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电工技术

电路基础知识——电流和电压

Author: Date:2012-6-2 16:02:40
电流和电压:
一、电路
如图1——1a所示,用开关和导线将干电池和小灯泡连接起来,只要合上开关,有电流流过,小灯泡就会亮起来。与此相似,将电风扇接上电源,只要合上开关,有电流流过,电风扇就会转起来(图1——1b)。像这样电流流通的路径称为电路
图1——1c、d是用电器符号描述电路连接情况的图,称为电路原理图,简称电路图。
图1——1e是用功能块表明电路中各部分之间关系的图,称方框图
在上述两个电路中,电源是提供电能的装置;开关是控制装置,控制电路的导通(ON)和断开(OFF);小灯泡和电动机是消耗电能的装置,称用电器,也称负载导线在电路中起连接作用。
 
二、电流
1.电流的形成
电路中有电流通过,也就意味着电路中有电荷处于移动状态,移动的电荷又载流子。载流子是多种多样的,例如,金属导体中的自由电子、电解液中的离子等。载流子在外加电压的作用下产生有规则的涌动,便形成了电流(图1——4)。
2.电流的方向
习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向,因此电流的方向实际上与电子移动的方向相反。
若电流的方向和大小恒定不变,则称其为稳恒电流(图1——5a),简称直流,用DC表示。若电流的大小和方向都随时间而变化,则为交变电流(图1——5b),简称交流,用AC表示。例如图1——1所示电路,小灯泡是由直流电源(干电池)供电的,称为直流电路;电风扇是由交流电源供电的,称为交流电路
 
在分析和计算较为复杂的直流电路时,经常会遇到某一电流的实际方向难以确定的情况,这时可先任意假定一个电流的参考方向,然后根据电流的参考方向列方程求解。如果计算结果I>0,表明电流的实际方向与参考方向相同(图1——6a);如果计算结果I<0,表明电流的实际方向与参考方向相反(图1——6b)。
【例1——1】如图1—7所示电路中,电流参考方向已选定,已知I1=1 A,I2= —3A,I3=—5A,试指出电流的实际方向。
解:
I1的实际方向与参考方向相同,即电流由a流向b,大小为1A;
I2的实际方向与参考方向相反,即电流由b流向a,大小为3A;
I3的实际方向与参考方向相反,即电流由a流向b,大小为5A。
 
3.电流的大小
在单位实际内,通过导体横截面积的电荷量越多,就表示流过该导体的电流越强,若在t时间内通过导体横截面积的电荷量是Q,则电流I可以用下式表示:
I=Q/t
电流的单位名称是安培,简称安,用符号A表示;电量单位的名称是库伦,简称库,用符号C表示。式中,I、Q、t的单位分别为 A、C、s。常用的电流单位还有毫安(mA)和微安(μA)。
1Ma=10-3A
1Μa=10-3Ma
 
4.电流的测量
(1)对交、直流电流应分别使用交流电流表和直流电流表测量。
(2)电流表必须串接到被测量的电路中。
(3)直流电流表表壳接线柱上标明的“+”“-”记号,应和电路的极性相一致(图1——8),不能接错,否则指针要反转,既影响正常测量,也容易损坏电流表。
(4)每个电流表都有一定的测量范围,称为电流表的量程。一般被测电流的数值在电流表量程的一半以上,读数较为准确。因此在测量之前应先估计被测电流大小,以便选择适当量程的电流表。若无法估计,可先用电流表的最大量程挡测量,若指针偏转不到1/3刻度,再改用较小挡去测量,直到测得正确数为止。
不允许将电流表不经过任何负载而直接连接到电源的两极,否则会造成电源短路,电流表也可能损害(图1——9)。
 
三、电压、电位和电动势
1.电压
在金属导体中虽然有许多自由电子,但只有在外加电场的作用下,这些自由电子才能作有规则的定向移动而形成电流。电场力将单位正电荷从a点移动到b点所做的功,称为a、b两点间的电压,用uab表示。电压单位的名称是伏特,简称伏,用V表示。
电压与电流的关系和水压与水流的关系有相似之处。
在图1——10所示装置中,由于用水泵不断将水槽乙中的水抽送到水槽甲中,使A处比B处水位高,即AB之间形成了水压,水管中的水便由A处向B处流动,从而推动水车旋转。
在图1——11所示电路中,由于电源的正、负极间存在着电压,电路中便有正电荷有正极流向负极(实际上是负电荷由负极流向正极),从而使电灯发光。
 
电压的实际方向即为正电荷在电场中的受力方向。在计算较复杂电路时,常常对电压的实际方向难以判断,因此也要先设定电压的参考方向。原则上电压的参考方向可任意选取,但如果已知电流参考方向,则电压参考方向最好选择与电流一致,称为关联参考方向。当电压的实际方向与参考方向一致时,电压为正值;反之,为负值。
电压的参考方向有三种表示方法,如图1——12所示。
【例1——2】已知图112a中,U=5V;图112b中,U= V;图112c中,Uab= 4V。试指出电压的实际方向。
解:
1-12a,U=5V>0,说明电压的实际参考方向与参考方向相同,即由a指向b
1-12b,U= -2V<0,说明电压的实际参考方向与参考方向相反,即由b指向a
1-12c,Uab= -4V<0,说明电压的实际参考方向与参考方向相反,即由b指向a
 
 
2.电位
如果在电路中选定一个参考点,则电路中某一个与参考点之间的电压即为该点的电位。电位的单位也是V。
电路中任意两点之间的电位差就等于这两点之间的电压,即Uab=Ua—Ub,故电压又称电位差。
 
3.电动势
在图1——10中,水泵的作用是不断地把水从乙水槽抽送到甲水槽,从而使A、B之间始终保持一定的水位差,这样水管中才能有持续的水流。在图1—11中,电源的作用和水泵相似,它不断地将正电荷从电源负极经电源内部移向正极,从而使电源的正、负极之间始终保持一定的电位差(电压),这样电路中才能有持续的电流。
电源将正电荷从电源负极经电源内部移到正极的能力用电动势表示,电动势符号为E,单位为V。
电源电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。电动势的方向规定为在电源内部由负极指向正极(图1—13)。
对于一个电源来说,既有电动势,又有端电压。电动势只存在电源内部,而端电压则是电源加在外电路两端的电压,其方向由正极指向负极。一般情况下,电源的端电压总是低于电源内部的电动势,只有当电源开路时,电源的端电源才能与电源的电动势相等。
4.电压的测量
(1)对交、直流电压应分别采用交流电压表和直流电压表测量。
(2)电压表必须并联在被测电路的两端。
(3)直流电压表表壳线柱上表明的“+” “-”记号,应和被测两点的电位相一致,即“+”端接高电位,“—”端接低电位,不能接错,否则指针要反转,并会损害电压表(图1-19)
(4)合理选择电压表的量程,其方法和电流表相同。