电子电工基础教材
yy主播-
直流电路基本知识
随着电力工业和现代科学技
术的日益发展，
电能已成为生产和人民日常生活
中不可缺少的能
源，我们的世界几乎是一个电的世界。作为一名维修电工，
掌握
一定的电工基础知识和电工操作技能，
以适应现代化生产和生活的需要，
就显得
十分重要。
学习目标
1
．
电路的
基本组成、电路的三种工作状态和额定电压、电流、功率等概念。
2
．掌握电流、电压、电功率、电能等基本概念。
3
．掌握电阻定律、欧姆定律，了解电阻与温度的关系。
4.
理解电动势、端电压、电位的概念。
5.
掌握电阻串联分压关系与并联分流关系。
6.
学会分析计算电路中各点电位。
7
．掌握基尔霍夫定律及其应用，学会运用支路电流法分析计算
复杂直流电路。
第一章
电路的基本结构
一、直流电源的概念
在日常生产和生
活中，
大部分环节使用的都是交流电，
但也有很多场合使用
直流电，比如：手机充电器、蓄电池、干电池电路等等。直流电的特点是大小和
方向都不随时间变化，
理想的直流电在坐标系里是一条直线，
但实际上直流电有
很小的脉动。
二、电路的组成及状态
1
、电路的基本组成
（
1
）什么是电路
一个基本的电流回路称为电路。
例如：
在使用灯
具
（或其他电气设备）
之前，
总要用导
线把它们和电源连接起来，
这种将电源和负载连接起来的电流通路称为
< br>电路。
即电路是由各种元器件
(
或电工设备
)
按一定方式联接起来的总体，
为电流
的流通提供了路径。如图所示为一个简单电路：
<
/p>
（
2
）电路的基本组成
< br>
通常组成一个简单电路，至少要有电源、连接导线、开关和负载。负载、连
接导线和开关称为外电路，
电源内部的电路称为内电路。
电路的基本组成包括以
下四个部分：
电源
(<
/p>
供能元件
)
：为电路提供电能的设备和器
件
(
如电池、发电机等
)
。
电源就是一个能量转换装置，
< br>把非电能转换为电能的一种装置。比如：
干电
池是把化学
能转换为电能的装置，
而发电机是把机械能转换为电能的装置。
直流
天津市宁河县中等专业学校“以就业为导向、以能力为本
位”课程改革校本教材
电的获取还可以通过交流电得到，其整
个过程为变压、整流、滤波、稳压。
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
联接导线：将电器设备和元器件按一定方式联接起来
(
如各种铜、铝电缆线
等
)
。
2
、电路的状态
电路的形式千变万化，但归纳起来不外乎两种类型：一是进行能量的转换、
传输、分
配；二是进行信息处理。任何一个电路都可能具有三种状态：通路、断
路和断路。
(1)
通路
(<
/p>
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
)
：电路中没有
电流通过，又称为空载状态。
(3)
短路
(
捷路
)
：
电源两端的导线直接相连接，
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。<
/p>
三、电路模型
(
电路图
)
由理想元件构成的电路
叫做实际电路的电路模型，也叫做实际电路的电路原
理图，简称为电路图。例如，下图所
示的手电筒电路。
理想元件：
电路是由电特性相当复杂的元器件组成的，
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，而对它的实际上的结构、材料、
形状
等非电磁特性不予考虑。
常用理想元件及符号如下表所示：
2
电工基础
天津市宁河县中等专业学校
“以就业为导向、以能力为本位”课程改革校本教材
第二章
电路的主要物理量
一、电流和电压
1
、电流
电
流是电路中带电粒子在电源作用下有规则的的移动形成的。
习惯上规定正
电荷移动的方向为电流的实际方向，
因此在金属导体中，
电流的实际方向和自由
电子实际运动的方向相反。
在进行电路分析计算时，
电流的实际方向有时难以确定，
为此可以预先假定
一个电流方向，称为参考方向，并在电路中用箭头标出。
在电路中要获得持续电流，
一是要有自由
电荷，二是要有电位差，
且电路一
定要闭合。
< br>
（
1
）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
< br>表示。
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：
I=Q/t
式中电流强度的单位为安
（
A
）
，
电荷
量的单位为库仑
（
C
）
，
时间的单位为秒
（
s
）
。
在有些电路中，流过的电流很小，常用毫
安（
mA
）或微安（
μ
A
）计量：
1A=1000mA
1mA=1000
μ
A
电流强度可用
电流表测量，测量时应将电流表串联在被测电路中。
（
2
）交流电流
<
/p>
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
2
、电压
（
1
）电压的基本概念
电压是指电路中两点
A
、
B<
/p>
之间的电位差
(
简称为电压
)
，其大小等于单位正
电荷因受电场力作用从
A
点移动到
B
点所作
的功，
电压的方向规定为从高电位指
向低电位的方向。
电压的国际单位制为伏特
(V)
，常用的单位还有毫伏
(mV)
、微伏
(
V)
、千伏
(kV)
等，它们与伏特的换算关系为
1 mV =
10
3
V
；
1
V =
10
6
V
；
1 kV =
10
3
V
（
2
）直流电压与交流电压
如果电压
的大小及方向都不随时间变化，则称之为稳恒电压或恒定电压，
简称为直流电压，用大写
字母
U
表示。
如果电压的大小及方向随时间变化，则称为变动电压。对电路分析来说，
一种最为重要
的变动电压是正弦交流电压
(
简称交流电压
)
，
其大小及方向均随时
间按正弦
规律作周期性变化。交流电压的瞬时值要用小写字母
u
或
u
(
t
)
表示。
电压可用电压表来测量，测量时应将电压表并联在被测电路中。
电工基础
3
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二、电动势
衡量电源的电源力大小及其方向的物理量叫做电源的电动势。
电动势通常用符号
E
或
e
(
t
)
表示，
E
表示大小与方向都恒定的电动势
< br>(
即直
流电源的电动势
)
，
e
(
t
)
表示大小和方向随时间变化的电动势，也可简记为
e
。
电动势的国际单位制为伏特，记做
V
。
电动势的大小等于电源力把单
位正电荷从电源的负极，经过电源内部移到电
源正极所作的功。
如设
W
为电源中非静电力
(
电源力
)
把正电荷量
q<
/p>
从负极经过电
源内部移送到电源正极所作的功，则电动势大小为<
/p>
E
W
q
电动势的方向规定为从电源的负极经过电
源内部指向电源的正极，即与电源
两端电压的方向相反。
三、电能和电功率
1
、电功率
电功率
(
简称功率
)
< br>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。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瓦特
(W)
，
常用的单位还有毫瓦
(mW)
、千瓦
(
kW)
，
它们与
W
的换算关系是
1 mW =
10
3
W
；
1 kW =
10
3
W
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
又叫做有功功率或平均功率。
< br>
2
、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，其国际单位制为焦尔<
/p>
(J)
，电能的计算公式为
W
=
P
·
t
=
UIt
通常电能用千瓦小时
(kW
·
h)
来表示大小，也叫做度
(
电
)
：
1
度
(
电
) = 1 kW
·
h
= 3.6
10
6
J
。
即功率为
1000 W
的供能或耗能元
件，在
1
小时的时间内所发出或消耗的电能量
< br>为
1
度。
例题
2.1
：
有一功率为
60 W
的电灯，每天使
用它照明的时间为
4
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?
4
电工基础
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解：
该电灯平均每月工作时间
t
= 4
30 = 120
h
，则
W
=
P
·
t
=
60
120 = 7200 W
·
h = 7.2 kW
·
h
即每月消耗的电能为
7.2
度，约合为
3.6
10
6
7.2
2.6
10
7
J
。
3
、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，规定
了额定电压、
额定电流、额定功率等铭牌数据。
额定电压——电气设备或元器件在正常工作条件下允许施加的最大电压。
<
/p>
额定电流——电气设备或元器件在正常工作条件下允许通过的最大电流。
< br>
额定功率——在额定电压和额定电流下消耗的功率，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。
4
、焦尔定律
电流通过导体时产生的热量
(
焦尔热
)
为
Q
=
I
2
Rt
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 <
/p>
——通过导体电流持续的时间，单位为
s
。
Q
——焦耳热单位为
J
。
第三章
电阻
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。
电阻定律：
R
l
l
S
——制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆
·
米
(
·m)
；
——绕
制成电阻的导线长度，国际单位制为米
(m)
；
S
——绕制成电阻的导线
横截面积，国际单位制为平方米
(m
2
)
；
R
——电阻值，国际单位制为欧姆
(
)
。
经常用的电阻单位还有千欧
(k
)
、兆欧
(M
)
，它们与
的换算关系为
1
k
=
10
3
；
1
M
=
10
6
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。
电工基础
5
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如果设任一电阻元件在温度
t
1
时的电阻值为
R
1
，
当温度升高到
t
2
时电阻值为
R
2
，则该电阻在
t
1
~
t
2
温度范围内的
(
平均
)
温度系数为
R
2
R
1
R
1
(
t
2
t
1
)
如果
R
2
>
R
1
，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
R
2
<
R
1
，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。
6
R
2
=
R
1
[1
(
t
2
－
t
1
)]
电工基础
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第四章
欧姆定律
一、部分电路欧姆定律
对于图
4.1
中的外电路，
即一段不含电源只有
电阻的电路中，
电流、电阻和电压之间满足部分电
路欧姆定律关系：
U
=
RI
在应用上式时应注意，电流
I
和电压
U
的参考
方向必须一致。
若电压电流的参考方向相反，则应
用公式
U
=-
RI
。
_
+
U
I
图
4.1
：简单的闭合电路
例题
4.1
：应用欧姆定律求图
8.2
所示电路中电阻
R
。
+
U
6v
-
I
→
2A
R
+
U
6v
-
I
←
-2A
R
-
I
→
2A
U
R
-6v
+
-
I
←
-2A
U
R
-6v
+
（
a
）
(b)
图
4.2
(c)
(d)
解题思路
：
在图
4.2
（
a
）中，电压和电流参考方向一致，根据公式
U
RI
得：
R
U
6
3
I
2
在图
4.2(b)
中，电压和电流参考方向不一致，根据公式
< br>U
RI
得：
R
U
6
3
I
<
/p>
2
在图
4.2(c)
中，电压和电流参考方向不一致，根据公式
U
RI
得：
R
U
6
3
I
2
在图
4.2(d)
中，电压和电流参考方向一致，根据公式
U
RI
得：
R
U
6
3
I
2
本例题告诉我们，
在运用公式解题时，首先要列出正确的计算公式，然后再
把
电压或电流自身的正、负取值
代入计算公式进
行求解。
电工基础
7
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”课程改革校本教材
2
、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
)
的电阻元件叫做线性电阻，其伏安特性曲线在
I
－
U
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
)
的电阻元件叫做非线性电阻，
其伏安特性曲线在
I
－
U
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
图
4.3
：线性电阻的伏安特性曲线
性电阻。
3
、闭合电路的欧姆定律
如（图
4.1
）所示：图中
r
表示电源的内部电阻，
R
表示电源
外部联接的电
阻
(
负载
)
。闭合电路欧姆定律的数学表达式为
E
RI
rI
或
I
E
R
r
外电路两端
电压
U
=
RI
=
E
rI
=
R
E
，显然，
R
r
负载电
阻
R
值越大，其两端电压
U
也越大；当
R
>> <
/p>
r
时
(
相当于开
路
)
，则
U
=
E
；
当<
/p>
R
<<
r
时
(
相当于短路
)
，则
U
=
0
，此时一般情况下的电流
(
I
=
E/r
)
很大，
电源容易烧毁。
例题
4.2
图
4.4
所示电路，理想电压源的电压
U
S
10
V
。
求：（
1
）
R
<
/p>
时的电压
U
，电流
I
；
（
2
）
R
10<
/p>
时的电压
U
，
电流
I
；
（
3
）
R
0
时的电压
U
，电
流
I
。
<
/p>
解
：题意明确告知图
4.4
电路中的
电源是理想电源，即内阻
r
0
0
，此时全电路
+
U
S
-
+
I
→
U
R
-
图
4.4
欧姆定律为
U
S
E
IR
Ir
0
IR
0
IR
U
。
电路的工作状况主要由外接电阻
R
决定。
（
1
）当
R
<
/p>
时，即外电路开路，
U
S
为理想电压源，故
U
U
S
10
V
U
U
S
0
R
R
则
I
（
2
）当
R
10
时，
U
U
S
10
V
8
电工基础
天津市宁河县中等专业学校
“以就业为导向、以能力为本位”课程改革校本教材
则
I
U
U
S
10
1
A
R
R
10
（
3
）当
R<
/p>
0
时，电路短路，故
< br>U
U
S
10
V
U
U
S
<
/p>
R
R
则
I
显然，
这么大的电流极易烧毁电路元器件和设备，所以，要避免电路中出现
短路情况。结合这个例题，大家要很好地理解电路的三种工作状态的概念。
例题
4.3
：
如图
4.5
所示，当单刀双掷开关<
/p>
S
合到位置
1
时
，外电路的电阻
R
1
= 14
，测得电流表读数
I
1
= 0.2 A
；当开关
S<
/p>
合到位置
2
时，外电路的电阻
R
2
= 9
，测得电流表读数
I
2
= 0.3 A
；试求电源的电动势
E
及其内阻
r
。
解：
根据闭合电路的欧姆定律
，
列出联立方程
组
< br>
(
当
S
合到位置
1
时
)
E
R
1
I
1
rI
1
<
/p>
(
当
S
合到位置
2
时
)
E
R
2
I
2
rI
2
解得：
r
= 1
，
E
=
3 V
。本例题给出了一
种测量直流电源电动势
E
和内阻
r
的方法。
图
4.5
例题
4.3
电工基础
9
天津市宁河县中等专业学校“以就业为导向、以能力为本位”课程改革校本教材
4
、负载获得最大功率的条件
容易证明：
在电源电动势
E
< br>及其内阻
r
保持不变时，
负载<
/p>
R
获得最大功率的
条件是
R
=
r
，此时负载的最大
功
率值为
P
max
E
2
4
R
电源输出的最大功率是
P
EM
E
2
E
2
2
P
max
2
r
2
R
图
4.6
电源输出功率与外电路
(
负载
)
电阻的关
系曲线
例题
4.4
：
如图
4.7
所示，直流电源的电动势
E
= 10 V
、内阻
r
= 0.5
，
电阻
R
1
= 2
，问：可变电阻
R
P
调至多大时可获得最大功率
P
max
？
解：
将
(
R
1
r
< br>)
视为电源的内阻，则
R
P
=
R
1
r
=
2.5
时，
R
P
获得最大
功率
P
max
E
2
10
< br>W
4
R
P
图
4.7
例题
4.4
10
电工基础