《电工技术》曹建林-(教学资源) 第1章

物质按导电能力可分为三类：导体、半导体和绝缘体。
ρ<10–5Ω•m的材料叫导体，如金属、酸碱盐类的水溶液等； ρ>105Ω•m材料叫绝缘体，如塑料、陶瓷等；ρ介于导体和绝
缘体之间，叫半导体，如硅、锗、砷化镓及一些金属氧化物等。
18
表1.3 几种常见材料的电阻率(20℃)
材料名称 银 铜 铝 铂 钨 碳
向一致时，电压为正，即Uab ＞0；反之，电压为负，即Uab ＜0。
9
(3) 电动势
在图中，为维持电路中的电流流通而使灯泡不断发光，
则必须保持电路两端a、b间的电压Uab恒定，这就需要电源力 （非电场力）源源不断地把正电荷由负极b移向正极a。维持
Uab不变的这一装置称为电源。电源力克服电场力移动正电荷 从负极到正极所作的功，用物理量电动势来衡量。电动势在
表1.1 常用电路元件符号
直流电源E
电容C
开关S
固定电阻R 可变电阻RP
电感L
电压源US 电流源IS 电灯EL
熔断器FU
电压表
V
电流表
A
4
电路的基本物理量 1. 电流
电荷的有规则运动形成电流。在导体中，带负电的自由 电子在电场力的作用下，逆电场方向运动而形成电流。电流 的方向规定为正电荷的运动方向。
1.1 电路与电路物理量 1.1.1 电路及其组成
简单地说,电路就是电流流通的路 径。例如，把灯泡用导线、开关与电 源接通，则有电流通过灯泡，使灯泡 发光。图（a）是最常见、最简单、最 基本的电路——手电筒电路。这种使 电流获得通路，把各种电气设备和元 器件按一定方式连接而成的总体，叫 作电路。
电干 源电
导线：把电源和负载构成通路的连接导体，并用来 传输、分配电能。
开关：控制电路接通与断开的各种控制电器。如插 头、插座、熔断器、接触器、继电器等。
3
在工程中常采用电路模型来对实际电路进行分析和计算。 电路模型就是由理想元件构成的电路。实际电路中的元件种 类繁多，在分析中通常是将实际的元件理想化，即在一定的 条件下忽略元件的次要性质，用足以表征其主要电磁性质的 “理想模型” 来表示。如灯泡、电炉、电烙铁、电阻器等 各种消耗电能的实际元件，都用“理想电阻”来表示，干电 池、蓄电池、太阳能电池、发电机等各种提供电能的实际元 件都用“理想电源”来表示。
②当选d点为参考点, 则Vd=0V。 Va=US1 − V2=+8V，Vb=US2=+5V，Vc= − V2= −2V；
Uab=V1=Va − Vb=3V，Ubc=US2+U2=Vb −Vc=+7V， Uda=V2 − US1=Vd − Va= − 8V。
11
3. 功率
由图电路可知，在电流流通的同时，电路内发生了能量的 转换。在电源内部,电源力不断地克服电场力对正电荷作功，正 电荷在电源内获得了能量,由非电能转换成电能。在外电路（电 源外的电路部分）中，正电荷在电场力的作用下，不断地通过 负载（灯泡）把电能转换为非电能。
称为电气设备的额定值。额定值主要有额定电流IN、额定电压 UN和额定功率PN。
额定电流是指电气设备在长期运行时所允许通过的最大电 流，额定电压是指电气设备在长期运行时所允许承受的最大电 压，额定功率是指电气设备正常运行时的输入功率或输出功率。 使用时必须注意不使其实际值超过额定值。如果实际值超过额 定值，将会引起电气设备的损坏或降低使用寿命。如灯泡会因 电压过高或电流过大而烧毁灯丝。如果实际值低于额定值，就 不能充分利用电气设备的能力或得不到正常合理的工作，如灯 泡会因电压过低或电流过小而发暗。电气设备在额定值下工作 称为“满载”工作状态，超过额定值称为“超载（或过载）” 工作状态，低于额定值称为“轻载（或欠载）”工作状态。
15
③电源电压为110V时灯泡的工作电流、损耗功率为
I＝—U＝—1—10—V ＝136mA P ＝U—2＝1—10—2 ＝15W
R 807Ω
R 807Ω
工作值低于额定值，欠载运行，发光过暗，效能不能充分发 挥。
2． 开路
将图中的开关S断开，电路中没有电流流通，电源处于 空载运行状态，电路形成开路（断路）。此时负载上的电流、 电压和功率均为零。
“十二五”规划教材
《电工技术》电子教案（PPT）
主编：曹建林 2014年8月
1
第1章 直流电路
电工技术主要研究的是电能在电力、电子工程技术领域中 的应用。它的内容非常广泛，主要有电工技术理论基础（如直 流电路、交流电路），磁路与变压器，电机的构造及其应用， 电机控制等。直流电路是电工技术中最重要的基础理论知识。
位，用U表示,如a点的电位为Ua、b点的电位为Ub 。由此可见，
电路中两点之间的电压就是该两点的电位之差，即
Uab=Ua–Ub
（）
为便于分析，在电路中常任选一点为参考点，其参考电位 为零，则电路中某点与参考点之间的电压就是该点的电位。电 压方向规定为由高电位指向低电位，即电位降方向。在电路分 析中，也常选取电压的参考方向，当电压的实际方向与参考方
（1.1）
式中q是时间t内通过导体横截面保持恒定的电荷量。电流的单
位是安培(A)，还有千安（kA）、毫安(mA)、微安(μA)等。
中文代号 国际代号 倍乘数
吉表1.2 兆单位换千算
毫
微
纳
皮
G
M
k
m
μ
n
p
109
106
103
10-3
10-6
10−9 10-12
6
在分析电路时，电流的实际方向有时很难立即判定，有
电场力 I
Uab= —Wq—ab
（1.2）
电a + + + + +
源
E Uab
灯泡
力b −−−− –
电压单位为伏[特]（V），还有千 伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（µV）等。
图1.5 电源电压与电动势
8
（2）电位
在图中, 当电场力移动正电荷从a经过灯泡到b时，就将 电能转换为光能，所以正电荷在a点具有比b点更大的能量。 我们把单位正电荷在电路中某点所具有的能量称为该点的电
16
3．短路
当电源的两个输出端由于某种原因 直接接触时，电源就被短路，电路处于 短路运行状态，如图所示。此时电路电 流为
IS＝UR—OS
(1. 9)
ISC
Ro
+ US–
IL=0 + RL UL=0 –
图1.9 电路的短路状态
IS称为短路电流，一般电源内阻RO很小， 故IS很大。短路时，
负载中的电流，负载上电压、功率均为零，电源所产生的功率 全部消耗在内阻上。因此，电源短路会造成严重后果，烧坏供 电设备和引发火灾。为此应力求避免电源短路，在电路中常接 入熔断器等短路保护装置。
+ US1
–
R1
+ –US2
R2
c
d
– U2 +
图1.7 电路电压和电位的计算
解：①当选c点为参考点, 则Vc=0V。 Va=US1=+10V， Vb= −V1+ US1=+7V, Vd=V2=+2V ; Uab=V1=Va−Vb=3V， Ubc=VS2+ V2=Vb=+7V， Uda=V2−VS1=Vd − Va= − 8V。
17
1.2 电路元件与欧姆定律
1.2.1 电阻元件
实验证明，导体对电流的通过具有一定的阻碍作用，称为
导体的电阻，用R表示，单位为欧[姆]（Ω）。不同的导体有不
同的电阻，导体电阻的计算公式为
R＝ρ —sl
（1.10）
式中l为导体的长度,单位为米(m)；S为导体的截面积，单位为
平方米(m2)；ρ为导体的电阻率，单位为欧•米（Ω•m）。
1.2.2 欧姆定律
1．电阻元件的欧姆定律
电阻的电压与通过的电流成正比。这一关系称为欧姆定
律，也即是电阻元件上的伏安关系。在电阻上，当电压与电
流为关联参考方向时，欧姆定律表示为
U＝RI
（）
I
R
+ U– 图1.12 欧姆定律
如果把电阻上电压和电流的关系用
I
坐标曲线表示，可画出电阻元件的 伏安特性曲线，如图所示。
池
开关
导线 中间环节
（a）结构图
S
+ E
–
灯负 泡载
EL
（b）电路图 图1.1.1 手电筒电路
电路主要由电源、负载、导线和开关等四部分组成。
电源：供给电路电能的设备，它是将化学能、光能、 机械能等非电能转换为电能。如干电池、蓄电池、太阳 能电池、发电机等。
负载：各种用电设备，它将电能转换成其他形式的 能量。如灯泡、电炉、电动机、电视机等。
由式（）可知，电场力所作的功为Wab=Uabq，将单位时间内
电场力所作的功定义为功率，即
P＝—Wt
（1.5）
功率的单位为瓦[特]（W），应用中还有兆瓦（MW）、千瓦 （kW）、毫瓦（mW）等。
12
1.1.3 电路的三种工作状态
电路的工作状态有三种： 通路、开路和短路。
1.通路
将图中的开关S闭合， 电路中就有 电流和能量的传输与转换。电源处于有载工
康铜 锰铜 黄铜 镍铬合金 铁铬铝合金 纯净锗 纯净硅 塑料 陶瓷 云母 玻璃 熔凝石英 琥珀
电 阻 率(Ω·m) 1．59×10–8 1．69×10–8 2．65×10–8 1．05×10–7 5．48×10–8 10×10–6
(4.8～5.2) ×10–7 (4.2～4.8) ×10–7
(7-8) ×10–8 (1.0～1.2) ×10–6
1.4×10–6 0.6 2300
１015～1016 1012～1013 1011～1015 101０～1014 75×1016
5×1014
用途
导线镀银
导线
导线
热电偶或电阻温度计
灯丝
电刷
标准电阻
标准电阻
标准电阻
电炉丝
电炉丝
半导体材料
半导体材料
绝缘体材料
绝缘体材料
绝缘体材料
绝缘体材料
绝缘体材料
19
绝缘体材料
的实际方向与参考方向相反，由b流向a。
实际方向
实际方向
a
元件
b
I 参考方向
பைடு நூலகம்
（a） I >0
a
元件
b
I 参考方向
（b） I <0
图1.4 电流的参考方向
7
2. 电压
（1）电压 由电场知识知道，电场力能够移动电荷作功。在图中，
极板a带正电，极板b带负电，a、b间存在电场。极板a上的正 电荷在电场力的作用下从a经过灯泡移到极板b ，从而形成了 电流，使灯泡发光。这说明电场力作功产生了电流。我们用物 理量电压来衡量电场力作功的能力，其定义为：单位正电荷从 a点移动到b点电场力所作的功，记为
PN 60
①工作电压与额定值一致，满载运行，发光正常，使用安全， 保证有效使用寿命；
② 电源电压为380V时灯泡的工作电流、损耗功率为
I＝—U＝—3—80—V ＝471mA P ＝—U2＝—38—02 ＝179W
R 807Ω
R 807Ω
工作值超过额定值，过载运行，发光过亮，寿命大大缩
短，甚至烧断钨丝而损坏；
14
例1.2 一只标有“220V，60W”的灯泡，试分析下列三种情 况下的工作状态：电源电压分别为220V，380V，110V。
解：灯泡的额定电压是220V，额定功率是60W。则
额定电流IN＝—PUN—N ＝—2620—0WV—＝0.273A＝273mA 灯泡电阻R＝—U—N2＝—22—02＝807Ω
〇+
电流
电子
〇−
图1.3 导体中的电子与电流 5
表征电流大小的物理量为电流强度（简称电流）。电流强度是
指单位时间内通过导体横截面的电荷量。大小和方向都不随时
间变化的电流称为恒定电流，也称直流电，用I表示。 大小和 方向随时间变化的电流称为交变电流, 简称交流电, 用i表示。
直流电流定义为
I＝
q —t
O
U
图1.13 线性电阻的伏安特性曲线
由图可知，该特性曲线为一条通过原点的直线，其相
作状态， 电路形成通路。图中US为电源电 压， Ro为电源内阻，RL为负载电阻。则
S I
Ro
+
+
RL UL
US–
–
图1.8 电路的通路状态
电路电流
I＝—U—S — （1.6） RO+RL
负载电压
UL＝RLI
（）
负载消耗功率
P＝RLI 2
（）
13
各种电气设备在工作时，其电流、电压和功率都有一定的 限额，这些限额是用来表示它们的正常工作条件和工作能力，
数值上等于电源力把单位正电荷从负极b经电源内部移到正
极a所作的功，用E 表示，即
E= —Wq—ba
（1.4）
电动势的方向由负极指向正极，即电位升方向，其单位 也是伏（V）。
10
a
+ U1 –
b
例1.1 电路如图所示，电源电压
US1=10V，US2=5V，电阻电压U 1=3V， U2=2V。分别取c点和d点为参考点，求 各点电位及电压Uab、Ubc,和Uda。
时电流还在变化，因此在电路中很难标明电流的实际方向。 我们借助“参考方向”来解决这一问题。所谓电流参考方向， 就是在电路中假定电流的正方向来作为分析和计算电路的参 考。如在图1.4(a)中，假定电流参考方向由a指向b，并且电
流I＞0，则电流的实际方向与参考方向一致，由a流向b；在 图1.4(b)中，电流参考方向由a指向b，但电流I＜0，则电流