电工技术基础第一章(刘志平)

电工基础（第2版）主编：刘志平、苏永昌电工基础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第一节库仑定律第二节电场和电场强度第三节电流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。第四节电压和电位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第五节电源和电动势§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。221rqqkF库仑定律的公式表示式中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＝9×109m2/C2;F—静电力，单位是N.221rqqkF例题1两个点电荷电荷量q1＝－4×10－6C，q2＝－1.2×10－6C，在真空中的距离r＝0.4m,求两个点电荷间作用力的大小及方向。解：NNrqqkF27.04.0102.11041092669221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。应用库仑定律求解注意事项：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。qFE电场强度的计算公式qFE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。22AAAArQkqrqQkqFE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。几种常见电力线如图1-3（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。tqI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1mA=10-3A；1A=10-6A；1kA=103A电流强度的计算规定：正电荷定向运动的方向为电流方向。电流的方向参考方向: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。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。电流的方向－分类§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：qWUABAB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1mV=10－3V；1V=10－6V；1kV=103V。§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。电压方向的确定电位的国际单位制为伏特(V)，与电压相同。1mV=10－3V；1V=10－6V；1kV=103V。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BAABVVU两点间的电压也叫两点间电位差。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：qWE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)1k=103；1M=106一、电阻在一般条件下，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。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。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SLR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)](1[1212ttRR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)。控制电路工作状态的器件或设备(如开关等)。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)。(4)控制器件：(3)连接导线：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。RUI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，式中“-”号切不可漏掉；RUI（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。0RREI关联方向下，全电路欧姆定律可用公式表述为全电路欧姆定律式中：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。0RREI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。UItUqW一、电能上式表明，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。UItUqWtRItRUW2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.tWP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：如果电流、电压为非关联参考方向，式1-13前面应加“-