电工基础知识(1)

电工基础知识-1-直流电路一、电路及基本物理量电路就是电流的通过途径。最基本的电路由电源、负载、连接导线和开关等组成。电路分为外电路和内电路。从电源一端经负载回到另一端的电路称为外电路。电源内部的通路称为内电路。1、电流导体中的自由电子在电场力的作用下，做有规则的定向运动，就形成了电流。习惯上规定正电荷的移动的方向为电流的方向。每秒中内通过导体截面的电量多少，称为电流强度。用I表示，即：tQI式中：I—电流强度，简称电流，单位为安培，A；Q—电量，单位为库仑，C；t—时间，单位为秒，s。2、电流密度通过导线单位截面积的电流。3、电压、电位电位在数值上等于单位正电荷沿任意路径从该点移至无限远处的过程中电场力所做的功。其单位为伏特，简称伏（V）。电压就是电场中两点之间的电位差。其表达式为：QAU式中：A—电场力所做的功，单位为焦耳，J；Q—电荷量，单位为库仑，C；U—两点之间的电位差，即电压，单位为伏特，V。4、电动势在电场中将单位正电荷由低电位移向高电位时外力所做的功称为电动势，其表达式为：QAE式中：A—外力所做的功，J；Q—电荷量，C；E—电动势，V。电工基础知识-2-电动势的方向规定为由负极指向正极，由低电位指向高电位，且仅存于电源内部。5、电阻电流在导体中流动时所受到的阻力，称为电阻。用R或r示。单位为欧姆或兆欧。导体电阻的大小与导体的长度L成正比，与导体的截面积成反比，并与其材料的电阻率成正比，即SLR式中：—导体的电阻率，Ω·m；L—导体长度，m；S—导体截面积，m2；R—导体的电阻，Ω。6、感抗容抗阻抗当交流电通过电感线圈时，线圈会产生感应电动势阻止电流变化，有阻碍电流流过的作用，称感抗。它等于电感L与频率f乘积的2π倍。即：XL=WL=2πfL。感抗在数值上就是电感线圈上电压和电流的有效数值之比。即：XL=UL/IL。感抗的单位是欧姆。当交流电通过电容时，与感抗类似，也有阻止交流电通过的作用，称容抗。它等于电容C乘以频率的2π倍的倒数。即：Xc=1/2πfc=1/WC。容抗在数值上就是电容上电压和电流的有效值之比。即：Xc=Uc/Ic。容抗的单位是欧姆。当交流电通过具有电阻(R)、电感（L）、电容（C）的电路时，所受到的阻碍称为阻抗（Z）。它的数值等于：Z2=R2+(XL－Xc)2。阻抗在数值上就等于具有R、L、C元件的交流电路中，总电压U与通过该电路总电流I的有效值之比。即：Z=U/I二、欧姆定律1、部分电路欧姆定律不含电源的电路称为无源电路。在电阻R两端加上电压U时，电阻中就有电流I流过，三者之间关系为：RUI欧姆定律公式成立的条件是电压和电流的标定方向一致，否则公式中就应出现负号。2、全电路欧姆定律含有电源的闭合电路称为全电路，如图2-1所示。图中虚线框内代表一个电源。电源除了具有电动势E外，一般都是有电阻的，这个电阻称为内电阻，用r0表示。当开关S闭合时，负载R中有电流流过。电动势E、电工基础知识-3-内电阻r0、负载电阻R和电流I之间的联系用公式表示即为：0rREI全电路欧姆定律还可以写为：00UUIrIRE式中IRU称为电源的端电压；00IrU称为电源的内压降。三、电功和电功率电流所做的功，叫电功；用符号A表示。电功的数学式为：tRURtIIUtA22式中：U—导体两端的电压，V；I—电路电流，A；R—导体的电阻，Ω；t—通电时间，s。电功的大小与电路中的电流、电压及通电时间成正比，电功的单位为焦耳，另一个单位是千瓦·时（kWh）。它们之间的关系是1千瓦·时=3.6兆焦=3.6×106焦耳（1kWh=3.6MJ=3.6×106J）。单位时间内电流所做的功，叫做电功率。用符号P表示，即RURIUItAP22式中：U—导体两端的电压，V；I—电路电流，A；R—导体的电阻，Ω；t—作功的时间，s；A—电功，J。电功率的单位是瓦，功率较大时，电功率的单位是千瓦kW、兆瓦MW。（1MW=103kW=106W）当电流通过电阻时，要消耗能量而产生热量，这种现象称为电流的热效应。根据能量守恒定律，电路中消耗的功率将全部转换成热功率，即：PR=0.24I2R（卡/秒）。式中0.24为电、热功率的转换系数（热功当量），即每瓦电功率为0.24卡/秒的热功率。我们常用的电炉、白炽灯、电烙铁、电烘箱等都是利用电流的热效应而制成的电SIURr0图2-1全电路E电工基础知识-4-器。四、电源外部特性与电路的三种状态1、电源的外部特征：在电动势不变的情况下，电源的端电压与电路中的电流大小及电源的内电阻大小有关。一般情况下，电流越大，电源的端电压就越低。2、电源的三种状态：当电路接通，负载中有电流流过时，电路处于导通状态；若外电路与电阻值近似为零的导体接通时，电路处于短路状态；若电路中有断开处，电路中没有电流流过时，电路处于开路状态。电路处于开路状态时，电源的端电压与电动势相等。五、电阻的串、并联及混联1、电阻的串联凡是将电阻首尾依次相连，使电流只有一条通路的接法，叫做电阻的串联。电阻串联电路具有以下特点：①、串联电路中电流处处相等，即321IIII；②、串联电路中总电阻等于各分电阻的和，即321RRRR；③、串联电路中总电压等于各分电压的和，即321UUUU；④、各电阻上的电压降之比等于其电阻比，即2121RRUU；2、电阻的并联将电阻两端分别连接在一起的方式，叫电阻的并联。电阻并联电路具有以下特点：①、并联电路中各电阻两端的电压等于电源电压，即321UUUU；②、并联电路中总电流等于各分电流的和，即321IIII；③、并联电路等效电阻的倒数等于各并联支路电阻的倒数之和，即3211111RRRR；④、各并联电阻中的电流及电阻所消耗的功率均与各电阻的阻值成反比，即1221RRII；3、电阻的混联电路中既有电阻的串联又有电阻的并联，则称混联电路。六、基尔霍夫定律基尔霍夫定律包括第一定律和第二定律。它们是分析计算复杂电路不可缺少的基电工基础知识-5-本定律。1、基尔霍夫第一定律（节点电流定律）对任一节点来说，流入（或流出）该节点电流的代数和等于零。其数学表达式：0I或出进II。电流正负的规定：一般取流入节点的电流为正，流出节点的电流为负。2、基尔霍夫第二定律（回路电压定律）在电路的任何闭合回路中，沿一定方向绕行一周，各段电压的代数和为零，即：0U或IRE。在应用回路电压定律时，往往把电动势写在等式左边，把电压写在等式右边。对于第二个表达式中各电动势和电压的正负确定方法如下：①、首先选定各支路电流的方向。②、任意选定沿回路的绕行方向（顺时针或逆时针）。③、若流过电阻的电流方向与绕行方向一致，则该电阻上的压降为正，反之取负。④、若电动势的方向与绕行方向一致，则该电动势取正，反之取负。七、直流电路的分析和计算1、支路电流法对任何复杂直流电路，都可以用基尔霍夫定律列出节点电流方程式和回路电压方程式联立求解。以电路中个支路电流为未知量，就可以用支路电流法求解。下面以图2-2为例，说明求解方法①、在电路图上标出各支路电流I1、I2、I3的方向、列出独立的节点电流方程。②、选定适当回路并确定其绕形方向，列出回路电压方程。2332212211321ERIRIERIRIIII③、将已知的电动势E1和E2以及电阻R1、R2、R3数值代入联立方程组。解出此方程组，就可以求得三个支路电流值。R3R2R1E2E1I1I2I3ⅠⅡ图2-2电工基础知识-6-2、回路电流法对支路数较多的电路求解，用回路电流法较方便。以图2-3为例，解题步骤如下：①、以网孔为基础，假设回路电流参考方向。②、列出各网孔的回路电压方程。列方程时，电动势的方向若与回路电流方向一致，电动势取正，反之取负；本回路中所有电阻上的压降永远为正，相邻回路的公共电阻上压降，当两个回路电流方向相同时取正，反之取负。本例列出的方程组是：123131)(EIRIRR213232)(EIRIRR③、解出所列出的方程组后，再用节点电流法求出各支路电流。本图中：321III3、节点电压法对只有两个节点的直流电路，用节点电压法求解最为简便。以图2-4为例，解题步骤如下：①、选定节点电压方向。②、列出节点电压表达式，求出节点电压值。③、根据欧姆定律求出各支路电流。43213322111111RRRRREREREUAB式中分子各项的符号为：当E的方向与所选电压方向相反时为正，反之为负。分母各项皆为正。则：111RUEIAB，222RUEIAB，333RUEIAB，44RUIAB图2-3I2I1E1E2R1R2R3图2-4I3I2I1E1E2R1R2R3E3R4I4AB电工基础知识-7-八、叠加原理在线性电路中，任一支路的电流（或电压）都是电路中各个电源单独作用时，该支路中产生的电流（或电压）的代数和，这个结论叫叠加原理。叠加原理主要用来指导其他定理、结论和分析电路。运用叠加原理过程中，当一个电源单独作用时，应将其余的恒压源作全部短路、恒流源作全部开路处理。九、戴维南定理任何只包含电阻和电源的线性有源二端网络，对外都可用一个等效电源来代替。这个电源的电动势等于该网络的开路电压；这个电源的内电阻等于该网络的入端电阻（即网络中各电动势短接时，两出线端间的等效电阻）。这个结论称为戴维南定理。用戴维南定理解题步骤如下：①、把电路分为待求支路和含源二端网络两部分。②、把待求支路断开，求出含源二端网络的开路电压，（即等效电动势E0）和入端电阻（即等效内阻R0）。③、画出含源二端网络的等效电路，再接入待求支路电阻，求出该支路电流及有关量。磁与电磁的基本知识一、电流的磁场通电导体的周围有磁场存在。导体中通过电流时产生的磁场方向可用安培定则（又称右手螺旋定则）来判断。当通电导体为直导体时，右手握直导体，拇指的方向为电流方向，弯曲四指的指向即为磁场方向。当通电导体为螺旋管时，右手握螺旋管，弯曲四指表示电流方向，拇指所指的方向即为磁场方向。二、磁场对电流的作用1、磁场对通电直导体的作用处在磁场中的直导体流过电流时，导体会发生运动，表明通电导体受到一个电磁力的作用。这个电磁力的大小与通电导体电流的大小成正比，与导体在磁场中的有效长度以及导体所处位置的磁感应强度成正比。写成数学表达式即为：sinBILF（N）通电导体在磁场中的受到的电磁力方向，可用左手定则判定：平伸左手，使大拇指与其余四指垂直，让磁力线垂直穿过手心，四指指向电流方向，大拇指所指的方向就是导线受力后的运动方向。电工基础知识-8-2、通电平行导体之间的相互作用两根平行且靠近的通电导体，相互之间都要受到对方电磁力的作用。电磁力的方向可用以下方法来判定。先判定通电导线的产生的磁场方向，再判定两根导体分别受到的电磁力方向。两根平行导体的电流方向相同时，相互吸引；电流方向相反时，相互排斥。三、电磁感应由于导体所在的磁场的大小或方向发生变化或磁场与导体之间作相对运动而产生的电动势，叫做感应电动势，这种现象叫做电磁感应。直导体中感应电动势的方向可用右手定则来判定：平伸右手，使大拇指与其余四指垂直，让磁力线垂直穿过手心，大拇指指向导线的运动方向，其余四指所指的方向就是就感应电动势的方向。四、自感与互感1、自感由于线圈本身电流的变化而引起线圈内产生电磁感应的现象，叫做自感现象。由自感现象而产生的感应电动势，叫做自感电动势。2、互感两个线圈之间的电磁感应叫互感应，简称互感。五、涡流及趋肤效应1、涡流涡流是感应电流的一种，带有铁心的线圈相当于原线圈，铁心相当于副线圈。当线圈通有变化的电流时，便在铁心内产生变化的磁通，由于互感作用，在铁心内产生自成回路的环流称为涡流。涡流会使铁心发热，增加电能的损耗，叫做涡流损失。交流电器的铁心由涂有绝缘漆的硅钢片叠成的，就是为了减小涡流损失。2、趋肤效应导体通过交流电时，由于产生的电磁感应，会使导体表面的电流密度较大，内部的电流密度较小，这种现象称为趋肤效应。使得流过导体的电流比较集中地