第1章 电学基础知识..

第一章电学基础知识•本章导读•第一节电路•第二节电流•第三节电压与电位•第四节电动势•第五节电阻•第六节欧姆定律•第七节焦耳定律•第八节电功与电功率下一页返回本章导读•本章为电学基础知识，主要介绍电路的定义和组成，讲述电路中的基本物理量和基本定律，包括电压、电流、电位、电动势等重要概念;欧姆定律、焦耳定律等基本定律;电流的方向和电位的计算等知识点。返回什么是电路？第一节电路•电路是电流通过的路径，是由各种元器件按一定方式连接起来的总体。图1-1就是一个简单的电路，它是由灯泡、开关、导线和电池四部分组成的。当开关闭合的时候，灯泡会变亮，而当开关断开的时候，灯泡会熄灭。这是因为在开关闭合的时候，电路中有了电流，电流通过电路流过灯泡从而使灯泡工作。当开关断开的时候，电路中就没有了电流，从而使灯泡失去了电流而停止工作。下一页返回图1-1简单的电路第一节电路•在图1-1电路中，各个元件都实现了不同的功能:电池是产生电能的源泉，我们把它称作电源;灯泡消耗了电能，我们称它为负载;导线起到了传输的作用，它把电能从电源传送到了负载当中;开关控制电路中的电流何时能通过导线传输，何时不能传输。•因此，我们可以发现电路是由电源、导线、负载和开关四元件组成的。•1.电源•电源是提供电能的设备。它的作用是将其他形式的能量转化为电能，并把电能源源不断地提供给负载。常见的电源有电池、发电机等。上一页下一页返回第一节电路•2.导线•导线是用来连接电源与负载的。电路通过导线构成一个闭合的回路，起着输送和分配电能的重要作用。一般常用的导线是铝导线或铜导线。•3.负载•负载是各种用电设备的总称。它的作用是将电能转换为其他形式的能量。•4.开关•开关是控制电路的闭合与断开的。通过开关来影响负载的工作情况。常见的开关有按钮、闸刀开关等。•电路通常有三种状态:通路、断路和短路。上一页下一页返回第一节电路•通路是指处处连通的电路。通路状态下电路中有电流流过。图1-1所示开关闭合时电路就是处于通路状态。•断路是指电路中有某处断开，不能形成一个电流的回路。断路状态下电路中没有电流，图1-1所示开关打开的状态。•短路是指电流从电源正极流出后不经过负载直接流回电源负极的情况(如图1-3所示)。短路状态下，电路中的电流要比通路状态下大很多倍，很容易烧毁电源，一般不允许出现这种情况。上一页返回图1-3短路第一节电路•图1-1所示的是电气设备的实物图形表示的实际电路。它的优点是形象直观，但是画起来很复杂，不便于分析和研究。于是，为了电路分析和研究的方便，实际设备往往被抽象成一些理想的模型，并用特定的图形符号表示。电路图就是用这些统一的图形符号画出的电路模型图。如图1-2就是图1-1的电路模型图。图1-3电路模型图第一节电路•电路中常用的部分图形符号如下表1-1所示。表1-1常用电路图形符号知识链接理想电路元件电路模型中的所有元件均为理想电路元件。实际电路元件的电特性是多元的、复杂的。消耗电能的电特性可用电阻元件表征；产生磁场的电特性可用电感元件表片。例如，由于白炽灯中耗能的因素大于产生磁场的因素，因此L（电感量）可以忽略。理想电路元件的电特性是精确的、唯一的。第二节电流•电流是指电荷的定向移动。电流的大小称为电流强度(简称电流，符号为I)，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过一库仑的电量称为一「安培」(A)。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。除了A，常用的单位有毫安(mA)及微安(μA)。•安德烈·玛丽·安培（André-MarieAmpère，•1775年—1836年），法国物理学家、化学•家、数学家，在电磁作用方面的研究成就•卓著。电流的国际单位安培即以其姓氏命•名。1802年他在布尔让-布雷斯中央学校•任物理学和化学教授；1808年被任命为法•国帝国大学总学监，此后一直担任此职；•1814年被选为帝国学院数学部成员；•1819年主持巴黎大学哲学讲座；•1824年担任法兰西学院实验物理学教授。下一页返回第二节电流•一、电流的方向•物理上规定电流的方向是正电子的流动方向或者负电子的流动的反方向。在金属导体中，电流是靠电子的定向移动产生的，而电子是带负电荷的，所以我们也可以理解成电流的方向是负电荷移动的方向。而在某些液体或者气体中，电流则是正或负离子在电场力作用下有规则的运动形成的。综合以上两种情况就会发现，电流的方向没有一个统一判定的标准，于是规定正电荷的运动方向为电流的方向。第二节电流•虽然电流的方向规定为正电荷的运动方向，然而在复杂电路的分析中，电路中电流的实际方向很难判断出来。有时，电流的实际方向还会不断改变。因此，很难在电路中标明电流的实际方向。为此，在分析或计算电路时，常可任意规定某一方向作为电流的参考方向或正方向，并用箭头表示在电路图上。规定了参考方向以后，电流就是一个代数量了。若电流的实际方向与参考方向一致(如图1-4(a)所示)，则电流为正值;若两者相反(如图1-4(b)所示)，则电流为负值。这样，就可以利用电流的参考方向和正、负值来标明电流的实际方向。要注意的是，在未规定参考方向的情况下，电流的正、负号是没有意义的。上一页下一页返回第二节电流•电流的参考方向除了用箭头在电路图上表示外，还可用双下标表示，如对某一电流用is。表示其参考方向由a指向b，如图1-4(c)所示。用iba表示其参考方向由b指向a，如图1-4(d)所示。显然，两者相差一个负号，即:上一页下一页返回第二节电流•二、电流的大小•电流的大小由在一定时间内通过导体横截面的电荷量的多少决定。在相同的时间内通过导体横截面的电荷量越多就表示流过该导体的电流越强，反之则越弱。电流的强弱用电流强度来衡量，通常规定:单位时间内通过导体横截面的电荷量为电流强度，用字母1表示。若在t秒内通过导体的横截面的电荷量是Q，则电流可以表达为:上一页下一页返回第二节电流•电流的单位是安培，简称安，用字母A表示，电荷量的单位是库仑，简称库，用C表示。若在is内通过导体横截面的电荷量为1C，则电流强度就是lAo•常用的电流的单位还有kA(千安)、mA(毫安)、wA(微安)，它们之间的换算关系为:上一页下一页返回第二节电流•电流分为直流电流和交流电流两大类:凡是大小和方向都不随时间变化的电流，称为稳恒电流，简称直流(简写作DC);凡是大小和方向都随时间变化的电流，称为交变电流，简称交流(简写作AC)。•交流电流的大小是随时间变化的，可以在一个很短时间△t内研究它的大小。在△t时间内，若导体横截面的电荷量的变化是△Q，则瞬间电流i为:上一页下一页返回第二节电流•例1-1某导体在五分钟内通过的电荷量为9C，求导体中的电流是多少毫安?上一页下一页返回第二节电流•三、电流的密度•电流密度是指流过单位横截面积的电流。•在直流电路中，电流是均匀分布在导体横截面积上的，电流的密度表示为:•从上式可以看出，同一电流1流过导体，导体横截面积S越小，则电流密度J越大，反之电流密度则越小。上一页下一页返回第二节电流•四、电流的测量•电流的测量常用工具是电流表。按照电流表测量范围的不同有安培表、毫安表、微安表等之分，在表盘上分别用A,mA,μA标明。•电流表的使用规则:•1.电流表要串联在电路中(否则短路);•2.电流要从“+”接线柱入，从“一”接线柱出(否则指针反转);•3.被测电流不得超过电流表的量程(否则损坏电流表);•4.绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上(否则短路)。上一页返回第三节电压与电位•一、电压•大家都知道，水在管中所以能流动，是因为有着高水位和低水位之间的差别而产生的一种压力，水才能从高处流向低处。城市中使用的自来水，所以能够一打开水门，就能从管中流出来，也是因为自来水的贮水塔比地面高，或者是由于用水泵推动水产生压力差的缘故。•电也是如此，电流所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电位和低电位之间的差别。下一页返回第三节电压与电位•从另外的角度说，电压是由于带电导体周围存在着电场，电场力对处在电场中的电荷有力的作用，若电场力使电荷沿电场的方向产生了移动，我们就说电场力对电荷做了功，而衡量电场力做功本领大小的物理量就是电压。如图1-5示，电场力将处在电场中的正电荷Q从a点移动到了b点所做的功为λ。，则A}与电荷量Q的比值就称为电场中a,b两点之间的电压，用符号Uab表示。上一页下一页返回第三节电压与电位•电压的单位是伏特，用符号V表示。•规定电场力把1C电荷量的正电荷从a点移动到b点，如果所做的功为1J，那么a,b两点之间的电压就是1V。除伏特外电压的常用单位还有kV(千伏)，mV(毫伏)，μV(微伏)。上一页下一页返回第三节电压与电位•二、电压的测量•电路中的电压可以用电压表来测量，电压表的使用要注意以下几点:•1.电压表要并联在被测电路两端;•2.电流必须从“+”接线柱流入，从“一”接线柱流出。若电压表接线柱接反了，则电压表的指针会向相反方向偏转，易使指针打弯，甚至损坏电压表;•3.被测电压不要超过电压表的量程。在不能预先估计被测电压值的情况下，可以用“试触法”来判断被测电压是否超过电压表的量程;•4.电压表可以直接并联在电源的两极上，测出的是电源两极间的电压。上一页下一页返回第三节电压与电位•三、电位•空间中某一点的电位是把单位正电荷从无限远处(假设此处电位为零)带到该点时所消耗的电能。电位是电能的强度因素，它的单位是伏特(简称伏，用V表示，是voltage的缩写)。电位用符号φ表示。设空间中有两个位置1和2，其电位分别为扒和姆，则位置1对于位置2的电位差△φ=φ1-φ2;相应，其电位降E=φ1-φ2。后者在电化学中用得较多，称作电势，在工业或日常生活中也常称作电压(voltage)。上一页下一页返回第三节电压与电位•由于电压是对电路中某两点而言的，在分析比较复杂的电路时，特别是在分析电子电路时，要一一说明电路中每两点之间的电压往往很繁琐，如果利用电位的概念进行分析则显得比较方便。如果在电路中任选一点为参考点，那么电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。也就是说某点的电位等于电场力将单位正电荷从该点移动到参考点所做的功。如图1-5所示，以o点为参考点，则a点的电位为:上一页下一页返回第三节电压与电位•规定参考点的电位为零，所以说参考点又叫零电位点。高于参考点的电位是正电位，低于参考点的电位是负电位。上一页下一页返回第三节电压与电位•三、电压与电位的关系•在图1-5中，以O点为参考点时，则a点与b点的电位分别为:•Um。表示电场力把单位正电荷从a点移动到。点所做的功，在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功(Uab)加上从b点移动到。点所做的功(Uba)，即:上一页下一页返回第三节电压与电位•由此可以得出结论:电路中任意两点之间的电压就是两点之间的电位之差，所以电压又称为电位差。上一页下一页返回第三节电压与电位•例1-2在图1-6所示的部分电路中，试求a,b两点的电位和电压Uab.上一页下一页返回第三节电压与电位•例1-3在图1-7中，设Uco=8V,Ucd=3V。试分别以。点和。点作为参考点，求d点电位和d,。两点之间的电压Udo.上一页下一页返回第三节电压与电位•由上面的计算可以得到结论:如果参考点改变了，则各点的电位也随之改变，各点的电位与参考点的选择有关。但是不管参考点如何变化，两点间的电压是不会改变的。通常情况下我们把大地看作参考点，也就是把大地的电位规定为零，而在电子仪器和设备中常把金属机壳和电路的公共接点的电位规定为零电位。上一页下一页返回第三节电压与电位•零电位的符号是(表示接大地)、(表示电路的公共接点或者设备的金属外壳接地)。所以，今后在电路中凡见到上述符号，就应认为该点的电位是零电位。•由式(1-7)可知，如果}Pm}Pn，则呱0，表明a点到b点的电位在降低;如果φaφb、则Uab0，表明a点到b点的电位在升高。•一般规定电场力移动正电荷所做的功的方向为电压的实际方向，电压实际方向也就是电位降的方向，即高电位指向低电位的方向，所以电压又称