电工学基础知识

本文由f22smk贡献
doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。
第二章
电工学基础知识
第一节 直流电 直流电(direct current)是大小和方向都不随时间变化的电流. 又称恒定电流.所通过的电路称直流电路,是由直流电源和电阻构成 的闭合导电回路.在该电路中,形成恒定的电场,在电源外,正电荷 经电阻从高电势处流向低电势处,在电源内,靠电源的非静电力的作 用,克服静电力,再从低电势处到达高电势处,如此循环,构成闭合 的电流线.所以,在直流电路中,电源的作用是提供不随时间变化的 恒定电动势,为在电阻上消耗的焦耳热补充能量. 在比较简单的直流电路中,电源电动势,电阻,电流以及任意两 点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出. 复杂的直流 网络可根据 G.R.基尔霍夫方程组求解. 它包括节点电流方程和回路电 压方程两部分,前者指出,对于任一节点(3 个或 3 个以上支路的交 点) 流入和流出节点的各电流的代数和为零, , 这是恒定条件的要求, 后者指出, 对于任一闭合回路 (网格) 各部分电压降的代数和为零, , 这是静电场环路定理的结果,两者构成了完备的方程组. 测量直流电路中电流,电压,电阻,电源电动势等物理量的仪表 称为直流仪表.常用的有电流计,安培计,伏特计,电桥,电势差计 等. 直流电源有化学电池,燃料电池,温差电池,太阳能电池,直流 发电机等.直流电主要应用于各种电子仪器,电解,电镀,直流电力 拖动等方面. 在电力传输上,19 世纪 80 年代以后,由于不便于将直流电低电 压升至高电压进行远距离传输,直流输电曾让位于交流输电.20 世 纪 60 年代以来,由于采用高电压,大功率变流器将直流电变为交流 电,直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展. 第二节 交流电
1
有了电的发现与了解, 十八世纪研究电的科学家们又发现不同的 金属释放电子的能力不同,将能力高(如锌)与能力低(如铜)的两 种金属,用适当的溶液及导线相连,则会产生持续性的电流,这种电 流便是"直流电流",而类似的装置即为今日常用电池的基本构造.直 流电的发明为当时的生活带来许多便利,但以今日的科技水准观之, 却有不易大量生产以及持续性不够久的缺点. 幸而在十九世纪中科学 家发现了磁场,同时也发现导线在磁埸中移动会产生电流,更因此而 发明了便宜又好用的交流电,丰富了人类的生活. 所谓交流电即是随时间而改变方向的电流, 因导线在磁场中无法 永远在同一方向移动,而必须做周期性的往返运动,因此其产生的电 流也会定期改变方向,就像我们的呼 吸一样,吸饱气时必须呼气才能吸一 下口气,而我们肺

部也就跟着做氧气 与二氧化碳的周期性交换动作.上图 是一个简单的交流发电机原理示意 图,图中环状导线借着连接其上的转 轴不断旋转,并与南北两磁极连成的 磁力线相交而产生交流电, 转轴前端的电刷则将导线所产生的电流引 出送到输配电系统,再送到工厂或家中使用.简而言之,我们只要想 办法让一组环状导电线圈在磁场中持续转动,原则上就可以得到电 力. 第三节 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. 除了安培 (A) 常用的单位有毫安 , (mA) 及微安(A).它们之间的换算关系是: 1A=1000mA 1mA=1000A
2
电流的微观表达式为 I = nesv . 式中的 n 表示单位体积内的自由电荷数,e 是电子的电量,s 为 导体横截面积,v 为自由电子定向移动的速率. 1,电流的基本计算式 I = C / T(电量/时间)= U / R(电压/电阻) 2,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. 一般情况下,电子指的是负电子,除非特别说明是正电子. 3,电流形成的原因 电压是使电路中电荷定向移动形成电流的原因. 4,电流产生的条件 (1)必须具有能够自由移动的电荷. (2)导体两端存在电压(要使闭合回路中得到持续电流,必须 要有电源). 5,电流的单位——安培 电流单位安培,简称安,符号是:A.它的定义是:安培是一恒 定电流, 若保持在处于真空中相距 1 米的两条无限长而圆截面可忽略 的平行直导线内,则两条导线之间产生的力在每米长度上等于 2×10-7 牛顿.该定义在 1948 年第九届国际计量大会上得到批准,1960 年第 十一届国际计量大会上, 安培被正式采用为国际单位制的基本单位之 一. 6,电流的测量-电流表 电流表的符号:-A电流表的使用方法: (1)电流表要串联在电路中. (2)正负接线柱的接法要正确:电流从正接线柱流入,从负接 线柱流出. (3)被测电流不要超过电流表的量程. (4)绝对不允许不经过用电器而把电流表直接连到电源的两极
3
上 (5)确认目前使用的电流表的量程 (6)确认每个大格和每个小格所代表的电流值.先试触,出现 问题时先解决:①指针不偏转;②指针偏转过激,电流表会爆掉;③ 指针偏转很小;④指针反向偏转. 7,电流的三大效应 (1)热效应. (2)磁效应 (3)化学效应 8,额定电流 额定电流是指电气设备等在额定输出时的电流. 电气设备标出的电流值称为额定电流. 设计时已考虑到其电流线 圈允许长期通过的最大电流为额定电流的 2 倍 (近几年生产的电度表 电流线圈允许长期通过的最大电流为额定电流的 4

倍) 如熔断器的熔体都有两个参数:额定电流与熔断电流.所谓额定 电流是指长时间通过熔体而不熔断的电流. 熔断电流一般是额定电流 的两倍. 第四节 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,所以能够一打开水龙头就能从管中流出来,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. 这种差别叫电位差, 也叫电压. 换句话说, 在电路中,任意两点之间的电位差称为这两点的电压.电源是提供电 压的装置.电压用符号"U"表示.电压的高低,一般是用单位"伏特" 表示,简称伏,用符号"V"表示.高电压可以用千伏(kV)表示,低 电压可以用毫伏(mV)表示. 它们之间的换算关系是:
4
1 千伏 (kV)=1000 伏(V) 1 伏(V)=1000 毫伏(mV) 1,电压的基本计算式 U = I×R(电流×电阻)= I×I×R×T(电流平方×电阻×通电时间) 2,电压表的使用 电压的大小用电压表测量. (1)使用前,先校零. (2)电压表必须并联在被测电路中. (3)使电流从电压表的"+"接线柱流入,"-"接线柱流出. (4)所测电压不允许超过它的量程. (5)在不知电压大小的情况下,可用快速试触最大量程的方法. (6)电压表可以直接接在电源的两端. 第五节 电 阻
导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻. 电阻器简称电阻(Resistor,通常用"R"表示)是所有电子电路中 使用最多的元件.电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可以说它 是一个耗能元件,电流经过它就产生内能.电阻在电路中通常起分压 分流的作用,对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻. 电阻都有一定的阻值,它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大 小.电阻的单位是欧姆,用符号" "表示. 欧姆是这样定义的:当在一个电阻器的两端加上 1 伏特的电压 时,如果在这个电阻器中有 1 安培的电流通过,则这个电阻器的阻值 为 1 欧姆. 在国际单位制中,电阻的单位是 (欧姆),此外还有 K (千 欧),M (兆欧).它们之间的换算关系是: 1M =1000K 1K =1000 电阻的阻值标法通常有色环法,数字法.色环法在一般的的电阻 上比较常见.由于手机电路中的电阻一般比较小,很少被标上阻值,
5
即使有,一般也采用数字法,即: 101—表示 10 的电阻; 2—表示 100 的电阻; 3—表示 1K 10 10 的电阻;104—表示 10K 示 10M 的电阻. 如果一个电阻上标为 22×103,则这个电阻为 22K . 第六节 欧姆定律 的电阻;106—表示 1M 的电阻;107—表
在同一电路中,导体中的电流跟导体两端的电压成正比,跟导体 的电阻成反比,这就是欧姆定

律. 电压=电阻×电流(U=RI) 电流=电压÷电阻(I=U/R) 电阻=电压÷电流(R=U/I) 注意,在这个公式里常犯的错误就是这个说法"电阻跟导体两段 电压成正比,跟电流成反比",这个说法是错的,电阻是导体本身的 固有特性,只和导体的长度,横截面积,材料和温度有关,和电压, 电流无关. 第七节 电 路 电路是电流所流经的路径. 电路或称电子回路,是由电气设备和元器件,按一定方式联接起 来,为电荷流通提供了路径的总体,也叫电子线路或称电气回路,简 称网络或回路.如电阻,电容,电感,二极管,三极管和开关等,构 成的网络. 电路的大小,可以相差很大,小到硅片上的集成电路,大到高低 压输电网. 1,串联电路 电流依次通过每一个组成元件的电路叫串联电路. 串联电路的基 本特征是只有一条支路,由此出发可以推出串联电路有如下五个特 点: (1)流过每个电阻的电流相等.因为直流电路中同一支路的各
6
个截面有相同的电流强度. (2)总电压(串联电路两端的电压)等于分电压(每个电阻两 +Un) .这可由电压的定义直接 端的电压)之和(U=U1+U2+ 得出. (3)总电阻等于分电阻之和.把欧姆定律分别用于每个电阻可 得 U1=IR1,U2=IR2, n=IRn ,U 代入下式 U=U1+U2+ +Un 因每个电阻上的电流相等,得 U=I(R1+R2+ +Rn) 此式说明,若用一个阻值为 R=R1+R2+ +Rn 的电阻元件代 替原来 n 个电阻的串联电路, 这个元件的电流将与原串联电路的电流 相同.因此电阻 R 叫原串联电阻的等效电阻(或总电阻) .故总电阻 等于分电阻之和. (4)各电阻分得的电压与其阻值成正比,因为 Ui=IRi. (5)各电阻分得的功率与其阻值成正比,因 Pi=I2Ri. 串联的优点:所以在电路中,若想控制所有电路,即可使用串联 的电路. 串联的缺点:若电路中有一个用电器坏了,整个电路意味着都断 了. 2,并联电路 并联电路是指在电路中,所有电阻(或其他电子元件)的输入端和 输出端分别被连接在一起.在并联电路中,每一元件两端的电压 V 都是相同的,流过每一元件的电流 Ix 不会受其他元件影响,它会根 据元件的电阻 Rx 而有所不同, x = V / Rx. I 并联电路有如下五个特点: (1)干路电流等于各支路电流之和(I=I1+I2+ +In) . (2)干路电压等于各支路电压(U=U1=U2= =Un) . (3)总电阻的倒数等于各电阻的倒数之和(1/R=1/R1 +1/R2 ++1/Rn) .
7
(4)分流作用.并联电路中通过各导体的电流强度跟它的电阻 成反比(I1R1=U;I2R2=U;
I 1 R2 = ) . I 1 R1
可见在并联电路中,电阻越小通过电流强度越大. (5)并联电路功率分配:并联电路中各电阻消耗电功率跟它阻 值成反 比(P1=U2/R1;P2=U2/R2;
P1 R2 = ) . P2 R1
可见在并联电路中,电阻越小消耗电功率越大.
一般家庭用的电灯,电视机,空调机以及其它家用电器均是以

并联方式连接的. 3,简单电路与复杂电路 简单电路就是各部分是以串,并联形式联接的电路,复杂电路就 是至少有一部分电路既不是串联也不是并联的电路. 简单电路一般采 用串,并联公式进行分析与计算,而复杂电路要应用基尔霍夫定律去 分析.因此,要解决电路问题,首先要分清电路的类型.实际电路的 形状既不规范又很复杂,如何迅速区分电路类型是化简,分析,计算 电路的前提. 第八节 电 感 电感是衡量线圈产生自感磁通本领大小的物理量,用字母 L 表 示,单位是亨利,用字母 H 表示. 其中,1H=103mH=106H 电感分为互感和自感两种. (1) 互感:两个线圈之间的电磁感应叫做互感. 如电流互感器等. (2)自感:由于通过线圈本身的电流变化而引起的电磁感应叫 自感. 第九节 电功率 电功率是衡量用电器消耗电能快慢的物理量, 也就是电流在单位
8
时间内所做的功,用 P 表示,它的单位是 W(瓦特,简称瓦),此 外还有 KW(千瓦).它们之间的关系是: 1KW=1000W 作为表示消耗能量快慢的物理量, 一个用电器功率的大小等于它 在 1 秒(1S)或 1 小时(1 h)内所消耗的电能.如果在"t"这么长 的时间内消耗的电能"W",那么这个用电器的电功率"P"就是: P=W/t 电功率可以由电压与电流的乘积求得: P=UI 每个用电器都有一个正常工作的电压值叫额定电压. 用电器在额 定电压下的功率叫做额定功率.
9

1