电工基础知识培训教材1

1电工基础知识培训教材绪言现代工业、农业、交通、通信、国防以及日常生活中电的应用广泛。但总的来说，电的应用有两大方面：一是作为一种能量——电能来应用；另一是作为一种信息——电信号来应用。（通常把电压、电流等电量的变化统称为电信号）电的应用极其广泛的原因，是由于它具有下列一些重要特点：１、转换容易。作为能量，电能可以很方便地由水能、热能、化学能、原子核能等转而来，成为廉价的动力来源；而且电能又很容易转换成人们需要的其它各种形式的能量，如机械能、热能、化学能、光能等。作为信息，电信号与各种非电信号（温度、压力、流量等的变化）之间的相互转换也容易实现。２、传输方便。作为能量，高电压远距离输送电能时，损失小、效率高；并且容易分配到各个用电设备上去。作为电信号，不但可在线路中迅速、稳定、准确地传输，而且可用电磁波的形式在空间传播。３、便于控制和测量。电能或电信号的有关量值便于准确而迅速地进行控制和测量，利用电信号还可对电量以及各种非电量进行遥控和遥测，这些都为自动化生产提供了必要的有得条件。随着电的日益广泛的应用，现代电工设备不但种类繁多，而且日新月异不断发展。但是目前绝大多数的设备仍是由各式各样的电路所组成。不论电路的结构如何复杂，它们和最简单的电路之间还是具有许多最基本的共性，而且遵循着相同的运动规律。因此本章主要内容将着重于电工基础，介绍电路的组成、电气参数的物理意义以及其中的基本规律、电磁知识和常见的电气设备及元件的原理、电路的测量和分析计算等，以使大家对电建立起一个较完整的基本概念和理论，为以后的进一步学习打下基础。本次学习的内容多，时间短，要在四天的时间内完全掌握有一定的困难，需要在以后的工作中，继续学习加深和巩固。由于自身的知识水平和业务能力有限，不可避免的存在一些的错误和不足，恳切的希望大家给予批评和指正。§1电路的基本概念§1.1电路的组成在电的实际应用中，从最简单的手电筒的到复杂的电子计算机的运算，都由电路来完成的。1、电路的组成及电路元件的作用电路就是电流所流经的路径，它由电路元件组成。当合上电动机的刀闸开关时，电动机立即就转动起来，这是因为电动机通过导线经过开头与电源接成电流通路，并将电能转换为机械能。电动机、电源等叫做电路元件，电路元件大体可分为四类：（1）电源：即发电设备，其作用是将其它形式的能量转换为电能。如电2池是将化学能转换为电能，而发电机是将机械能转换为电能。（2）负载：即发电机设备，其作用是把电能转换为其它形式的能。如电炉是将电能转换为热能，电动机则是把电能转换为机械能。（3）控制电器和保护电器：在电路中起控制和保护作用。如开关、熔断器、接触器等。（4）导线：由导线材料制成，其作用就是把电源、负载和控制电器连接成一个电路，并将电源的电能传输给负载。由此可见，电路的作用是产生、分配、传输和使用电能。图1-1就是最简单的电路。2、电路图在实际工作中，为便于分析、研究电路，通常将电路的实际元件用图形符号表示在电路图中，称为电路原理图，也叫电路图。图1-1a电路元件图，1-1b为1-1a的的原理电路图。（介绍电气参数，引出后面电流、电压、电阻等的讲解）§1.2电流一、物质的电结构1、构成物质的分子与原子世界上尽管有千万种的物质，例如铜、铁、玻璃、塑料、空气和水等，它们的性质各有不同中，但这些物质都由该物质的分子构成的。分子是最细小但不失原物质性质的颗粒。分子是是由更小的物质微粒——原子组成。有些物质的分子比较简单，只有一种原子组成，例如常见的铜或铁等金属。水的分子是由两个氢原子和一个氧原子化合而成。塑料和其它有机化合物的分子结构都比较复杂。原子是由原子核以及核外的电子所构成。不同的原子，其原子核外面的电子数目也不相同。例如氢原子在它的核外只有一个原子，而銅的原子则具有29个3电子。原子核一般由质子和中子所组成。质子的数目总是等于核外的电子数。中子不带电，质子和电子都带电的粒子。质子带正电荷，电子带负电荷。在同一个原子中质子与电子所带的正、负电荷必定相等，因此就整个原子来说，正、负电荷的作用恰好完全抵消，所以物体平时不显示带电现象。见图1—2图1—2原子结构图2、物体的带电、电荷量如果由于两种不同的物质相互摩擦或其它原因，使一块物体上的电子转移到了另一块物体上，这样就使失去电子的这块物体带了正电荷，而获得了电子的那块物体带了相同数量的负电荷。物体失去或获得的电子越多，那么这块物体所带的正电荷或负电荷量也就越多。电荷量是以库仑（简称库）为单位计量。据实验测定，一个电子具有的负电荷量约等于1.6×10-19库，也就是在1库的负电荷中约包含有625亿亿个电子。带电的物体在其周围存在着电场，电场也是物质存在的一种形式。实践证明，带异号电荷的两物体之间有互相吸引的力，反之，带同号电荷的两物体之间有互相排斥的力，这种相互的吸力或斥力就是电场的作用力。见图1—3图1—3电场力的相互作用3、库仑定律（了解）库仑定义：当流过某曲面的电流1安培时，每秒钟所通过的电量。1库仑（C）=1安培·秒（A·S）4库仑定律是电磁场理论的基本定律之一。真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同号电荷相斥，异号电荷相吸。库仑定律公式：F=k×(q1×q2)／r2公式1—1r——两者之间的距离（从q1到q2方向的矢径）k——库仑常数k=1／4πε0≈9.0×109N·m2·C-2ε0——真空介电系数，约为8.85×10-12C2·N-1·m-2(1)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。(2)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+,-符号代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。库仑定律成立的条件：处在真空中，必须是点电荷。注：计算时不一定要求静止是因为在平时的出题和提升中，很大一部分不考虑点电荷是否静止。图1—4点电荷的作用库仑定律——描述静止点电荷之间的相互作用力的规律由公式1—1可知电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。二、电流1、电流：电荷有规则的运动。导体内的电流是由于导体内部的自由电子在电场的作用下有规则的运动而形成的。此外，在有些液体或气体中由于存在带正、负电荷的离子，它们在电场作用下分别朝着一定的方向运动，因此也能形成电流。电流的大小取决于一定的时间以内通过的导体截面的电荷量的多少。5i＝q／t(I＝Q／T)公式1—2公式1—2指出：电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。为简单起见我们把电流的大小简称为电流。习惯上我们把正电荷流动的方向作为电流的实际方向，即外电路中电流从电源的正极流向负极。但在导线中，电流实际上是带负电荷的电子流动所形成的，但其效果与等量正电荷反方向流动完全相同，因此其电流方向是与电子流的方向相反。如图图1—4电流方向与负电荷流动的方向简单电路中电流实际方向容易按电源极性来判定。在比较复杂的电路中，电流的方向难于直观判断。为了分析计算电路的需要，我们引入了参考正方向的概念。电流在导体中流动的实际方向有两种可能，任意选取其中一个方向作为参考方向，称之为参考正方向，简称正方向。设电路某一未知电流的正方向已经选定，如果求得此电流为正值，说明电流的实际方向与选定的正方向一致；若求得此电流值为负值，说明电流的实际方向与选定的正方向相反。关联参考方向：如果指定流过元件的电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种方向称为关联参考方向。当两不一致时，称为非关联参考方向。2、直流电流与交流电流电流的大小和方向都不随着时间变化（即保持不变）的电流称为直流电流。电流的大小和方向随着时间按一定的规律变化的电流称为交流电流。电流的大小和方向随着时间按正弦的规律变化的电流称为正弦交流电流。6图1—5a)直流电流b)正弦交流电流4、电流的单位电流电流的大小以安培为单位计量，简称安，用字母A表示。1安的电流即等于在1秒钟内有1库的电荷量通过导线的截面。1A＝1×103mA＝1×106μA§1.3电阻一、导体、绝缘体与半导体我们知道，象铜、铁或这样的一些物质是很容易导电的，我们叫做导体；而象玻璃、云母、陶瓷之类的物质就很不容易导电，被称为绝缘体。这是因为，在导体中存在着不少与原子核的联系很松弛的电子，它们很容易摆脱原子核的束缚而在原子之间自由运动，被称为“自由电子”。各种金属内部都在不同程度上存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下，能很快地使电荷量从一处移到另一处，所以金属是导体。相反地，在绝缘体内部自由电子很少，所以几乎不能导电，因而可以用来做隔电的材料。但是要指出，绝缘体并不是绝对不导电的，只是它的导电能力与导体相比相差得非常悬殊而已。象硅与锗这些物质，它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，称为半导体。半导体有很多特殊的性能，尤其是当在纯硅、纯锗中间掺入适量的其他杂质之后，其导电能力将会成百万倍地增加。二、电阻和电阻率导体内的带电质点的过程中不断地相互碰撞，并且与导体的分子相互碰撞，因此，导体对于它所通过的电流呈现有一定的阻力，这种阻力称为电阻。由于导体的长度、截面积以及本身的材料不同，就具有不同的电阻。电阻小说明电流容易通过，反之，电流则不易通过。绝缘体之所以能做隔电材料，就是因为它有很大的电阻，使电流很难在其中通过。iittI007电阻的单位是欧姆，简称为欧，用符号Ω表示。1MΩ＝1×103KΩ＝1×106ΩR＝ρL／S公式1—3ρ——由导体材料的导电性能确定的常数（可查表得），叫做电阻率；常用的铜电阻率为0.0172Ω·mm2／m；铝为0.029Ω·mm2／m。L——导体的长度，单位为m。S——导体的横截面积，单位为mm2。S＝πd2／4=0.785d2(d是导线的直径，通常用来表示各种不同粗细的导线规格，如95线、120线等)。公式1—3表明了导线的电阻与它的长度成正比，与横截面积也就是线径的平方成反比。也就是说，导线越长，电子与分子碰撞次数增多，电子所遇到的阻力越大就不容易通过；导线横截面越大，电子通路宽敞，阻力越小，就越容易通过。所以对于较长的传输线路可采用线径较粗的导线，或几根芯线并做一根使用，来增加其总的截面积S，使线路电阻降低。电阻值的倒数称为电导，用G表示：G＝1／R电导的单位是西门子，简称西（S）：1S＝1Ω-1三、电阻与温度的关系导体的电阻是随着温度而变化的。它的原因是在某些导体中（例如金属），如果温度升高，使带电质点与分子碰撞的次数增多，因此导体内的电阻就增大。相反，在一些导体中（如电解液导体），如果温度升高，导体的单位体积内自由电子和离子数增多，这样就使电流增加，也就是说，这类导体的温度升高反而使电阻降低。有些金属（如锰铜、康铜等）的电阻随着电阻温度的变化而改变得很小。一般当温度不太低，且变化不大时，导体电阻所改变的数值，基本上可以认为与温度改变的值成正比。如以R1表示在起始温度T1时的导体电阻，以R2表示温度增加到T2时的导体电阻，则电阻与温度的关系可以表示为：R2＝R1[1+α（T2—T1）]公式1—4α——电阻温度系数，它等于温度每变化“1／℃”时，每欧的导体电阻所改变的电阻数值，其单位们为“1／℃”。§1.4电压及欧姆定律前面我们介绍了关于电流及电阻的概念。本节将进一步讨论关于连续不断的电流是怎样产生的的。为此先介绍电源电压的概念，再讨论电压、电流、电阻三8者之间的关系，即欧姆定律，这一定律是我们分析电工问题最用到的基本定律之一。一、电源及电源电压电路中的电流需要靠电源来维持，这好比用水泵来维持连续的水流一样。水泵能维持连续水流的原理是由于它能保持两处之间的水位差，使一处的水位总是高于另一处的水位。在水泵的外部，水总是从高水位处流向低水位处；而在水泵内部，借助水泵的力量可从低水位处流向高水位处，这样，水就能连续不断地流通了。与此类似，在电源两端具有不同的电位。电源正极的电位总是高