并联的应用，同电阻串联的应用一样，也很广泛。

例如：

（1）因为电阻并联的总电阻小于并联电路中的任意一个电阻，因此，可以用电阻并联的方法来获得阻值较小的电阻。

（2）由于并联电阻各个支路两端电压相等，因此，工作电压相同的负载，如电动机、电灯等都是并联使用，任何一个负载的工作状态既不受其他负载的影响，也不影响其他负载。

在并联电路中，负载个数增加，电路的总电阻减小，电流增大，负载从电源取用的电能多，负载变重；负载数目减少，电路的总电阻增大，电流减小，负载从电源取用的龟能少，负载变轻。

因此，人们可以根据工作需要启动或停止并联使用的负载。

（3）在电工测量中应用电阻并联方法组成分流器来扩大电流表的量程。

§1—5电工测量基本知识

自然界中的物理量，都可以使用特定的工具来进行测量。

测量各种电量的仪器仪表，统称为电工测量仪表。

电工测量仪表种类繁多，最常见的是测量基本电量的仪表。

电工仪表依据测量方法、仪表结构、仪表用途来分，有很多种。

概括来说，电工仪表用来测量电路中的电流、电压、电功率、电功、功率因数、电量的频率{电阻、绝缘状况等物理量。

由此就有用各种被测物理量冠名的仪表，如电流表、电压表等。

其中一些电量要在后续课程中介绍。

本书简单介绍电工应用中最常用的仪表——万用表。

万用表是一种便携式仪表。

由于其能够测量交流、直流电压或电流参数：

以及电路中的电阻等；被称为万用表。

根据万用表内部结构、工作原理的不同，可以把万用表分为：

机械指针式万用表（简称机械表）笼和电子数显式万用表（简称电子表）两类。

本节重点介绍机械表。

一、万用表的外形及基本组成

如图1-10所示，是机械指针式万用表的外形。

操作万用表的主要部分有三个：

挡位拨盘、表笔、读数表头。

万用表除了这几部分外，最主要的是表内电路和表头机电基本体模块部分。

万用表的表壳部分承担着各部分的保护与承载的责任。

由于万用表是一种移动测量仪表，容易受到磕碰摔砸的损害，所以应注意防护：

1.挡位拨盘

如图1—11所示，用于选择测量哪种物理量，一般万用表都至少设有如下四个挡位，每个挡位又分为几个不同量限或不同倍率的挡位：

交流电压挡：

测量交流电压，如图1—11所示，又分为10V，50V，250V，500V，1000V五个子挡位。

直流电压挡：

测量直流电压，如图1—11所示，又分为0.25V，2.5V，10V，50V，250V，500V六个子挡位。

直流电流挡：

用于测量直流电流值，如图1—11所示，又分为1mA，10mA，100mA，1000mA四个子挡位。

电阻挡：

用于测量电器阻值，如图1—11所示，又分为×1，×10，×l00，×1k四个子挡位。

电压、电流的每个挡位的数值表示的是量限（或量程），待测的物理量值应小于该值。

在选择挡位时，要选择一个挡位量限大于被测量值，并且与被测量值最接近的一个量限的挡位。

比如，要测一个直流电压，估计其值约为190V，则应选择直流250V挡位。

此时挡位值250V大于被测量190V，且250V挡位比500V，1000V两个挡位更接近被测量值。

这样选择既能保证万用表的安全，又能保证测量精度。

机械表电阻挡的几个挡位表示几个不同的倍率。

由于机械表的表头指针在整个刻度的20％～80％之间，读数比较准确，尤其是电阻挡位对应的表头刻度的非均匀性，在这个范围内更利于读取数值，所以，利用电阻挡的倍率选择，可以使表头指针落在该范围内。

电子表电阻挡位的标示数值与电流、电压的数值一样，表示量限，不是倍率。

电子表的挡位选择方法与电流、电压挡位一样。

2．表头

如图1—12所示为万用表表头。

机械表头有若干条刻度线：

刻度线1是电阻值读取线，指针指向最右端，指示值为0；指针指向最左端，指示值为。

注意被测电阻的实际阻值是指示值与所选挡位的倍率的乘积。

比如，在R×1k挡，当从刻度线上读取35时，如图1—13所示，电阻的测量阻值为35×1k=35k；刻度线2是均匀刻度线，用于

读取电压、电流的指示值。

被测对象的测量值也经常需要从读取值换算而得到。

比如使用直流电压500V挡，按50刻度线读数，如果读取值为43，如图1一14所示，则被测电压的测量值为43×（500+50）=430V；如果按250刻度线读数，见刻度线，读数应为215，则被测电压的测量值为215×（500÷250）=430V，即从同二类的刻度线读数，经过换算，得到的测量值是一样的。

机械表头经常还有其他一些刻度线，请参照有关书籍。

电子表头的读数比较简单，可直接读数，然后冠以所选挡位的单位，即是被测对象的测量值。

比如使用电流20mA挡，读数值为15.5，则测量值为l5.5mA。

3．表笔

万用表的两表笔一般使用红黑两种颜色，红表笔一般插在标有“十”的插孔内，黑表笔一般插在标有“一”的插孔内。

测量电压时，红、黑表笔分别接在高、低电位端；测量电流时，红、黑表笔分别接在电流的流入端和流出端。

否则表针会反向打针，对万用表不利。

二、万用表的使用步骤

1．确认万用表的状态，保证各部分的功能正常可靠。

2.明确要测量的物理量。

一般包括交流电压、直流电压、直流电流和电阻器阻傅。

3．选择合适的挡位，如前所述。

4．