電氣基礎(chǔ)知識

電氣基礎(chǔ)知識,王文峰,什么是電？,電荷,帶正負(fù)電的基本粒子，稱為電荷帶正電的粒子叫正電荷帶負(fù)電的粒子叫負(fù)電荷,同種電荷互相排斥異種電荷互相吸引。,電荷（量）：電荷的多少,單位：庫（侖），符號是C一根摩擦過的玻璃棒或橡膠棒所帶的電荷，大約只有10-7C。一片雷雨云帶電的電荷，大約有幾十庫侖。,電荷的產(chǎn)生,原子由電子和原子核構(gòu)成，核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成，電子帶負(fù)電，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。帶電的物體周圍存在電場,電場,1.電場是電荷周圍客觀存在的一種特殊物質(zhì),2.電場對放入其中的電荷有力的作用。這種力叫做電場力。,電荷A和B間是通過電場實現(xiàn)相互作用的,電場對電荷有力的作用,q,FA,q,FB,場源電荷：產(chǎn)生電場的電荷,試探電荷（或稱為檢驗電荷）,Q,庫侖定律,庫侖定律：真空中兩個靜止的點(diǎn)電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積（q1q2）成正比，與它們的距離的二次方（R2）成反比，和電荷所處的空間的介質(zhì)(用系數(shù)K表示)有關(guān)，即F作用力的方向在它們的連線上，同名電荷相斥，異名電荷相吸。,電場強(qiáng)度,a.定義：放入電場中某一點(diǎn)的電荷受到的電場力跟它的電量的比值叫該點(diǎn)的電場強(qiáng)度，簡稱場強(qiáng)，用E表示。(單位電荷在電場中受到的電場力）b.表達(dá)式：c.單位：N/C（牛頓/庫侖）=V/m（伏特/米）,（定義式，適用于任意電場）,電壓,電壓，也稱作電勢差或電位差，是指電路中兩點(diǎn)A、B之間的電位差(簡稱為電壓)電壓的國際單位制為伏特（V，簡稱伏），常用的單位還有毫伏（mV）、微伏（V）、千伏（kV）等。直流電壓：電壓的大小及方向都不隨時間變化。交流電壓：電壓的大小及方向隨時間變化。安全電壓：安全電壓指人體較長時間接觸而不致發(fā)生觸電危險的電壓,50V。我國對工頻安全電壓規(guī)定了以下五個等級，即42V，36V，24V，12V以及6V。,電壓的產(chǎn)生,電源,電源=抽水機(jī),電源,給電路提供電壓的器件叫電源，電壓是產(chǎn)生電流的不可缺少的條件。,電流,指電荷的定向移動電流的大小稱為電流強(qiáng)度（簡稱電流，符號為I），是指單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量，每秒通過1庫侖的電量稱為1安培（A）。即I=/t。電流形成的原因因為有電壓（電勢差）的存在電流產(chǎn)生的條件1、必須具有自由移動的電荷。導(dǎo)體？絕緣體？2、導(dǎo)體兩端存在電壓差。3、電路必須為通路。,電流的方向，是正電荷定向移動的方向,電阻,電阻R是帶電粒子在導(dǎo)體內(nèi)流動時與導(dǎo)體分子、原子碰撞而遇到的阻力。與導(dǎo)體材料、截面積、長度有關(guān)。R=l/s。電導(dǎo)G表示某一種導(dǎo)體傳輸電流能力強(qiáng)弱程度。單位是Siemens（西門子），簡稱西，符號S。電阻和電導(dǎo)成倒數(shù)關(guān)系：R=1/G電阻是所有有功負(fù)荷的模型。阻性負(fù)載：負(fù)載在電路中呈現(xiàn)電阻性質(zhì)，比如白熾燈、電爐絲、電加熱器等。金屬性電阻一般隨溫度升高而增大。,安培定則（右手螺旋定則）,用于判斷電流產(chǎn)生的磁場方向。（1）用右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流的方向，那么四指的環(huán)繞方向就是磁感線的方向。（2）用右手握住螺線管，讓四指彎向螺線管中的電流方向，那么大拇指所指的那端就是螺線管的北極。,磁體,電流,磁場,左手定則（又稱電動機(jī)定則）：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向。這就是判定通電導(dǎo)體在磁場中受力方向的左手定則。,左手定則,右手定則（又稱發(fā)電機(jī)定則）：伸開右手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從手心進(jìn)入，并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動方向，這時四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。這就是判定導(dǎo)線切割磁感線時感應(yīng)電流方向的右手定則。,右手定則,左手定則右手定則,記憶口訣：左通力右生電。,區(qū)分,1歐姆定律的內(nèi)容：導(dǎo)體中的電流，跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻成反比。,歐姆（1787-1854）德國物理學(xué)家,2歐姆定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：,電壓,電阻,電流,一、歐姆定律,1A,1V,=,_,4公式中使用國際單位（單位要統(tǒng)一）電壓U的單位：V電阻R的單位：電流I的單位：A,3公式的物理意義：在導(dǎo)體電阻一定時，加在導(dǎo)體兩端的電壓增大幾倍，電流就增大幾倍；在電壓一定時，導(dǎo)體的電阻增大幾倍，其電流就減小為原來的幾分之一。,公式的同一性,歐姆定律,U、R、I必須對應(yīng)的是同一段電路（同一個元件）同一狀態(tài)的電壓、電阻、電流。例如：,R,U,I,R燈,U燈,I燈,4注意歐姆定律反映同一時刻、同一段電路（同一導(dǎo)體）中I、U、R之間的關(guān)系。,歐姆定律適用所有的純電阻電路,歐姆定律,公式的擴(kuò)展性,U=IR,主要用于已知電壓和電流求電阻.,_,主要用于已知電流和電阻求電壓.,拓展：能否說電壓與電流成正比呢？,拓展：能否說電阻與電壓成正比，與電流成反比呢？,2、公式中的電流、電壓、電阻，都是相對于同一段導(dǎo)體或同一段電路而言，且是同一時刻。,3、定律中所說的電流跟電壓成正比，是在電阻一定的情況下而言的。電流跟導(dǎo)體的電阻成反比是對電壓一定的情況下而言的，即兩個關(guān)系分別有不同的前提條件。,1、使用歐姆定律時各個物理量的單位必須統(tǒng)一，電流的單位是安培，電壓的單位是伏特，電阻的單位是歐姆。,4、電阻是導(dǎo)體的一種性質(zhì)，與電壓的有無和電壓的大小及電流的大小，有無都無關(guān)，在數(shù)值上等于電壓除以電流，所以，我們不能認(rèn)為電阻R跟電壓U成正比，跟電流I成反比.,簡單的說就是同一性、兩條件、一性質(zhì),某實驗中測得一個未知電阻的電壓為4.8V，流過的電流是320mA，求該電阻的阻值。注意：（1）歐姆定律公式當(dāng)中的三個物理量，只有知道其中的兩個，才能夠求出第三個。（2）公式當(dāng)中的三個物理量，必須是針對同一個導(dǎo)體在同一時刻的。（3）若是求U和R，公式應(yīng)該變形為UIR，RU/I,解：R=U/I=4.8V/0.32A=15,測量電阻的方法：從公式RU/I我們可以發(fā)現(xiàn)，要想求導(dǎo)體的電阻，只需要使用電壓表和電流表分別測量出該導(dǎo)體的電壓和電流，就可以求出該導(dǎo)體的阻值了。這種測量電阻的方法叫做“伏安法”。對公式RU/I理解：只是一個計算式，表示導(dǎo)體的電阻在數(shù)值上等于導(dǎo)體兩端的電壓與流過導(dǎo)體的電流的比值，不能單純理解成正比或反比（沒有物理意義?。?。,有一種指示燈，電阻為6.3，通過的電流為0.45A時才能正常發(fā)光，應(yīng)加多大的電壓？對于式子UIR的理解：只是數(shù)值關(guān)系而已，電壓并非與電流、電阻成正比。其實電壓是產(chǎn)生電流的原因，導(dǎo)體兩端在不加電壓時，電流為零，但是導(dǎo)體的電阻卻不為零的。,解：U=IR=0.45A6.3=2.835V,電阻的串聯(lián)與并聯(lián),串聯(lián)：R=R1+R2,并聯(lián)：,R1,R2,R1,R2,R=,R1R2,R1+R2,兩個電阻并聯(lián)：,串聯(lián)電路和并聯(lián)電路特點(diǎn),1、串聯(lián)電路有分壓作用,2、并聯(lián)電路有分流作用,R1,串聯(lián)電路電流處處相等（I=I1=I2=.=In),串聯(lián)電路的總電壓等于各部分電路兩端的電壓之和（U=U1+U2+.+Un),分壓作用,串聯(lián)電路總電阻等于各導(dǎo)體電阻之和（R=R1+R2+.+Rn),并聯(lián)電路干路電流等于各支路電流之和（I=I1+I2+.+In),并聯(lián)電路總電壓與各支路電壓相等（U=U1=U2=.=Un),并聯(lián)電路總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻倒數(shù)之和（1/R=1/R1+1/R2+.+1/Rn),分流作用,A,B,3、R1=3、R2=6這兩個電阻串聯(lián)在一個電路中，已知電路兩端的電壓是27V。求：R1、R2兩端的電壓分別是多少？,解：,R1=3，R2=6，U27V,因為R1和R2串聯(lián)的，又由公式I=U/R得,設(shè)電路中的電流為I，有U1IR1U2IR2UU1+U2IR1+IR2解得I=U/(R1+R2)=27V/(3+6)=3A,所以，R1兩端電壓U1=IR1=3A3=9VR2兩端電壓U2=IR2=3A6=18V,焦耳定律規(guī)定：電流通過導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量和導(dǎo)體的電阻成正比，和通過導(dǎo)體的電流的平方成正比，和通電時間成正比。該定律是英國科學(xué)家焦耳于1841年發(fā)現(xiàn)的。焦耳定律是一個實驗定律，它可以對任何導(dǎo)體來適用，范圍很廣，所有的電路都能使用。遇到電流熱效應(yīng)的問題時，例如要計算電流通過某一電路時放出熱量；比較某段電路或?qū)w放出熱量的多少，即從電流熱效應(yīng)角度考慮對電路的要求時，都可以使用焦耳定律。公式如下Q=I2Rt其中Q指熱量，單位是焦耳（J），I指電流，單位是安培（A），R指電阻，單位是歐姆（），t指時間，單位是秒（s），以上單位全部用的是國際單位制中的單位。,焦耳定律,基爾霍夫電流定律(第一定律),1定律,即:入=出,在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。,對節(jié)點(diǎn)a：,I1+I2=I3,1、電路如圖所示，求I1、I2的大小。,試一試,基爾霍夫電流定律的應(yīng)用,1、內(nèi)容：在任一時刻，對任一閉合回路，沿回路繞行方向上各段電壓代數(shù)和等于零。,2、公式：,電工基礎(chǔ)教程,基爾霍夫第二定律回路電壓定律,電源電動勢之和=電路電壓降之和,攀登總高度=下降總高度,方法：1、先設(shè)下回路的繞行方向?？身槙r針，也可逆。2、確定各段電壓的參考方向。電阻上電壓的參考方向與所取電流的一致，電源部分的電壓方向由電源的正極指向負(fù)極。3、凡是參考方向與繞行方向一致的電壓取正，反之取負(fù)。4、電阻上電壓的大小等于該電阻阻值與流經(jīng)該電阻的電流的乘積；電源部分的電壓等于該電源的電動勢。5、沿回路繞行一周，列出方程。,下圖電路中，E1=E2=17V，R1=2，R2=1，R3=5，求各支路電流。,例題,1.標(biāo)出各支路電流參考方向和獨(dú)立回路的繞行方向，應(yīng)用基爾霍夫第一定律列出節(jié)點(diǎn)電流方程.,2.應(yīng)用基爾霍夫第二定律列出回路電壓方程對于回路1有對于回路2有,解,整理得聯(lián)立方程,3、解聯(lián)立方程得,電流方向和假設(shè)方向相同,1列方程前標(biāo)注回路繞行方向；,U=0I2R2U2+UBE=0,2應(yīng)用U=0列方程時，等號右邊寫0對于電源：從正極到負(fù)極取+號，反之取-號。對于電阻：電流方向與繞行方向相同取+號，反之取-號,3.開口電壓可按回路處理,注意：,對回路1：,交流電,正弦交流電正弦交流電路：是指電壓和電流均按正弦規(guī)律變化的電路。以交流電的形式產(chǎn)生電能或供給電能的設(shè)備稱為交流電源。由交流電源、用電設(shè)備和連接導(dǎo)線組成的電流流通路徑稱為交流電路。,：幅值（最大值）：角頻率（弧度/秒）：初相角,特征量:（三要素）,交流電,周期和頻率1.周期T：變化一周所需的時間單位：秒，毫秒.2.頻率(f)f：每秒變化的次數(shù)單位：赫茲（Hz），千赫茲.3.角頻率()：每秒變化的弧度單位：弧度/秒,交流電,瞬時值和幅值：正弦量在任一瞬時的值稱為瞬時值，用小寫字母表示，瞬時值中最大的稱為幅值，用帶下標(biāo)的字母來表示。有效值：在兩個相同的電阻器件中，分別通過直流電和交流電，如果經(jīng)過同一時間，它們發(fā)出的熱量相等，那么就把此直流電的大小作為此交流電的有效值。我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中所說的電流（電壓）以及表計上所顯示的電流（電壓）均為有效值。,熱效應(yīng)相當(dāng),電感,電感電感元件是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為磁場能貯存起來的元件。只有電感上的電流變化時，電感兩端才有電壓。在直流電路中，電感上即使有電流通過，但，相當(dāng)于短路。在交流電路中的阻值：電感儲存的能量：感性負(fù)載：負(fù)載在電路中呈現(xiàn)感性性質(zhì)。比如日光燈、電動機(jī)、變壓器等。,電容,電容電容元件是一種能夠貯存電場能量的元件。只有電容上的電壓變化時，電容兩端才有電流。在直流電路中，電容上即使有電壓，但，相當(dāng)于開路，即電容具有隔直作用。在交流回路中的阻值:存儲能量：容性負(fù)載：負(fù)載在電路中呈現(xiàn)容性性質(zhì)，比如電容器、電纜等。,功率,有功功率P有功功率又叫平均功率。交流電的瞬時功率不是一個恒定值，功率在一個周期內(nèi)的平均值叫做有功功率，它是指在電路中電阻部分所消耗的功率，對電動機(jī)來說是指它的出力，以字母P表示，單位為千瓦（W）。P=UIcos.無功功率Q在具有電感（或電容）的電路里，電感（或電容）在半周期的時間里把電源的能量變成磁場（或電場）的能量貯存起來，在另外半周期的時間里又把貯存的磁場（或電場）能量送還給電源。它們只是與電源進(jìn)行能量交換，并沒有真正消耗能量。我們把與電源交換能量的振幅值叫做無功功率，以字母Q表示，單位干乏（kvar）。Q=UIsin.視在功率S視在功率：在具有電阻和電抗的電路內(nèi)，電壓與電流的乘積叫視在功率，以字母S或符號表示，單位為千伏安（kVA）。S=UI功率因數(shù)cos在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cos=P/S.,電阻、電感、電容元件交流電路,電阻元件交流電路根據(jù)歐姆定律：u=iR,電阻、電感、電容元件交流電路,電感電路電感L：單位電流產(chǎn)生的磁鏈。單位：H,mH,H。電感電路中電壓、電流基本關(guān)系,電阻、電感、電容元件交流電路,電感電路中的功率瞬時功率平均功率結(jié)論：純電感不消耗能量，只和電源進(jìn)行能量交換（能量的吞吐）。,無功功率Q,Q的定義：電感瞬時功率所能達(dá)到的最大值。用以衡量電感電路與電源進(jìn)行能量交換的規(guī)模。,Q的單位：乏、千乏(var、kvar),儲存能量,釋放能量,可逆的能量轉(zhuǎn)換過程,（2）當(dāng)f=5000Hz時,所以電感元件具有通低頻阻高頻的特性,電容電路,電容C：單位電壓下存儲的電荷,（單位：F,F,pF）,電容符號,有極性,無極性,電解電容,電容和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,電容上電流、電壓的基本關(guān)系,電容電路中的功率,1.瞬時功率p,i,u,平均功率P,瞬時功率達(dá)到的最大值（吞吐規(guī)模）,3.無功功率Q,（電容性無功取負(fù)值）,已知：C1F,求：I、i,例,求電容電路中的電流,瞬時值,i領(lǐng)先于u90,電流有效值,1.單一參數(shù)電路中電壓電流的基本關(guān)系式,小結(jié),混合電路及功率因數(shù),混合電路中電壓與電流的關(guān)系U=UR+UL+UC若則,復(fù)數(shù)阻抗Z的討論,結(jié)論：的模為電路總電壓和總電流有效值之比，而的幅角則為總電壓和總電流的相位差。,Z和總電流、總電壓的關(guān)系,2.Z和電路性質(zhì)的關(guān)系,當(dāng)XLXC時，0表示u領(lǐng)先于i電路呈感性當(dāng)XLXC時，0表示u落后于i電路呈容性當(dāng)XL=XC時，=0表示u、i同相電路呈阻性,阻抗（Z）三角形,阻抗三角形和電壓三角形的關(guān)系,總電壓,總電流,u與i的夾角,平均功率P與總電壓U、總電流I間的關(guān)系：,其中：,在R、L、C串聯(lián)的電路中，儲能元件L、C雖然不消耗能量，但存在能量吞吐，吞吐的規(guī)模用無功功率來表示。其大小為：,無功功率Q：,4.視在功率S：,單位：伏安、千伏安,注：SUI可用來衡量發(fā)電機(jī)可能提供的最大功率（額定電壓額定電流）,視在功率,5.功率三角形,無功功率,有功功率,功率因數(shù)的提高：,總電壓,總電流,u與i的夾角,功率因數(shù),功率因數(shù)提高的意義：（1）充分利用電源容量,（2）降低線路上的能量損失、電壓降,功率因數(shù)和電路參數(shù)的關(guān)系,純電阻電路,R-L-C串聯(lián)電路,純電感電路或純電容電路,電動機(jī)空載滿載,日光燈（R-L-C串聯(lián)電路）,常用電路的功率因數(shù),提高功率因數(shù)的措施:,并電容,三相電壓,三相電路在生產(chǎn)上應(yīng)用最為廣泛。發(fā)電、輸配電和主要電力負(fù)載，一般都采用三相制。,三相交流發(fā)電機(jī)是產(chǎn)生正弦交流電的主要設(shè)備。,三相交流發(fā)電機(jī)由三個對稱的繞組組成，在空間上彼此相差120，它們的始端記為A、B、C，末端記為X、Y、Z。,三相對稱電動勢的表達(dá)式,三相對稱電動勢的相量表示法,與前面瞬時值表示法和波形曲線表示法對應(yīng)三相對稱正弦交流電也可用相量表示法表示：,根據(jù)以上三種表示法都可以求得，對稱三相交流電的任意瞬時值之和恒為0。,發(fā)電機(jī)三相繞組的聯(lián)接,發(fā)電機(jī)三相繞組通常將三個末端接在一起，該點(diǎn)成為中性點(diǎn)或零點(diǎn)(N)。即星形(Y)接法。,三個始端A、B、C引出三根端線，如果中性點(diǎn)再引出一根線，我們就稱之為,三相四線制。相電壓：每相繞組兩端的電壓，即端線與中性線之間的電壓。其有效值為UA、UB、UC，一般用