电工入门第一节

电工基础知识

电工作业 • 2018-08-23 • 400+ 浏览

第一节 电工基础知识

一、电荷的产生

构成一切物质的基础是原子,而原子是由原子核及围绕原子核旋转的电子组成的。原子核带正电荷,环绕原子核旋转的电子带负电荷。所有电子的大小、质量和电荷都是完全一样的。不同的化学元素,原子的结构也不同。如图1-1所示的几种原子结构。原子中存在原子核所带正电和电子所带负电互相吸引的作用,所以电子环绕原子核运动而不从原子中飞出去。

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完整的原子,原子核所带的正电荷,刚好等于它外围所有电子所带的负电荷,所以整个原子就是一个不带电的、电性中和的粒子。应该注意的是,金属元素的原子中电子数目比较多,它们分布在几层轨道上,如图1-1(a)中的金属原子所示,那些靠近原子核轨道上的电子与原子核的吸引力就比较强,所以不容易脱离原子核。但是最外层轨道上的电子,受核的吸引力比较弱,就很容易脱离原子核的束缚,跑到轨道外面去,成为“自由电子”。这些自由电子在原子间穿来穿去做着没有规则的运动,如图1-1(b)所示。原子失去了最外层电子后,它的电中性就被破坏了,这个原子就带正电,称为正离子。飞出轨道的电子也可能被另外的原子所吸收,这个吸收了额外电子的原子就带负电,称为负离子,如图1-1(c)所示。原来处于中性状态的原子,由于失去电子或额外地获得电子变成带电离子的过程,叫做电离。

 

二、电压

总所周知,河水总是从高处流向低处。因此要形成水流,就必须使水流两端具有一定的水位差,即水压,如图1-2(a)所示。与此类似,在电路里,使金属导体中的自由电子做定向移动形成电流的原因是导体的两端具有电压。电压是形成电流的必要条件之一。自然界物体带电后就会带上一定的电压,一般情况下,物体所带正电荷越多电位越高,如果把两个电位不同的带电体用导线连接起来,电位高的带电体中的正电荷便向电位低的那个带电体流去,于是导体中便产生了电流。

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在电路中,任意两点之间的电位差,称为该两点间的电压。电压分直流电压和交流电压。电池上的电压为直流电压,它是通过化学反应维持电能量的,电池电压电位差示意,如图1-2(b)所示。而交流电压是随时间周期变化的电压,发电厂的电压一般为交流电压,这种电压就是我们常用的交流电。

所谓电压是指两点之间的电压,它是以认定的某一点作为参考点。所谓某点的电压,就是指该点与参考点之间的电位差。一般来说,在电路工程中,规定以大地作为参考点,认为大地的电位等于零。如果没有特点说明的话,所谓某点的电压,就是指该点与大地之间的电压。电压用字母U来表示,其单位是伏特,用符号“V”来表示,大的单位可用千伏(kV)表示,小的单位可用毫伏(mV)表示。它们之间的关系如下

1kV=1000V

1V=1000mV

我国规定标准电压有许多等级,安全电压为12V、36V,民用市电单相电压220V,低压三相电压380V,城乡高压配电电压10kV和35kV,输电电压110kV和220kV,还有长距离超高电压输电电压330kV和500kV。

 

三、电流 

在各种金属中都含有大量的自由电子,如果将金属导体和一个电源连接起来时,导体中的自由电子(负电荷)就会受到电池负极的排斥和正极的吸引,使他们朝着电池正极运动,如图1-3(a)所示。自由电子的这种有规则的运动,形成了金属导体中的电流。习惯上人们都把正电荷移动的方向定为电流的方向,它与电子移动的方向相反。

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在现实中,通常要知道电路中电流的大小。电流的大小可用用每单位时间内通过导体任一横截面的电荷量来计算,称为电流强度,简称电流。电流强度的单位是安培(A)。它是这样规定的,1s内通过导体横截面上的电荷量Q为1C(注:1C相当于6.242*1(^⁸ 个电子所带的电荷量),则电流强度就是1A,即1A

安培用的符号“A”表示。在实际工作中,还常常用到较小的单位,即毫安(mA)和微安(ttA),它们的关系是

1A=1000mA

1mA=1000ttA

大小和方向都不随时间变化的电流,称为直流电流,如图1-3(b)所示;大小和方向均随时间作周期性变化的电流,称为交流电流,如图1-3(c)所示。在实际生活中,我们最常用交流电。

 

四、电阻

自由电子在导体中沿一定方向流动时,不可避免地会受到阻力,这种阻力是自由电子与导体中的原子发生碰撞而产生的。导体中这种阻碍电流通过的阻力叫电阻,电阻用符号R或r表示。

电阻的基本单位是欧姆,用“Ω”来表示。如果在电路两端所加的电压是1伏特(V),流过这段电路的电流是1安培(A),那么这段电阻就定为1欧姆(Ω)。在日常应用中,如果电阻较大,常常采用较大的单位—千欧(kΩ)和兆欧(MΩ),关系如下

1kΩ = 103Ω

1MΩ =106Ω

1-4所示为各种电阻图形及符号。

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特体电阻的大小与制成物体的材料、几何尺寸和温度有关。一般导线的电阻可由以下公式求得

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式中:l为导线长度(m);S为导线得横截面(mm²);ρ为电阻系数,也叫电阻率,单位为Ω·mm²/m。

电阻系数ρ是电工计算中得一个重要物理常数,不同材料物体的电阻率各不相同。电阻系数直接反映着各种材料导电性能的好坏。材料导电性能越好,它的电阻系数越小,反之也是,常用导体材料的电阻系数见表1-1。

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五、电容和电容器

当两个导体的中间用绝缘物质隔开时,就形成了电容器。组成电容器的两个导体叫做极板,中间的绝缘物是介质。电容器外形及符号如图1-5(a)所示。

电容器是一种储存电荷的容器。如图1-5(b)所示,把电容器和直流电源接通,在电场力的作用下,电源负极的自由电子将向与它相连的B极板上移动,使B极板带有负电荷;而另一极板A上的自由电子将向与它相连的电源正极移动,使A极板带有等量的正电荷。这种电荷的移动要持续到极板间的电压与电源电压相等时为止。这样,电容器储存了一定的电荷,我们把电容储存电荷的过程叫做电容器的充电。

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将充好电的电容器C通过电阻R接成闭合回路,如图1-5(c)所示,由于电容器储存着电场能量,两极板间有电压Uc,可用等效为一个直流电源。在电压Uc作用下,极板B上的电子就会跑向极板A上与正电荷中和,极板上的电荷逐渐减少,Uc逐渐降低,直到Uc=0时,电荷释放完毕。这一过程称为电容器的放电。

电容器既然是一种储存电荷的容器,它的容量是有大小的。为了比较和衡量电容器本身储存电荷的能力,可用每伏电压下电容器所储电荷量的多少作为电容器的电容量,电容量用字母C表示,即

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式中:C为电容器的电容量;Q为极板上的电荷量;U为电容器两端的电压。

若电压U的单位为伏特,电荷量Q的单位为库仑,则电容量的单位为法拉,用“F”表示。

在实际应用中,法拉这个单位太大,所以很少使用,一般使用微法(μF)和皮法(pF)为单位,

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六、电阻的串联与并联

1)串联。如果电路中有两个或更多个电阻一个接一个地顺序相连,并且在这些电阻中流过同一电流,则这种连接方式就称为电阻的串联。如图1-6(a)所示是两个电阻串联的电路。

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由于电流只有一个通路,所以电路的总电阻R等于各串联电阻之和,则

R=R1+R2

式中:R称为电阻串联电路的等效电阻。

电流I流过电阻R₁和R₂时都要产生电压降,分别用U₁和U₂表示,即

U₁=IR₁

U₂=IR₂

电路的外加电压U,等于各串联电阻上的电压降之和,即

U=U₁+U₂=IR₁+IR₂=I(R₁+R₂)=IR

所以,电阻串联电路可以看做是一个分压电路,两个串联电阻上的电压分别为

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上式即分压公式,它确定了电阻串联电路外加电压U在各个电阻上的分配原则。显然,每个电阻上的电压大小,取决于该电阻有总电阻中所占的比例,这个比值称为分压比。

2)并联。如果电路中有两个或更多个电阻连接在两个公共的节点之间,则这样的连接方式就称为电阻的并联。各个并联电阻上电压是相同的。如图1-6(b)所示是两个电阻并联的电路。

利用欧姆定律,则可用分别计算出每个电阻上的电流为

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电路中没有分支部分的电流,等于各并联支路中电流的总和,即

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两个并联电阻也可用用一个等效电阻R来代替,等效电阻R可由下式推出

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上式表明,多个电阻并联以后的等效电阻R的倒数,等于各个支路电阻的倒数之和。由此式可以很容易地计算出电阻并联电路的等效电阻。

在实际应用中,经常需要计算两个电阻并联的等效电阻,这时可利用下列公式

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七、欧姆定律

欧姆定律是电路中最基本的定律,如图1-7所示。内容如下:在一段电路中,流过该段电路的电流与电路两端的电压成正比,与该电路的电阻成反比,可用下式表示,即

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式中:R为电阻(Ω);I为电流(A);U为电压(V)。上面的公式也可用下式表示,即

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该式的物料意义是:电流I流过电阻R时,会在电阻R上产生电压降,电流I越大,电阻R越大,电阻上降落的电压就越多。

欧姆定律还可用下式表示为

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即在任何一端电路两端加上一定的电压U,可用测量出流过这段电路的电流I,这时,我们可以把这段电路等效为一个电阻R。这个重要概念,在电路分析与计算中经常用到。

 

八、右手螺旋定则

法国物理学家安培通过实验确定了通电导线周围磁场的形状。他把一根粗铜线垂直地穿过一块硬纸板的中部,又在硬纸板上均匀地撒上一层细铁粉。当用电池给粗铜线通上电流时,用手轻轻地敲击纸板,纸板上的铁粉就围绕导线排列成一个个同心圆,如图1-8(a)所示。仔细观察就会发现,离导线穿过的点越近,铁粉排列得越密。这就表明,离导线越近得地方,磁场越强。如果取一个小磁针放在圆环上,小磁针得指向就停止在圆环得切线方向上。小磁针北极(N极)所指得方向就是磁力线的方向。改变导线中电流的方向,小磁针的方向也跟着倒转,说明磁场的方向完全却决于导线中电流的方向。电流的方向与磁力线的方向之间可用右手螺旋定则来判定,如图1-8(b)所示。把右手的大拇指伸直,四指围绕导线,当大拇指向电流方向时,七四指所指的方向就是环状磁力线的方向。

 

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九、左手定则

取长度为ι的直导体,放入磁场中,使导体的方向与磁场的方向垂直。当导体通过电流I时,就会受到磁场对它的作用力F,这种磁场对通电导体产生的作用力叫电磁力,如图1-9(a)所示。实验证明,电磁力F与磁场的强弱、电流的大小以及导体在磁场范围内的有效长度有关。

 

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应用电磁力的概念可用导出一个用以衡量磁场强弱的物理量—磁感应强度。取一根长1m的直导体,如果通过导体的电流为1A,放到不同的磁场中或磁场的不同部位,就会发现,这根通电导体所受到的电磁力各不相同。因此,磁场内某一点磁场的强弱,可用长1m、通有1A电流的导体上所受的电磁力F来衡量(导体与磁场方向垂直),定义为磁感应强度,用符号“B”来表示,即

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式中:F为电磁力,单位为牛顿(N);I为电流,单位为安(A);ι是导体长度,单位为米(m)。此时,磁感应强度B的单位为特斯拉,用“T”表示,B是矢量。

如果在磁场中每一点的磁感应强度大小都相同,方向也一致,那么这种磁场称为均匀磁场。

磁场对通电导体作用力F的方向可用左手定则来确定。如图1-9(b)所示,将左手平伸,大拇指和四指垂直,让手心面对磁力线,四指指向电流的方向,则大拇指所指的方向就是电磁力的方向。

磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积,叫做磁通,用字母Φ表示,单位是韦伯 (Wb)0简单地说,磁通可理解为磁力线的根数,而磁感应强度B则相当于磁力线密度。磁感 应强度B和磁通Φ之间的关系,可用下式表示

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 十、右手定则

通过实践证明,感应电动势£与磁场的磁感应强度S、导体的有效长度i以及导线的运动 速度〃成正比,即

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式中B的单位为特斯拉(T) 单位为米(m);v的单位为米/秒(m/s) ;E的单位是伏特(V)。

上式说明,导体切割磁力线的速度越快,磁场的磁力线越密 以及导体在磁场范围内的有效长度越大,感应电动势也越大,换 句话说,导体在单位时间内切割的磁力线越多,导体中产生的感 应电动势就越大。

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直导体中感应电动势的方向可用右手定则来判定。如图1- 10所示,右手平伸,手心面对磁力线,并使与四指垂直的在拇指 指示导线运动的方向,那么伸直的四指就指向感应电动势和电流 的方向。

 

上述直导体在磁场中作切割磁力线的运动所产生感应电动势的现象,是电磁感应的一个特例。法拉第总结了大量电磁感应实验的结果,得出了一个确定 感应电动势大小和方向的普遍规律,称为法拉第电磁感应定律。

 


法拉第电磁感应定律说明不论由于何种原因或通过何种方式,只要使穿过导体回路的磁 通(磁力线)发生变化,导体回路中就必然会产生感应电动势。感应电动势的大小与磁通的变 化率成正比,即

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式中:∆Φ为磁通的变化量,单位为Wb;∆t为时间的变化量,单位为为s;e感应电动势,单位 为V。式中的”-”号是用来确定感应电动势方向的。

若回路是一个匝数为N的线圈,则线圈中的感应电动势为

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