电工学基础知识

电工学基础知识一、电工学基础知识（一）电能的产生（二）电流、电压和电阻及它们之间的关系１．电流水在河道上流动，在渠道上流动和在管子里流动，叫做水流。同样，电子沿着金属导线移动，叫电流。这里要说明的是：当我们合上电源开关时，在几十千米或更远的地方马上就会有电流，电子不是从我们合上电源开关的地方跑到几十千米之外，而是因几十千米导线中，处处都有电子，当合上开关时，这些电子一群接一群朝前推挤，所以几十千米外马上就有电流。电流的大小叫做电流强度，用字母Ｉ表示，单位是安培，符号是Ａ。２，电压水是从高的地方向低的地方流动，这是因高、低两地有水位差。同样，电流也是从高电位的物体流向低图２电力系统部分示意图电位的物体，两物体的电位之差称为电位差，通常我们把电位差叫做电压。要有水位差，水才能在水管里流动。同样，要有电位差，电流才能在导线里流动。电压用字母Ｕ表示，单位是伏特，符号是Ｖ。３．电阻水在水管内流动，会受到管壁、接头或其他障碍物的阻力。同样，电流在导线内流动，不能畅通无阻，也要受到阻力。电流在导线内流动所受的阻力，叫做电阻。产生电阻的主要原因是金属的原子对电子的控制不紧，有的电子离开了它，到处乱跑，形成自由电子，自由电子在运动过程中，有时被其他原子拉了进去，而别的电子可能又被推出来，这样拉来拉去，电子运动总要受到阻碍，不是通行无阻的。电阻的大小用字母Ｒ表示，单位是欧姆，符号是Ω。导体的电阻与下列四个因素有关：（１）导体的材料。截面积相等、长度相同，但材料不同的导体，它们的电阻各不相同，例如铁的电阻大于铜的电阻。（２）导体的长度。截面积相等、材料相同的导体，长度越长，电阻也越大。（３）导体的截面积。材料相同、长短相等的导体，截面积越大，电阻越小。（４）导体的温度。同一导体，在不同的温度下，就有不同的电阻。一般的导体，电阻随温度的升高而增加。４．电流、电压、电阻之间的关系我们知道，一条河流在山区因河床坡度陡，它的水流急，水流量大。相反，当河流进入平坦的平原地区，水流很平静。这里讲的坡度越陡，就是“水位差”越高，也可以说是“水压力”越大，可以促使水流得急。同样，在电路中的电压越高，电流越大。因此，可以得出一条结论：电流的大小与电压的高低成正比例的关系。同理，在水管里塞上一根木条后，水流的阻力增加，水流量减少，木条抽掉，水流量就增大。同样，电路中的电阻增大，电流减少，就是说电路中电流的大小与电阻的大小成反比。根据上述结论，我们就可以得到电学中常用的一个基本公式：这个基本公式，也就是常说的欧姆定律。了解公式的关系，只要我们知道其中两项就可方便地求出第三项。（三）电路的串联和并联首先我们必须先知道，一个电路主要由电源、负载、导线三部分组成。除此之外，还有断开和接通电路的开关。要使电路中电流流通，需要具备两个条件：电源能正常供电和电路必须是一个闭合的通路。电源：具有推动电流流动的原动力，是电路中电能的来源。干电池、蓄电池、直流发电机等是常用的直流电源；农村常用的交流电源主要有电网供电、区域小水电站供电等。负载：负载也叫做负荷。是将电能转换成其他形式的能量的受电设备。如照明灯具、电炉、各种家用电器（收音机、录像机、洗衣机、电视机等）、各种农副产品加工机器等。连接导线：导线也叫做电线，是把电源和负载连成一个通路，使电流通过导线流通，向各种用电设备供电。电路一般有串联和并联两种：１．电路的串联两个以上负荷，按第一个负荷的首端接电源，末端接第二个负荷的首端，第二个负荷的末端再接第三个负荷的首端……依此类推。通俗的说法，就是把两个以上负荷顺次连接起来，然后把它们接到电源上，叫做电路的串联，如图３所示。串联电路有如下特点：①各负荷中的电流都相等，即为总电流。②总电压等于各个负荷上的分电压相加。③总电阻等于各个负荷上的分电阻相加。图３电阻的串联电路串联电路在实际中也得到应用，如现在农村中照明都采用２２０伏电压的电源，我们现在只有１１０伏和３６伏的灯泡，怎么办呢？此时可将２只１１０伏灯泡串联起来，也可将６只３６伏的灯泡串联起来，这样灯泡可安全发光。但在串联电路中，若有１只灯泡坏了，其余的灯泡也会不亮，必须将坏的１只更换。２．电路的并联把两个以上负荷的头和尾，分别接在电源的火线和零线上，叫做电路的并联，如图４所示。并联电路的特点是：①各支路两端之间图４１０个灯泡的并联的电压相同。②总电流等于各支电路分电流相加。③总电阻小于任何一个支路的分电阻。并联电路在农村日常工作中得到广泛应用，从图４中我们可以看出，任何分支电路出现故障，都不会影响其他分支电路正常工作。（四）电功率和电能水从高水位向低水位的地方流动时，会做功。如我们在水流中安装一个水轮，水轮就会转动，带动水磨和水碾，可磨面和碾米，这就是做功。这里我们可以明白，水量越大，水流速越大（水压越高），水碾和水磨转动就越快，即所做的功就越大。因此，水流所做的功是：水流所做的功＝水流量×水位差（水压）同样，电流从高电位向低电位的方向流动时，也会做功。如使电流通过电动机，电动机就会转动，通过皮带或齿轮带动其他机器（打米机、压面机、脱粒机等）而做功。计算电功的方法，和计算水流做功的方法相同，通过的电流越大，所做的功就越大；电位差越大（电压越高），所做的功越大。因此，电流所做的功是：电流所做的功＝电流×电压１秒钟（单位时间）内电流所做的功，就叫做电功率。电功率的单位是瓦特，简称瓦，符号是Ｗ。如，电灯泡常标明的功率（瓦数）有：１５瓦（Ｗ）、２５瓦、４０瓦、６０瓦、１００瓦等，实际工作中常用千瓦表示：１千瓦＝１１００瓦电动机的功率就常用千瓦来表示。电功率的另一种单位是马力，马力与千瓦的关系是：１马力＝０．７３６千瓦＝７３６瓦平时所说的用电设备消耗了多少电能，或说用了多少度电。那么，什么叫电能，怎样计算度数呢？简单地说，电流所做的功，叫做电能。如果我们知道电功率后，要计算电流在一定时间所做的功，用电功率乘上时间，即：功＝功率×时间用符号表示，为：Ｗ＝Ｐｔ式中：Ｗ为电能（单位是千瓦时或度）；Ｐ为功率，单位是千瓦；ｔ为时间，单位是小时。电能的单位是度。１度电等于１千瓦时电，就是说１千瓦功率的用电设备，工作１小时，所消耗的电能是１度。例１光明村有２００户人家，若每户用２只２５瓦灯泡照明，平均每天用电４小时。问每户每月用多少度电？全村一个月（３０）天共用多少度电？解：每户灯泡的功率为：Ｐ＝２×２５＝５０（瓦）＝０．０５千瓦每户月用电时间为：４×３０＝１２０（小时）每户一个月的用电度数为：Ｗ＝Ｐｔ＝０．０５×（４×３０）＝０．０５×１２０＝６（度）全村一个月用电度数为：６×２００＝１２００（度）１度电的作用不可小看，它可炼钢１．６千克、织布１１米、抽水１５吨。因此，应该注意节约用电。（五）电和磁的关系１．磁的性质几千年前，我们的先辈就发现了磁石能吸铁，并根据磁铁的性质，发明了能指示南北方向的指南钉。随着社会的发展，人们了解磁铁有以下特性：①磁铁有吸引铁、钴、镍等铁磁物质的能力；②磁铁有两个极，即北极（Ｎ级）和南极（Ｓ级），两极的磁性最强；③同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引；④把铁磁物质（铁、钴、镍或它们的合金）放在磁铁附近，这种物质也能带上一些磁性，这种现象叫做磁化；磁铁拿走以后，这种物质还会保留一些磁性，这种现象叫做剩磁。我们在一块玻璃板上均匀地撒一些铁粉，然后在玻璃板下放一块条形磁铁，然后轻轻震动玻璃板，铁粉就会自由移动，出现图５（ａ）所示现象——铁粉就从Ｎ极到Ｓ极排列成许多有规则的、连续的、互不交叉的曲线；指南针的指向和这些曲线的走向一致。这个实验说明：磁铁对一定范围内的铁粉和指南针有磁力作用。磁力存在的场所叫做磁场。图５中（ｂ）所示的虚线，叫做磁力线。这个实验也充分证明磁铁的上述特点。２．电流的磁场前面已经叙述了磁铁能吸引附近的铁图５条形磁铁的磁场和磁力线（ａ）条形磁铁的磁场（ｂ）条形磁铁的磁力线粉，它的周围存在磁场。同样，电流的周围也存在磁场。我们可用下面的实验来证明。在一块纸板的中央穿一根导线，并在纸板上均匀地撒一些铁粉，也放上几个指南针。导线没有通电前，铁粉的分布没有变化，指南针也是指示南北方向。当导线通电后，铁粉就在导线周围排列成许多圆环，指南针沿着圆周方向指示，如图６（ａ）所示。如电流是通过线圈时，在线圈内部和附近也会产生磁场，磁力线环绕各匝电流，其分布如图６（ｂ）所示。实验证明：电流越大，磁场越强。通过线圈的电流越大、线圈的匝数越多，磁场越强。根据上述实验，判断直导线和线圈的磁场方向，可用右手螺旋定则，如图７（）所示。即：对于一根直导线，用右手握住导线，用拇指去指着电流的方向，其余四指所指的方向就是磁场的方向；对于线圈，用右手握住线圈，用握线圈的四指去指着电流的方向，拇指所指的方向就是线圈内部的磁场方向图７（ｂ）。带有铁芯的线圈叫做电磁铁，由于铁芯被磁化，所以电磁铁的磁场比空芯线圈的磁场强得多。电磁铁在实际中应用比较广泛，电动机、变压器、电铃、电工仪表、磁力开关、继电器等电气设备都采用铁芯线圈。图６电流周围的磁场（ａ）直导线通电时的磁场（ｂ）线圈通电时的磁场３．磁场对电流的作用因为电流的周围存在着磁场，把通电的导体放进另一个磁场里，那么电流磁场和另一磁场之间就会产生相互作用的力。图７用右手螺旋定则判断磁场的方向（ａ）判断直导线磁场的方向（ｂ）判断线圈磁场的方向如图８所示，把一根直导线放在磁场中，并使导线和磁场方向垂直。如果不通电，导线就静止不动。通上直流电后，导线就朝着一定的方向移动，这就是外界磁场对电流有作用力，这个作用力叫做电磁力。实验证明：①外界磁场越强，导线中的电流越大，导线受的力越大：②在磁场中的导线越长，导线所受的力越大（所以采用铁芯绕组增加导线长度）；③把导线放得和磁场方向垂直时，导线所受的力最大；④把导线放得和磁场方向一致时，导线所受的力等于零。如果把电流的方向或把磁场的方向倒过来，导线移动的方向也跟着倒过来。导线受力的方向可用左手定则决定，如图８所示。在制造电动机和电工仪表时，就是利用磁场对电流的作用原理。４．电磁感应电流可产生磁场，反过来在一定条件下图８左手定则磁场也能产生电流。电路中的电势是在线圈的导线中产生的。产生电势的原因是把磁铁放进线圈或从线圈中取出，在放进或取出的过程中使线圈中的磁通变化而在导线中产生电势，产生的电势叫做感应电势，这种现象叫做电磁感应现象，由感应电势在电路中产生的电流叫做感应电流。导体切割磁力线时，在导体中能够产生感应电势，因此在电路中也能够产生感应电流。实验证明：①导体垂直切割磁力线时，感应电势最大；②导体运动方向和磁力线平行时，感应电势等于零；③磁场越强，切割速度越快，在磁场中的导体越长（铁芯线圈匝数越多）感应电势就越高。发电机就是根据这个原理制造的。感应电势的方向，可用右手定则判断，如图９所示。图９右手定则（六）交流电路交流电路有单相交流电路和三相交流电路，三相交流电与单相交流电相比较具有下列优点：能将大量电能输送到远距离，而且经济，三相交流电动机的成本低、性能优良等，所以目前工农业生产中普遍采用三相交流供电线路。所谓三相交流电路，就是在电路中同时存在着三个最大值相同、频率相同、相位相差１２０°的正弦电势。其中每一个电势组成的部分电路叫做一相。三相交流电是由三相交流发电机发出来的。图１０是三相交流发电机的示意图。Ａ、Ｂ、Ｃ是三个线圈（三相）的首端，Ｘ、Ｙ、Ｚ是三个线圈的尾端。１．三相交流电路的星形（Ｙ）接线把发电机三相绕组（许多线圈的组合叫绕组）的尾端接在一起，首端用三根导线引出来给用户供电，这种接线方法叫做三相电源的星形（Ｙ）接线。从首端引出的三根线叫做相线（亦叫火线）；尾端的连接点叫做中性点，从中性点引出来的线叫做中性线（中线）或零线。同样，可以把三相负载的尾端连接在一起，把首端分别接到电源的三根相线上，这种接线法叫做三相负载的星形接线。使用三根火线又使用中性线的接线方式叫做三相四线制，如图１１所示。三根火线的电流在负载的中性点汇合后，经过中性线流回电源的中性点。如果三相负载完全一样（如电动机的三相绕组），并且三相电流也是平衡的，当三相电流经过中线时，三相电