第一部分 电工基础

❖复习指导❖

第一章 电路的基本概念和基本定理

复习内容

本章主要介绍了电路的概念、基本物理量、基本元件和基本定律。

复习要求

1．掌握电路的组成，理解电路的三种基本工作状态和电气设备额定值的意义。

2．理解电流的概念和电流产生的条件，掌握电流的计算公式和方向的规定。

3．理解电压、电位的联系和区别，掌握电压方向的规定。

4．理解电能和电功率的概念，熟练掌握电能、电功率的计算。

5．了解电源的外特性。

6．理解电阻和电阻器的概念，了解超导现象，掌握电阻定律。

7．熟练掌握电路欧姆定律的计算与应用。

8．了解焦耳—楞次定律。

9．熟练掌握负载获得最大功率的条件。

1.1 电路

一、电路的组成

（一）电路

电路是指实际元器件按一定方式连接起来，以形成电流的通路。

（二）电路的组成及各部分组成的作用

电路由以下四部分组成：

1．电源：将其他形式的能量转变为电能的装置。作用：为电路提供能量。

2．负载：指用电器，各种用电设备的总称。作用：将电能转化为其他形式的能量。

3．导线：连接电源与负载的金属线称为导线。作用：将电源产生的电能输送给负载。

4．控制和保护装置：用来控制电路的通断、保护电路的安全，使电路正常工作的装置。

二、电路的工作状态

电路的工作状态有哪些？分别有什么特点？

1．有载状态：电源与负载接成闭合回路，产生电流，并向负载输出电功率状态。

2．开路状态：又叫断路，指电路中某处断开，电路中无电流。

3．短路状态：电路某一部分被导线直接连通，其两端电压为零。若电源的两端直接用导线连通，电路中电流很大，会损坏电气设备。

三、电路图

1．定义：将电路中的实际元器件用规定的图形符号表示出来的电路连接图。

2．常用的电气元件符号参见教材第2页。

四、单位制

在国际单位制（SI制）有7个基本单位，如表1-1所示。

1.2 电路中的基本物理量

一、电流

（一）电流的基本概念

1．电流的形成：电路中电荷的定向运动形成电流。

2．电流的特征：表征带电粒子定向运动强弱的物理量。

3．电流计算公式：

4．单位：国际单位为安培（A）；常用单位有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA）。

5．换算关系：1kA=103A，1mA=10-3A，1μA=10-3mA=10-6A

（二）电流的参考方向

规定正电荷定向移动的方向为电流的实际方向。

由于实际电路中的电流方向很难判断，因此引入参考方向。参考方向为任意方向。在参考方向下计算出的电流为正值，则说明参考方向与实际方向一致；反之，则二者方向相反，如图1-1所示。

（三）分类

1．直流电流：大小和方向都不随时间改变而发生变化的电流，又叫恒定电流。用大写字母I表示。

2．交流电流：大小和方向都随时间改变而发生变化的电流。用小写字母i表示。

二、电压

（一）电压

1．电压：单位正电荷从一点移动到另一点电场力所做的功。

2．计算公式：

3．单位：基本单位为伏特（V）；常用单位有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。

4．换算关系：1kV=103V，1mV=10-3V，1μV=10-3mV=10-6V

（二）方向

正电荷运动的起点指向终点，又叫做电压的极性。用“+”、“-”两个符号表示。

由于实际电压方向很难判断，因此引入参考方向。参考方向为任意方向。在参考方向下计算出的电压为正值，则说明参考方向与实际方向一致；反之，则二者方向相反。

参考方向的三种表示方法如图1-2所示。

（三）电压的分类

1．直流电压：大小和极性都不随时间改变而发生变化的电压，又叫恒定电压。用大写字母U表示。

2．交流电压：大小和极性都随时间改变而发生变化的电压。用小写字母u表示。

（四）关联参考方向

为分析电路方便起见，总是把某元件或某段电路电压参考方向和电流参考方向取为关联参考方向。关联参考方向规定电流参考方向是从电压参考方向的正极流入，负极流出，如图1-3所示。

三、电位

（一）参考点

参考点是计算电位的基准点，电路中的各个点电位都是针对这个基准点而言的。通常规定参考点的电位为零，因此，参考点又叫做零电位点，用接地符号“⊥”表示。参考点的选取是任意的。

（二）电位

在电路中任选一个参考点，电路中某一点到参考点的电压就叫做该点的电位。电位的符号用U来表示，如a点和零参考点间的电压Ua0称为a点的电位，记做Ua，电位的单位是伏特（V）。

（三）电位降

1．电位降即电压，电压的方向即是电位降低的方向，且电路中任意两点间的电压即为此两点间的电位差。

2．公式：Uab=Ua-Ub

（四）电压与电位的区别

1．电位的值随参考点选取的不同而不同，具有多值性。

2．电压的值与参考点的选取无关，其值具有单一性。

四、电能

1．电能：在电场力作用下，电荷定向移动形成的电流所做的功叫电能。

2．计算公式：W=Uq；W=UIt

3．单位：国际单位为焦耳（J）；常用单位为千瓦小时（度）。

4．换算关系：1度=1kW·h=3.6×106J

五、电功率

（一）电功率

1．电功率：电场力在单位时间内所做的功。常用电器（如电灯泡、电炉、电烙铁）上都标明了它的额定电压、额定电流、额定功率，表示电器设备所允许的最大电压、电流和功率。

2．计算公式：, P=UI

3．单位：国际单位为瓦特（W）；常用单位有千瓦（kW）、毫瓦（mW）。

4．换算关系：1kW=103W，1mW=10-3W

（二）电能与电功率的区别

电能是指一段时间内电流所做的功，或者说一段时间内负载消耗的能量。

电功率是指单位时间内电流所做的功，或者说是指单位时间内负载消耗的能量。

六、电源及电动势

（一）电源

电源是把其他形式的能转换成电能的装置。

（二）电源的作用

把正电荷由低电位的负极经内电路送到高电位的正极，内电路和外电路连接而成一个闭合电路，外电路中就有了电流。

（三）电动势

电动势是电源力将单位电荷从电源负极移到正极克服电场力所做的功。用E表示。

（四）电动势的大小及方向

大小：在数值上等于电源电极两端的电位差。

方向：电场力推动正电荷运动的方向，即电位升高的方向，与电压的实际方向相反。

（五）电动势与电压的区别

1．电动势与电压的物理意义不同。电动势表示非电场力做功的本领，电压表示电场力做功的本领。

2．电动势仅仅在电源内部，是电源特有的。电压存在于电源的内、外部。

3．电动势与电压的方向相反。

1.3 电阻及其与温度的关系

一、电阻

（一）电阻器

电阻器是对电路中电流起阻碍作用且消耗电能的器件。

（二）电阻

1．电阻是表示导体对电流阻碍作用大小的物理量，用R表示。

2．单位：国际单位为欧姆（Ω）；常用单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）。

3．换算关系：1kΩ=103Ω，1MΩ=103kΩ=106Ω

（三）电阻定律

在温度不变时，一定材料制成的导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的截面积成反比。即

二、电阻与温度的关系

R2=R1[1+α（t2-t1）]

1.4 欧姆定律

一、欧姆定律

（一）部分电路欧姆定律

电路中的电流I与加在这段电路两端的电压U成正比，与这段电路的电阻R成反比。

公式如下。

在关联参考方向下：

在非关联参考方向下：

（二）全电路欧姆定律

全电路中的电流I与电源的电动势E成正比，与电路的总电阻（外电路的电阻R和内电阻r0之和）成反比。

公式如下。

式中，I— 电路中的电流，单位为安培（A）；

E—电源的电动势，单位为伏特（V）；

R— 外电路的电阻，单位为欧姆（Ω）；

r0— 电源内阻，单位为欧姆（Ω）。

二、伏安特性曲线

用含源电路“在线”状态下测量电阻两端的电压和对应的电流值，在直角坐标系中，电压U为横坐标，以电流I为纵坐标，画出电压与电流的关系曲线，这条曲线叫做元件的伏安特性曲线，也叫外特性曲线。特性曲线参考教材第18页图1-19。

三、电阻元件消耗的能量与功率

1．计算电阻消耗的能量：

2．计算电阻消耗的电功率：

1.5 焦耳–楞次定律

一、焦耳—楞次定律

电流流过导体产生的热量Q与电流I的平方成正比，与导体的电阻R成正比，与通电时间t成正比。

二、焦耳—楞次定律的公式

Q=I2Rt

式中，Q— t时间内产生的热量，单位为焦耳（J）；

I—流过导体的电流，单位为安培（A）；

R—导体的电阻，单位为欧姆（Ω）；

t— 通电的时间，单位为秒（s）。

1.6 负载获得最大功率的条件

一、负载获得最大功率的条件

条件：

R=r0

二、最大功率

获得最大功率为：

此时，称之为负载与电源匹配。