《电工基础》进网电工--培训教材

全国进网电工（特种类电缆专业）电工基础模块第一章电工基础第一节直流电路及基本物理量一、电路电流的通路称为电路，直流电源构成的电路称直流电路，图1—1所示为手电筒简单直流电路。电路是由电源、负载、连接导线及开关四个基本部分组成。图1-1手电筒简单电路(a)实物图;(b)电路图二、电路的组成和作用1.电路是由各种元器件(或电工设备)按一定方式联接起来的总体，为电流的流通提供了路径。2.按基本功能分两大类A电能的产生、传输与转换电路。(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)。(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)。(3)控制器件：控制电路工作状态的器件或设备(如开关等)。(4)联接导线：将电器设备和元器件按一定方式联接起来(如各种铜、铝电缆线等)。B信号的产生、传递和处理三、电流电路中电荷沿着导体的定向运动形成电流，其方向规定为正电荷流动的方向(或负电荷流动的反方向)，其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。设在t=t2－t1时间内，通过导体横截面的电荷量为q=q2－q1，则在t时间内的电流强度可用数学公式表示为•式中，t为很小的时间间隔，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(t)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•1mA=10-3A；1A=10-6A；1kA=103Atqti)(1、直流电流•如果电流的大小及方向都不随时间变化，即在单位时间内通过导体横截面的电量相等，则称之为稳恒电流或恒定电流，简称为直流(DirectCurrent)，记为DC或dc，直流电流要用大写字母I表示。2、交流电流•如果电流的大小及方向均随时间变化，则称为变动电流。对电路分析来说，一种最为重要的变动电流是正弦交流电流，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化，将之简称为交流(Alternatingcurrent)，记为AC或ac，交流电流的瞬时值要用小写字母i表示。3、电流密度流过导体单位截面积的电流叫电流密度，用J表示，单位是安/平方毫米（A/mm）即J=I/S2四、电阻与电导1、电阻电阻元件是对电流呈现阻碍作用的耗能元件，例如灯泡、电热炉等电器。SlR—制成电阻的材料电阻率，国际单位制为欧姆·米(·m)；•l—绕制成电阻的导线长度，国际单位制为米(m)；•S—绕制成电阻的导线横截面积，国际单位制为平方米(m2)；•R—电阻值，国际单位制为欧姆()。•经常用的电阻单位还有千欧(k)、兆欧(M)，它们与的换算关系为•1k=103；1M=1062、电导电阻的倒数称为电导，导体的电阻越大电导就越小。电导是表示材料导电能力的参数，用G表示。电导的单位是西门子，用S表示G=1/R3、电阻与温度的关系电阻元件的电阻值大小一般与温度有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为取导体电阻为1Ω，当温度变化为1C时，它的电阻的变化数值。•如果设任一电阻元件在温度t1时的电阻值为R1，当温度升高到t2时电阻值为R2，则该电阻在t1~t2温度范围内的(平均)温度系数为•如果R2R1，则0，将R称为正温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而增大；如果R2R1，则0，将R称为负温度系数电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。显然的绝对值越大，表明电阻受温度的影响也越大。•R2=R1[1(t2－t1)]五、电动势与电压1、电动势电动势是电源力做功，把正电荷从电源低电位端经电源的内部移到高电位端，将其他形式的能量转换成电能，维持电源电流连续性。用电动势来衡量电源力对电荷做功的能力，用e或E表示。W-----外力（非静电力）移动电荷所做的功，jQ------被移动的电荷量，C.实际方向：从低电位指向高电位QWE•2、电压•电压是电场力做功，把正电荷从电源高电位端移到低电位端，将电能转换成其他形式的能量。用电压来衡量电场力对电荷做功的能力，用u或U表示。•实际方向：从高电位指向低电位（所以又叫电压降）QWU•六、欧姆定律•1.部分电路欧姆定律•通过导体的电流，与导体两端电压成正比，与导体的电阻成反比。•2.全电路欧姆定律•通过整个电路的电流，与电源电动势成正比，与负载和内阻的和成反比。RREI0RUI•七、电功率和电能•1、电功率•电功率(简称功率)所表示的物理意义是电路元件或设备在单位时间内吸收或发出的电能。两端电压为U、通过电流为I的任意二端元件(可推广到一般二端网络)的功率大小为•P=UI•功率的国际单位制单位为瓦特(W)，常用的单位还有毫瓦(mW)、千瓦(kW)，它们与W的换算关系是•1mW=103W；1kW=103W•电阻消耗的功率P=UI=U2/R=I2R•2、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，其国际单位制为焦尔(J)，电能的计算公式为•W=P·t=UIt•通常电能用千瓦小时(kW·h)来表示大小，也叫做度(电)：•1度(电)=1kW·h=3.6106J。•即功率为1000W的供能或耗能元件，在1小时的时间内所发出或消耗的电能量为1度。•八、电阻的串联、并联和混联•1、电阻的串联•将电阻一个接一个连成一串，称为电阻的串联。•特点：1）、各个电阻流过的电流相等。•2）、串联电路总电阻等于各个串联电阻之和。•3）、串联电路总电压等于各电阻上电压之和。•4）、分压公式••串联的各电阻的电压与其电阻成正比，电阻越大分到的电压越高，电阻越小分到的电压越低。•5）、串联电路得总功率等于各串联电阻功率之和。URRRRU32111URRRRU32122URRRRU321332、电阻的并联。两个或两个以上电阻一端连在一起，另一端也连在一起，使每一电阻两端都承受同一电压的作用，电阻的这种连接方式叫做电阻的并联，如图所示。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相等，且等于电路两端的电压，即U＝U1＝U22）并联电路中的总电流等于各电阻中的电流之和，即I＝I1＋I23）并联电路中的等效电阻（即总电阻）的倒数，等于各并联电阻的倒数之和，即4）并联电路的总功率等于各电阻功率之和。21111RRR•第二节磁场及电磁感应•磁现象与电现象是相互联系的。•一切磁场现象都起源于电流。•一、磁场•人们把能够吸引铁类物质的性质称为磁性。具有磁性的物体称为磁体。•同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。•1819年奥斯特发现电流能产生磁效应。•1820年，安培发现，磁能对电流施加作用力•一切物质磁性的本源是电荷的运动•磁场就是电流周围存在着的，能够对其他电流施加作用力的一种特殊形态的物质•任何电流周围都有磁场。•1.磁场的性质：磁场具有力的性质和能量性质。•2.磁场方向：在磁场中某点放一个可自由转动的小磁针，它N极所指的方向即为该点的磁场方向。•3.磁感线•a．磁感线•在磁场中画一系列曲线，使曲线上每一点的切线方向都与该点的磁场方向相同，这些曲线称为磁感线。•b．特点•(1)磁感线的切线方向表示磁场方向，其疏密程度表示磁场的强弱。•(2)磁感线是闭合曲线，在磁体外部，磁感线由N极出来，绕到S极；在磁体内部，磁感线的方向由S极指向N极。•(3)任意两条磁感线不相交。•说明：磁感线是为研究问题方便人为引入的假想曲线，实际上并不存在。•二、电流产生磁场•电流周围存在着磁场，产生磁场的根本原因是电流。磁场总是伴随着电流而存在，而电流则永远被磁场所包围。•我们把电流产生磁场的现象称为电流的磁效应。•通电导线(或线圈)周围磁场(磁力线)的方向，可用右手螺旋定则来判断。•(1)通有电流的直导线，其周围的磁场可以用同心圆环的磁力线来表示。电流愈大，线圆环愈密，磁场愈强。磁场的方向可用右手螺旋定则来描述：用右手握直导线，大拇指伸直，指向电流的方向，则其余四指弯曲所指方向即为磁场的方向。•(2)对于通有电流的线圈产生磁场的方向也可用右手螺旋定则来描述。这时将右手大拇指伸直，其余四指沿着电流方向围绕线圈，大拇指所指即为线圈内部轴向的磁场方向，也就是线圈内部通有电流的线圈沿轴向的磁力线方向。通有电流的线圈沿轴向的磁力线方向的判断(右手螺旋定则之一)•通有电流的线圈的磁场强弱，与线圈匝数和线圈通电流的大小有关。电流大磁场强；匝数越多，磁场也越强。•三、磁场的几个基本物理量•1磁感应强度•磁感应强度是描述磁场强弱和方向的物理量。•磁感应强度是一个矢量，它的方向即为该点的磁场方向。在国际单位制中，磁感应强度的单位是：特斯拉(T)。•用磁感线可形象的描述磁感应强度B的大小，B较大的地方，磁场较强，磁感线较密；B较小的地方，磁场较弱，磁感线较稀；磁感线的切线方向即为该点磁感应强度B的方向。•匀强磁场中各点的磁感应强度大小和方向均相同。•2、磁通量•在磁感应强度为B的匀强磁场中取一个与磁场方向垂直，面积为S的平面，则B与S的乘积，叫做穿过这个平面的磁通量，简称磁通。即•=BS•磁通的国际单位是韦伯(Wb)。•由磁通的定义式，可得•即磁感应强度B可看作是通过单位面积的磁通，因此磁感应强度B也常叫做磁通密度，并用Wb/m2作单位。SB•3．磁导率•磁场中各点的磁感应强度B的大小不仅与产生磁场的电流和导体有关，还与磁场内媒介质(又叫做磁介质)的导磁性质有关。在磁场中放入磁介质时，介质的磁感应强度B将发生变化，磁介质对磁场的影响程度取决于它本身的导磁性能。•物质导磁性能的强弱用磁导率来表示。的单位是：亨利/米(H/m)。不同的物质磁导率不同。在相同的条件下，值越大，磁感应强度B越大，磁场越强；值越小，磁感应强度B越小，磁场越弱。•真空中的磁导率是一个常数，用0表示•0=4107H/m•2．相对磁导率r•为便于对各种物质的导磁性能进行比较，以真空磁导率0为基准，将其他物质的磁导率与0比较，其比值叫相对磁导率，用r表示，即•根据相对磁导率r的大小，可将物质分为三类：•(1)顺磁性物质：r略大于1，如空气、氧、锡、铝、铅等物质都是顺磁性物质。在磁场中放置顺磁性物质，磁感应强度B略有增加。•(2)反磁性物质：r略小于1，如氢、铜、石墨、银、锌等物质都是反磁性物质，又叫做抗磁性物质。在磁场中放置反磁性物质，磁感应强度B略有减小。•(3)铁磁性物质：r1，且不是常数，如铁、钢、铸铁、镍、钴等物质都是铁磁性物质。在磁场中放入铁磁性物质，可使磁感应强度B增加几千甚至几万倍。0r•4、磁场强度•在各向同性的媒介质中，某点的磁感应强度B与磁导率之比称为该点的磁场强度，记做H。即•磁场强度H也是矢量，其方向与磁感应强度B同向，国际单位是：安培/米(A/m)。•必须注意：磁场中各点的磁场强度H的大小只与产生磁场的电流I的大小和导体的形状有关，与磁介质的性质无关。HHBBHr0•四、磁场对直线电流的作用力•1．安培力的大小•磁场对放在其中的通电直导线有力的作用，这个力称为安培力。•（1）当电流I的方向与磁感应强度B垂直时，导线受安培力最大•(2)当电流I的方向与磁感应强度B平行时，导线不受安培力作用。•(3)如图所示，当电流I的方向与磁感应强度B之间有一定夹角时，可将B分解为两个互相垂直的分量：•一个与电流I平行的分量，B1=Bcos；另一个与电流I垂直的分量，B2=Bsin。B1对电流没有力的作用，磁场对电流的作用力是由B2产生的。因此，磁场对直线电流的作用力为•当=90时，安培力F最大；当=0时，安培力F=0。•2．单位•公式中各物理量的单位均采用用国际单位制：安培力F的单位用牛顿(N)；电流I的单位用安培(A)；长度l的单位用米(m)；磁感应强度B的单位用特斯拉(T)。sin2BIlIlBF•3．左手定则•安培力F的方向可用左手定则判断：伸出左手，使拇指跟其他四指垂直，并都跟手掌在