電工技術基礎第一章(劉志平)電路基本知識

1、電工基礎 （第2版）主編：劉志平、蘇永昌電工基礎n第一章 電路基礎知識n第二章 直流電路n第三章 電容器n第四章 磁與電磁感應n第五章 正弦交流電路n第六章 三相交流電路和電動機n第七章* 變壓器n第八章* 瞬態(tài)過程緒論 自從自從19世紀以電力發(fā)明及其廣泛應用為世紀以電力發(fā)明及其廣泛應用為標志的第二次科技革命以來，人類生活進入標志的第二次科技革命以來，人類生活進入了電氣時代。了電氣時代。 小至生活照明，大到現代化大工業(yè)生產小至生活照明，大到現代化大工業(yè)生產,電能在現代工業(yè)、農業(yè)、科學技術以及國民電能在現代工業(yè)、農業(yè)、科學技術以及國民經濟等各個領域有著廣泛的應用。經濟等各個領域有著廣泛的應用。

2、電能的廣泛應用與其特點息息相關電能的廣泛應用與其特點息息相關 。緒論n電能的應用電能的應用n一是進行能量的傳輸、分配和轉換；一是進行能量的傳輸、分配和轉換；n二是進行信息的傳遞、處理和運算。二是進行信息的傳遞、處理和運算。緒論n二、電能的優(yōu)越性n 1便于轉換；便于轉換；n 2便于輸送和分配；便于輸送和分配；n 3便于控制。便于控制。n三、電能的缺點三、電能的缺點n 1. 不便于存儲。不便于存儲。緒論n四、如何學好本門課程四、如何學好本門課程n1抓住概念、理解記憶、加強實踐、抓住概念、理解記憶、加強實踐、掌握理論。掌握理論。n2勤于思考、認真解題、靈活運用、勤于思考、認真解題、靈活運用、多做練習

3、。多做練習。 n3重視實驗、鞏固知識。重視實驗、鞏固知識。第一章 電路基本知識第一節(jié) 庫侖定律第二節(jié) 電場和電場強度第三節(jié) 電流 本章講述電子學基本物理量，介紹庫侖定律、歐姆定律及電路基本工作狀態(tài)。本章是全書的理論基礎。第四節(jié) 電壓和電位第六節(jié) 電阻和電阻定律第七節(jié) 電路和歐姆定律第八節(jié) 電能和電功率第九節(jié) 電源的最大輸出功率第五節(jié) 電源和電動勢1-1 庫侖定律電荷：電荷： 自然界中存在兩種電自然界中存在兩種電荷，即正電荷和負電荷。荷，即正電荷和負電荷。電荷間相互作用：電荷間相互作用： 同性相斥，異性相吸。同性相斥，異性相吸。電荷量的單位：電荷量的單位： 庫庫侖侖，用字母，用字母C表示。表示。

4、 庫侖定律 在真空中兩個電荷間作用力跟它們的電量的乘在真空中兩個電荷間作用力跟它們的電量的乘積成正比，跟它們間的距離的平方成反比，作用積成正比，跟它們間的距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。靜止電荷之間的這種力的方向在它們的連線上。靜止電荷之間的這種作用力就叫做靜電力或庫侖力。作用力就叫做靜電力或庫侖力。221rqqkF 庫侖定律 的公式表示式中式中 q1，q2點電荷電荷量，單位是點電荷電荷量，單位是C； r 兩點電荷間的舉例，單位是兩點電荷間的舉例，單位是m； k 靜電恒量，靜電恒量，k9109 m2/C2; F 靜電力，單位是靜電力，單位是N.221rqqkF 例題例題1 1 兩

5、個點電荷電荷量兩個點電荷電荷量q1q14 410106C6C，q2q21.21.210106C6C，在真空中的距離，在真空中的距離r r0.4m,0.4m,求兩個點電求兩個點電荷間作用力的大小及方向。荷間作用力的大小及方向。解：解：NNrqqkF27. 04 . 0102 . 11041092669221 作用力的作用力的方向方向在兩個點電荷的連線上。因在兩個點電荷的連線上。因為是為是同種電荷同種電荷，所以作用力為斥力。，所以作用力為斥力。應用庫侖定律求解應用庫侖定律求解注意事項：n庫侖定律只適用于計算兩個點電荷間的相互作用力，非點電荷間的相互作用力，庫侖定律不適用。n應用庫侖定律求點電荷間相

6、互作用力時，不用把表示正、負電荷的“”、“”符號帶入公式中，計算過程中可用絕對值計算，其結果可根據電荷的正、負確定作用力為引力或斥力以及作用力的方向。 1-2 電場和電場強度一、電場：一、電場： 存在于電荷周圍空間，對電荷有作用力的存在于電荷周圍空間，對電荷有作用力的特殊物質，叫做電場。特殊物質，叫做電場。 電場的兩個重要特性：電場的兩個重要特性： 1、位于電場中的任何帶電體，都受到電場位于電場中的任何帶電體，都受到電場力的作用。力的作用。 2、位于帶電體在電場中受到電場力的作用位于帶電體在電場中受到電場力的作用而移動時，電場力對電場做功，這說明電場具而移動時，電場力對電場做功，這說明電場具有

7、能量。有能量。二、電場強度定義：定義：檢驗電荷在電場中某一點所受電場力檢驗電荷在電場中某一點所受電場力F與檢驗與檢驗 電荷的電荷量電荷的電荷量q的比值叫做該點的的比值叫做該點的電電場強度場強度，簡稱場強，用符號，簡稱場強，用符號E表示。表示。 qFE 電場強度的計算公式qFE 式中：式中：F檢驗電荷所受電場力，單位為牛頓，符號 為N； q檢驗電荷的電荷量，單位是庫侖，符號為 C； E電場強度，單位是伏特每米，符號為 V/m。 注意：n（1）電場強度單位：NCn（2）大?。弘妶鲋心滁c的場強在數值上等于單位電荷在該點受到的電場力。n（3）方向：規(guī)定電場中某點場強的方向為正電荷在該點受到的電場力的方

8、向。 如圖如圖12，計算，計算A點點的場強。的場強。22AAAArQkqrqQkqFE 由此可知由此可知，EA與與FA方向相同，方向相同， EA的大小的大小之和之和Q、rA有關，與檢驗電荷電荷量有關，與檢驗電荷電荷量q無關。無關。三、電力線電力線圖示法描述電場： 在電場中畫出一系列從正電荷出發(fā)到負電荷終止的曲線，使曲線上每一點的切線方向都和該點的電場強度方向一致，這些曲線叫做電力線。 幾種常見電力線如圖1-3（教材）所示。1-3 電流一、電流一、電流 電荷的定向運動形成電流。電荷的定向運動形成電流。 電流方向：電流方向：規(guī)定為正電荷流動的方向規(guī)定為正電荷流動的方向(或負電荷流動的反方或負電荷流

9、動的反方 向向)電流大?。弘娏鞔笮。旱扔谠趩挝粫r間內通過導體橫截面的電量，稱為等于在單位時間內通過導體橫截面的電量，稱為 電流強度電流強度(簡稱簡稱電流電流)，用符號，用符號 I 或或 i(t)表示，討論表示，討論 一般電流時可用符號一般電流時可用符號 i 。tqI 式中，式中，t 為通過電荷量為通過電荷量 q 所用的時間，時間的國際單位制所用的時間，時間的國際單位制為秒為秒(s)，電量，電量 q 的國際單位制為庫侖的國際單位制為庫侖 (C)。電流。電流 I 的國際單位的國際單位制為安培制為安培 (A) 。常用的電流單位還有毫安常用的電流單位還有毫安 （mA）、微安（、微安（ A）、千安、千安

10、 （kA） 等，它們與安培的換算關系為等，它們與安培的換算關系為1 mA = 10-3A； 1 A = 10-6 A； 1 kA = 103 A電流強度的計算規(guī)定：規(guī)定：正電荷定向運動的方向為電流方向。正電荷定向運動的方向為電流方向。電流的方向參考方向參考方向:為計算方便，通常在無法確定電流方向時，為計算方便，通常在無法確定電流方向時， 先假定一個電流方向，叫做參考方向。先假定一個電流方向，叫做參考方向。注意注意:電流的計算結果為電流的計算結果為 “+” 電流真實方向與參考方向電流真實方向與參考方向一致一致； “ ”電流真實方向與參考方向電流真實方向與參考方向相反相反。 電流強度是一個標量，電

11、流方向只表明電荷的定電流強度是一個標量，電流方向只表明電荷的定向運動方向。向運動方向。 按照電流的大小、方向變化與時間的關系，電按照電流的大小、方向變化與時間的關系，電流可以分為以下三類：（如圖流可以分為以下三類：（如圖1-4教材）所示；教材）所示； 1、電流的大小和方向都不隨時間變化，這樣、電流的大小和方向都不隨時間變化，這樣的電流叫的電流叫直流電流直流電流或或穩(wěn)恒電流穩(wěn)恒電流，如圖，如圖1-4a所示；所示； 2、如果電流的大小隨時間變化，但方向不隨、如果電流的大小隨時間變化，但方向不隨時間變化的電流叫時間變化的電流叫脈動電流脈動電流，如圖，如圖1-4b所示；所示； 3、如果電流的大小和方向

12、都時間變化，這樣、如果電流的大小和方向都時間變化，這樣的電流叫的電流叫交流電流交流電流，如圖，如圖1-4c所示。所示。電流的方向分類1-4 電壓和電位一、電壓一、電壓 A,B兩點間的電壓兩點間的電壓UAB在數值上等于電場力把電在數值上等于電場力把電荷由荷由A移動到移動到B所做的功所做的功W與被移動電荷電荷量與被移動電荷電荷量q的比的比值，可用下式表示：值，可用下式表示： qWUABAB電壓的國際單位制為伏特電壓的國際單位制為伏特( (V) )，常用的單位還有毫伏，常用的單位還有毫伏( (mV) )、微伏微伏( ( V) )、千伏、千伏( (kV) )等，它們與等，它們與 V 的換算關系為的換算

13、關系為1 mV = 103 V；1 V =106 V；1 kV = 103 V。1-4 電壓和電位二、電位二、電位 正電荷在電路中某點所具有的能量與電荷所帶電正電荷在電路中某點所具有的能量與電荷所帶電量的比叫做量的比叫做該點的電位該點的電位。 注意：討論電位問題時，首先要選定參考點（假定討論電位問題時，首先要選定參考點（假定該點電位為零）。該點電位為零）。 其它點的電位等于該點與參考點間的電壓。比其它點的電位等于該點與參考點間的電壓。比參考點高的電位為參考點高的電位為正正，反之為，反之為負負。 可見，電路中各點的電位是相對的，與參考點可見，電路中各點的電位是相對的，與參考點的選擇有關。的選擇有

14、關。 電壓方向的確定電位的國際單位制為伏特電位的國際單位制為伏特( (V) )，與電壓相同。，與電壓相同。1 mV = 103 V；1 V =106 V；1 kV = 103 V。 規(guī)定規(guī)定電壓的方向電壓的方向有高電位指向低電位，即電位降低的方有高電位指向低電位，即電位降低的方向。電壓的方向可以用高電位指向低電位的箭頭表示，也可向。電壓的方向可以用高電位指向低電位的箭頭表示，也可以用高電位表以用高電位表“+”，低電位標，低電位標“-”來表示。來表示。 在電路中在電路中a，b兩點間的電壓等于兩點間的電壓等于a，b兩點間的電位之差。兩點間的電位之差。即即BAABVVU 兩點間的電壓也叫兩點間電位差

15、。兩點間的電壓也叫兩點間電位差。 電壓參考方向的選擇 與電流相似，在電路計算時，事先無法確與電流相似，在電路計算時，事先無法確定電壓的真實方向，常事先選定參考方向，用定電壓的真實方向，常事先選定參考方向，用“+、-”標在電路圖中。標在電路圖中。 如果計算結果電壓為如果計算結果電壓為正值正值，那么電壓的這，那么電壓的這個真實方向與參考方向一致；如果計算結果電個真實方向與參考方向一致；如果計算結果電壓為壓為負值負值，那么電壓的真實方向和參考方向相，那么電壓的真實方向和參考方向相反。反。1-5 電源和電動勢一、電源一、電源定義：定義：電源是把其它形式的能轉換成電能的裝電源是把其它形式的能轉換成電能的

16、裝 置。置。 種類：種類：干電池或蓄電池把化學能轉換成電能；干電池或蓄電池把化學能轉換成電能； 光電池把太陽的光能轉化成電能；發(fā)光電池把太陽的光能轉化成電能；發(fā) 電機把機械能轉化成個電能等等。電機把機械能轉化成個電能等等。 二、電源電動勢 在電源內部，電源力把正電荷從低電位點（負極板）在電源內部，電源力把正電荷從低電位點（負極板）移動到高電位點（正極板）反抗電場力所做的功與被移動移動到高電位點（正極板）反抗電場力所做的功與被移動電荷的電荷量之比，叫做電源的電動勢。用公式表示為：電荷的電荷量之比，叫做電源的電動勢。用公式表示為： qWE 式中式中W電源力移動正電荷所做的功，單位為焦電源力移動正電

17、荷所做的功，單位為焦耳耳， 符號為符號為J；Q電源力移動的電荷量，單位是庫電源力移動的電荷量，單位是庫侖侖，符號為，符號為C；E電源電動勢，單位是伏電源電動勢，單位是伏特特，符號為，符號為V。電源電動勢的方向規(guī)定：規(guī)定： 由電源的負極（低電位點）指向正極由電源的負極（低電位點）指向正極（高電位電）。（高電位電）。 在電源內部的電路中，電源力移動正電荷在電源內部的電路中，電源力移動正電荷形成電流，電流的方向是從負極指向正極；形成電流，電流的方向是從負極指向正極； 在電源外部電路中，電場力移動正電荷形在電源外部電路中，電場力移動正電荷形成電流，電流方向是從電源正極流向電源負極。成電流，電流方向是從

18、電源正極流向電源負極。 1-6 電阻和電阻定律一、電阻一、電阻定義：定義：表示物質對帶電粒子定向運動存在阻礙表示物質對帶電粒子定向運動存在阻礙 作用的物理量。作用的物理量。 經常用的電阻單位還有千歐經常用的電阻單位還有千歐 ( (k ) 、兆歐、兆歐 ( (M ) )1 k = 103 ；1 M = 106 一、電阻 在一般條件下，任何物質都存在分子熱運動，在一般條件下，任何物質都存在分子熱運動，所以所以任何物體都有電阻任何物體都有電阻。當有電流流過時，都要消耗。當有電流流過時，都要消耗一定的能量。一定的能量。 幾種常見電阻的外形。幾種常見電阻的外形。 本質：本質：導體中的自由電子在電場力的作

19、用下定向運導體中的自由電子在電場力的作用下定向運動。作定向運動的自由電子，要與在平衡位置附近不動。作定向運動的自由電子，要與在平衡位置附近不斷振動的原子核發(fā)生碰撞，阻礙了自由電子的定向運斷振動的原子核發(fā)生碰撞，阻礙了自由電子的定向運動。這種阻礙作用使自由電子定向運動的平均速度降動。這種阻礙作用使自由電子定向運動的平均速度降低，自由電子的一部分動能轉換成分子熱能。低，自由電子的一部分動能轉換成分子熱能。 二、電阻定律 經實驗證明，在溫度不變時，一定材料制成的導體的經實驗證明，在溫度不變時，一定材料制成的導體的電阻跟它的長度成正比，跟它的截面積成反比電阻跟它的長度成正比，跟它的截面積成反比。這個實

20、驗。這個實驗規(guī)律叫做電阻定律。規(guī)律叫做電阻定律。 均勻導體的電阻可用公式表示為均勻導體的電阻可用公式表示為 SLR式中式中電阻率，其值由導體材料的性質決定，單位是歐電阻率，其值由導體材料的性質決定，單位是歐 姆姆米，符號為米，符號為m，可查表，可查表1-1（教材）；（教材）；L導體的長度，單位是米，符號為導體的長度，單位是米，符號為m；S導體的截面積，單位是平方米，符號為導體的截面積，單位是平方米，符號為；R導體的電阻，單位是歐導體的電阻，單位是歐姆姆，符號為，符號為。三、電阻與溫度的關系電阻隨溫度的變化關系可表示為電阻隨溫度的變化關系可表示為 )(1 1212ttRR式中式中R1導體在溫度導

21、體在溫度t1時的電阻；時的電阻；R2導體在溫度導體在溫度t2時的電阻；時的電阻；導體的溫度系數，單位為導體的溫度系數，單位為1/ 一般說來，隨著溫度升高，金屬導體電阻電阻增加，某一般說來，隨著溫度升高，金屬導體電阻電阻增加，某些半導體電阻減少。這都是分子熱運動強度隨溫度升高有所些半導體電阻減少。這都是分子熱運動強度隨溫度升高有所變化的緣故。變化的緣故。1-7 電路和歐姆定律一、電路一、電路 在日常生活中，我們會廣泛接觸到各種電路。手在日常生活中，我們會廣泛接觸到各種電路。手電筒就是一中非常簡單的電路。電筒就是一中非常簡單的電路。 電路：電路：由電源、負載、連接導線、控制和保護裝置四部分由電源、

22、負載、連接導線、控制和保護裝置四部分 組成。組成。 2電路的基本組成電路的基本組成 電路的基本組成包括以下四個部分：電路的基本組成包括以下四個部分：( (1) )電源電源( (供能元件供能元件) )：為電路提供電能的設備和器件為電路提供電能的設備和器件( (如電池、發(fā)電機等如電池、發(fā)電機等) )。 圖圖1-20模擬手電筒電路模擬手電筒電路 圖圖1-20模擬手電筒電路模擬手電筒電路( (2) )負載負載( (耗能元件耗能元件):):使用使用( (消耗消耗) )電能的設備和電能的設備和器件器件( (如燈泡等用電器如燈泡等用電器) )。 控制電路工作狀態(tài)的器件或設備控制電路工作狀態(tài)的器件或設備( (

23、如如開關等開關等) )。將電器設備和元器件按一定方式連接將電器設備和元器件按一定方式連接起來起來( (如各種銅、鋁電纜線等如各種銅、鋁電纜線等) )。( (4) )控制器件：控制器件：(3)(3)連接導線：連接導線：電路圖部分常用符號二、歐姆定律部分電路歐姆定律 在電阻一定時，導體中的電流跟這段導體兩端的電壓在電阻一定時，導體中的電流跟這段導體兩端的電壓成正比，在電壓不變的情況下，導體中的電流跟導體的電成正比，在電壓不變的情況下，導體中的電流跟導體的電阻成反比。把以上實驗結果綜合起來得出結論，即歐姆定阻成反比。把以上實驗結果綜合起來得出結論，即歐姆定律。律。 RUI 電阻電阻R上的電壓參考方向

24、與電流參考方向是一致時（稱上的電壓參考方向與電流參考方向是一致時（稱為關聯參考方向為關聯參考方向 ），部分電路歐姆定律可用公式表述為，部分電路歐姆定律可用公式表述為 部分電路歐姆定律注意：注意： （1）當）當U、I見為見為非關聯非關聯參考方向（參考方向（U、I參考方向相反）時，歐姆定律應寫成參考方向相反）時，歐姆定律應寫成 ，式中式中“-”號切不可漏掉；號切不可漏掉； RUI （2）電阻值不隨電壓、電流變化而變化的電）電阻值不隨電壓、電流變化而變化的電阻叫做阻叫做線性電阻線性電阻，由線性電阻組成的電路叫線性，由線性電阻組成的電路叫線性電路。阻值隨電壓、電流的變化而改變的電阻，電路。阻值隨電壓、

25、電流的變化而改變的電阻，叫叫非線性電阻非線性電阻，含有非線性電阻的電路叫非線性，含有非線性電阻的電路叫非線性電路。電路。二、歐姆定律全電路歐姆定律 全電路是一個由電源和負載組成的閉合電路，全電路是一個由電源和負載組成的閉合電路，如圖如圖1-22所示。對全電路進行分析研究時，必須考所示。對全電路進行分析研究時，必須考慮電源的內阻。如圖慮電源的內阻。如圖R為負載的電阻、為負載的電阻、E為電源電為電源電動勢、動勢、r為電源的內阻。為電源的內阻。0RREI 關聯方向下，全電路歐姆定律可用公式表述為關聯方向下，全電路歐姆定律可用公式表述為 全電路歐姆定律式中： E電源電動勢，單位是伏電源電動勢，單位是伏

26、特特，符號為，符號為V； R負載電阻，單位是歐負載電阻，單位是歐姆姆，符號為，符號為； R0電源內阻，單位是歐電源內阻，單位是歐姆姆，符號為，符號為； I閉合電路中的電流，單位是安閉合電路中的電流，單位是安培培，符號為，符號為A。 0RREI 閉合電路歐姆定律閉合電路歐姆定律說明說明：閉合電路中的電流與電源電動：閉合電路中的電流與電源電動勢成正比，與電路的總電阻（內電路電阻與外電路電阻之和）勢成正比，與電路的總電阻（內電路電阻與外電路電阻之和）成反比。成反比。1-8 電能和電功率一、電能一、電能 電能電能是指在一定的時間內電路元件或設備吸收或發(fā)出的電是指在一定的時間內電路元件或設備吸收或發(fā)出的電能量，用符號能量，用符號W表示，其國際單位制為焦耳表示，其國際單位制為焦耳(J)，電能的計算，電能的計算公式為公式為式中式中 U加在導體兩端的電壓，單位是伏加在導體兩端的電壓，單位是伏特特，符號，符號 為為V；I導體中的電流，單位是安導體中的電流，單位是安培培，符號為，符號為A；t通電時間，單位是秒，符號為通電時間，單位是秒，符號為s； W電能，單位是焦電能，單位是焦耳耳，符號為，符號為J。 UItUqW一、電能 上式表明，電流在一段電路上所做的上式表明，電流在一段電路上所做的功功，與與這段電路這段電路兩端的兩端的電壓、電路中的電流和通電時間成正比電壓、電路中的電流和通電時