电工根本课件1

  电工基础课件1_工学_高等教育_教育专区。电工基础 (第2版) 电工基础 ? ? ? ? ? ? ? ? 第一章 电路基础知识 第二章 直流电路 第三章 电容器 第四章 磁与电磁感应 第五章 正弦交流电路 第六章 三相交流电路和电动机

  电工基础 (第2版) 电工基础 ? ? ? ? ? ? ? ? 第一章 电路基础知识 第二章 直流电路 第三章 电容器 第四章 磁与电磁感应 第五章 正弦交流电路 第六章 三相交流电路和电动机 第七章** 变压器 第八章* 瞬态过程 绪论 自从19世纪以电力发明及其广泛应用为 标志的第二次科技革命以来,人类生活进入 了电气时代。 小至生活照明,大到现代化大工业生产, 电能在现代工业、农业、科学技术以及国民 经济等各个领域有着广泛的应用。 电能的广泛应用与其特点息息相关 。 绪论 ? 电能的应用 ? 一是进行能量的传输、分配和转换; 二是进行信息的传递、处理和运算。 ? 绪论 ? 二、电能的优越性 ? ? ? 1.便于转换; 2.便于输送和分配; 3.便于控制。 ? 三、电能的缺点 ? 1. 不便于存储。 绪论 ? 四、如何学好本门课程 1.抓住概念、理解记忆、加强实践、 掌握理论。 2.勤于思考、认真解题、灵活运用、 多做练习。 3.重视实验、巩固知识。 ? ? ? 第一章 电路基本知识 本章讲述电子学基本物理量,介绍库仑定律、欧姆定律 及电路基本工作状态。本章是全书的理论基础。 第一节 库仑定律 第二节 电场和电场强度 第三节 电流 第四节 电压和电位 第五节 电源和电动势 第六节 电阻和电阻定律 第七节 电路和欧姆定律 第八节 电能和电功率 第九节 电源的最大输出功率 §1-1 库仑定律 电荷: 自然界中存在两种电 荷,即正电荷和负电荷。 电荷间相互作用: 同性相斥,异性相吸。 电荷量的单位: 库[仑],用字母C表示。 库仑定律 在真空中两个电荷间作用力跟它们的电量的乘 积成正比,跟它们间的距离的平方成反比,作用 力的方向在它们的连线上。静止电荷之间的这种 作用力就叫做静电力或库仑力。 q1q2 F ?k 2 r 库仑定律 的公式表示 q1q2 F ?k 2 r 式中 q1,q2—点电荷电荷量,单位是C; r —两点电荷间的举例,单位是m; k —静电恒量,k=9×109 m2/C2; F —静电力,单位是N. 例题1 两个点电荷电荷量q1=-4×10-6C,q2=- 1.2×10-6C,在线m,求两个点电 荷间作用力的大小及方向。 解: 应用库仑定律求解 ?6 ?6 q1q2 4 ?10 ?1.2 ?10 9 F ? k 2 ? 9 ?10 ? N ? 0.27N 2 r 0.4 作用力的方向在两个点电荷的连线上。因 为是同种电荷,所以作用力为斥力。 注意事项: ? 库仑定律只适用于计算两个点电荷间的相互 作用力,非点电荷间的相互作用力,库仑定 律不适用。 ? 应用库仑定律求点电荷间相互作用力时,不 用把表示正、负电荷的“+”、“-”符号 带入公式中,计算过程中可用绝对值计算, 其结果可根据电荷的正、负确定作用力为引 力或斥力以及作用力的方向。 §1-2 电场和电场强度 一、电场: 存在于电荷周围空间,对电荷有作用力的 特殊物质,叫做电场。 电场的两个重要特性: ? 1、位于电场中的任何带电体,都受到电场 力的作用。 ? 2、位于带电体在电场中受到电场力的作用 而移动时,电场力对电场做功,这说明电场具 有能量。 二、电场强度 定义:检验电荷在电场中某一点所受电场力F 与检验 电荷的电荷量q的比值叫做该点的电 场强度,简称场强,用符号E表示。 F E? q 电场强度的计算公式 F E? q 式中:F—检验电荷所受电场力,单位为牛[顿],符号 为N; q—检验电荷的电荷量,单位是库[仑],符号为 C; E—电场强度,单位是伏[特]每米,符号为 V/m。 注意: ? (1)电场强度单位:N/C (2)大小:电场中某点的场强在数值 上等于单位电荷在该点受到的电场力。 ? ? (3)方向:规定电场中某点场强的方 向为正电荷在该点受到的电场力的方向。 如图1-2,计算A点 的场强。 qQ k 2 FA Q rA EA ? ? ?k 2 q q rA 由此可知,EA与FA方向相同, EA的大小 之和Q、rA有关,与检验电荷电荷量q无关。 三、电力线 电力线图示法描述电场: 在电场中画出一系列从正电荷出发 到负电荷终止的曲线,使曲线上每一点 的切线方向都和该点的电场强度方向一 致,这些曲线叫做电力线。 几种常见电力线(教材)所 示。 §1-3 电流 一、电流 电荷的定向运动形成电流。 电流方向:规定为正电荷流动的方向(或负电荷流动的反方 向) 电流大小:等于在单位时间内通过导体横截面的电量,称为 电流强度(简称电流),用符号 I 或 i(t)表示,讨论 一般电流时可用符号 i 。 电流强度的计算 q I? t 式中,t 为通过电荷量 q 所用的时间,时间的国际单位制 为秒(s),电量 q 的国际单位制为库仑 (C)。电流 I 的国际单位 制为安培 (A) 。 常用的电流单位还有毫安 (mA)、微安( ?A)、千安 (kA) 等,它们与安培的换算关系为 1 mA = 10-3A; 1 ?A = 10-6 A; 1 kA = 103 A 电流的方向 规定:正电荷定向运动的方向为电流方向。 参考方向:为计算方便,通常在无法确定电流方向时, 先假定一个电流方向,叫做参考方向。 注意:电流的计算结果为 “+” ——电流真实方向与参考方向一致; “ – ”——电流真实方向与参考方向相反。 电流强度是一个标量,电流方向只表明电荷的定 向运动方向。 电流的方向-分类 按照电流的大小、方向变化与时间的关系,电 流可以分为以下三类:(如图1-4教材)所示; 1、电流的大小和方向都不随时间变化,这样 的电流叫直流电流或稳恒电流,如图1-4a所示; 2、如果电流的大小随时间变化,但方向不随 时间变化的电流叫脉动电流,如图1-4b所示; 3、如果电流的大小和方向都时间变化,这样 的电流叫交流电流,如图1-4c所示。 §1-4 电压和电位 一、电压 A,B两点间的电压UAB在数值上等于电场力把电 荷由A移动到B所做的功W与被移动电荷电荷量q的比 值,可用下式表示: U AB WAB ? q 1 kV = 103 V。 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 V 的换算关系为 1 mV = 10-3 V; 1 ?V =10-6 V; §1-4 电压和电位 二、电位 正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电 量的比叫做该点的电位。 注意:讨论电位问题时,首先要选定参考点(假定 该点电位为零)。 其它点的电位等于该点与参考点间的电压。比 参考点高的电位为正,反之为负。 可见,电路中各点的电位是相对的,与参考点 的选择有关。 电压方向的确定 规定电压的方向有高电位指向低电位,即电位降低的方 向。电压的方向可以用高电位指向低电位的箭头表示,也可 以用高电位表“+”,低电位标“-”来表示。 在电路中a,b两点间的电压等于a,b两点间的电位之差。 即 U AB ? VA ? VB 两点间的电压也叫两点间电位差。 电位的国际单位制为伏特(V),与电压相同。 1 mV = 10-3 V; 1 ?V =10-6 V; 1 kV = 103 V。 电压参考方向的选择 与电流相似,在电路计算时,事先无法确 定电压的真实方向,常事先选定参考方向,用 “+、-”标在电路图中。 如果计算结果电压为正值,那么电压的这 个真实方向与参考方向一致;如果计算结果电 压为负值,那么电压的真实方向和参考方向相 反。 §1-5 电源和电动势 一、电源 定义:电源是把其它形式的能转换成电能的装 置。 种类:干电池或蓄电池把化学能转换成电能; 光电池把太阳的光能转化成电能;发 电机把机械能转化成个电能等等。 二、电源电动势 在电源内部,电源力把正电荷从低电位点(负极板) 移动到高电位点(正极板)反抗电场力所做的功与被移动 电荷的电荷量之比,叫做电源的电动势。用公式表示为: W E? q 式中 W—电源力移动正电荷所做的功,单位为焦[耳], 符号为J; Q—电源力移动的电荷量,单位是库[仑],符号为C; E——电源电动势,单位是伏[特],符号为V。 电源电动势的方向 规定: 由电源的负极(低电位点)指向正极 (高电位电)。 在电源内部的电路中,电源力移动正电荷 形成电流,电流的方向是从负极指向正极; 在电源外部电路中,电场力移动正电荷形 成电流,电流方向是从电源正极流向电源负极。 §1-6 电阻和电阻定律 一、电阻 定义:表示物质对带电粒子定向运动存在阻碍 作用的物理量。 经常用的电阻单位还有千欧 (k?) 、兆欧 (M?) 1 k? = 103 ?; 1 M? = 106 ? 一、电阻 本质:导体中的自由电子在电场力的作用下定向运 动。作定向运动的自由电子,要与在平衡位置附近不 断振动的原子核发生碰撞,阻碍了自由电子的定向运 动。这种阻碍作用使自由电子定向运动的平均速度降 低,自由电子的一部分动能转换成分子热能。 在一般条件下,任何物质都存在分子热运动, 所以任何物体都有电阻。当有电流流过时,都要消耗 一定的能量。 几种常见电阻的外形。 二、电阻定律 经实验证明,在温度不变时,一定材料制成的导体的 电阻跟它的长度成正比,跟它的截面积成反比。这个实验 规律叫做电阻定律。 均匀导体的电阻可用公式表示为 L R?? S 式中 ρ—电阻率,其值由导体材料的性质决定,单位是欧 [姆]米,符号为Ω·m,可查表1-1(教材); L——导体的长度,单位是米,符号为m; S——导体的截面积,单位是平方米,符号为㎡; R——导体的电阻,单位是欧[姆],符号为Ω。 三、电阻与温度的关系 电阻随温度的变化关系可表示为 R2 ? R1[1 ? ? (t2 ? t1 )] 式中 R1——导体在温度t1时的电阻; R2——导体在温度t2时的电阻; α——导体的温度系数,单位为1/℃ 一般说来,随着温度升高,金属导体电阻电阻增加,某 些半导体电阻减少。这都是分子热运动强度随温度升高有所 变化的缘故。 §1-7 电路和欧姆定律 一、电路 在日常生活中,我们会广泛接触到各种电路。手 电筒就是一中非常简单的电路。 电路:由电源、负载、连接导线、控制和保护装置四部分 组成。 2.电路的基本组成 电路的基本组成包括以下四个部分: (1)电源(供能元件): 为电路提供电能的设备和器件 (如电池、发电机等)。 图1-20 模拟手电筒电路 图1-20 模拟手电筒电路 (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)。 将电器设备和元器件按一定方式连接 起来(如各种铜、铝电缆线等)。 控制电路工作状态的器件或设备(如 开关等)。 (3)连接导线)控制器件: 电路图部分常用符号 二、欧姆定律-部分电路欧姆定律 在电阻一定时,导体中的电流跟这段导体两端的电压 成正比,在电压不变的情况下,导体中的电流跟导体的电 阻成反比。把以上实验结果综合起来得出结论,即欧姆定 律。 电阻R上的电压参考方向与电流参考方向是一致时(称 为关联参考方向 ),部分电路欧姆定律可用公式表述为 I ?U R 部分电路欧姆定律 注意: (1)当U、I见为非关联参考方向(U、I 参考方向相反)时,欧姆定律应写成 , U I ?? 式中“-”号切不可漏掉; R (2)电阻值不随电压、电流变化而变化的电 阻叫做线性电阻,由线性电阻组成的电路叫线性 电路。阻值随电压、电流的变化而改变的电阻, 叫非线性电阻,含有非线性电阻的电路叫非线性 电路。 二、欧姆定律-全电路欧姆定律 全电路是一个由电源和负载组成的闭合电路, 如图1-22所示。对全电路进行分析研究时,必须考 虑电源的内阻。如图R为负载的电阻、E为电源电 动势、r为电源的内阻。 关联方向下,全电路欧姆定律可用公式表述为 E I? R ? R0 全电路欧姆定律 E I? R ? R0 式中: E——电源电动势,单位是伏[特],符号为V; R——负载电阻,单位是欧[姆],符号为Ω; R0——电源内阻,单位是欧[姆],符号为Ω; I——闭合电路中的电流,单位是安[培],符号为A。 闭合电路欧姆定律说明:闭合电路中的电流与电源电动 势成正比,与电路的总电阻(内电路电阻与外电路电阻之和) 成反比。 §1-8 电能和电功率 一、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,其国际单位制为焦耳(J),电能的计算 公式为 W ? Uq ? UIt 式中 U—加在导体两端的电压,单位是伏[特],符号 为V; I—导体中的电流,单位是安[培],符号为A; t—通电时间,单位是秒,符号为s; W——电能,单位是焦[耳],符号为J。 一、电能 W ? Uq ? UIt 上式表明,电流在一段电路上所做的功,与这段电路 两端的电压、电路中的电流和通电时间成正比。 对于纯电阻电路,欧姆定律成立,电能也可由下式计 算。 U 2 W ? t ? RI t R 二、电功率 电流在单位时间内所做的功叫做电功率。它是描述电 流做功快慢的物理量。 电功率的计算公式为 W P? t 式中 W——电流所做的功(即电能),单位是焦[耳],符 号为J; t ——完成这些功所用的时间,单位是秒,符号为s; P——电功率,单位是瓦[特],符号为W. 二、电功率 在直流情况下,且电流与电压为关联参考方向 是,电功率有如下表示形式: P ? UI 如果电流、电压为非关联参考方向,式1-13前 面应加“-”。 在这个规定下,P>0说明电路元件在消耗(吸 收)电能;反之P<0则为发出(供出)电能。 二、电功率 对于线性电阻元件而言,电功率公式还可以写成 U 2 P ? UI ? ? RI R 三、电路中的功率平衡 在一个闭合回路中,根据能量守恒和转化定律, 电源电动势发出的功率,等于负载电阻和电源内阻 消耗的功率。即 2 P ?P ?P 电源 负载 内阻 §1-9 电源的最大输出功率 一、最大输出功率定理 当负载电阻R和电源内阻R0相等时,电源输 出功率最大(负载获得最大功率Pmax),即当R= R0时, Pmax E ? 4R 2 在无线电技术中,把负载电阻等于电源内阻的状态叫做电 阻匹配。负载匹配时,负载(如扬声器)可获得最大功率。