2018年新版初級中級電工基礎知識合集大全

/目錄第一章直流電路 5§1—1電學的基本物理量 5一、電量 5二、電流 5三、電壓 6四、電動勢、電源 7五、電阻 7六、電功、電功率 8七、電流的熱效應 10§1—2電路 11一、電路的組成和作用 11二、電路圖 11三、電路的三種狀態(tài) 12§1—3歐姆定律 12一、一段電阻電路的歐姆定律 12二、全電路歐姆定律 13§1—4電阻的串聯、并聯電路 14一、電阻的串聯電路 14二、電阻的并聯電路 16§1—5電工測量基本知識 17一、萬用表的外形及基本組成 18二、萬用表的使用步驟 20三、萬用表的使用注意事項 20習題 20第二章電磁的基本知識 22§2—1磁的基本知識 22一、磁現象 22二、磁場、磁感應線 22三、磁通、磁感應強度 23四、磁導率 24§2—2電流的磁場 25一、通電直導線的磁場 25二、通電螺線管的磁場 25三、磁場對載流直導線的作用 26四、磁場對通電線圈的作用 27§2—3電磁感應 27一、電磁感應現象 27二、法拉第定律 29三、楞次定律 29四、電磁感應定律 31§2—4自感、互感 31一、自感 31二、互感 32習題 33第三章正弦交流電路 34§3—1正弦交流電的產生 35一、正弦交流電的特點種 35二、正弦交流電的產生 35§3—2正弦交流電的三要素 37一、周期、頻率、角頻率 37二、瞬時值、最大值、有效值 38三、相位、初相和相位差 39§3—3正弦交流電的表示法 40一、三角函數式法 41一、純電阻電路 42二、純電感電路 42三、純電容電路 44§3—5三相交流電路 46一、三相電動勢的產生 46二、三相電源繞組的聯結 47三、三相交流電路負載的聯結 48§3—6常用電氣照明電路 50一、白熾燈照明電路 50二、節(jié)能燈照明電路 51三、日光燈照明電路 51習題 52第四章變壓器及三相異步電動機 54§4—1變壓器的基本結構和工作原理 54一、變壓器的基本結構 55二、變壓器的工作原理 56三、幾種常見變壓器 58四、變壓器的主要技術數據 59五、變壓器的使用要點 60§4—2三相異步電動機的用途和結構 60一、電動機概述 60二、三相籠式異步電動機的基本結構 61§4—3三相異步電動機的轉動原理 62一、演示實驗 62二、定子旋轉磁場的產生 62三、旋轉磁場對轉子的作用 64§4—3三相異步電動機的使用 65一、啟動 65二、反轉 66三、制動 66四、三相籠式異步電動機的銘牌數據 67五、三相異步電動機使用要點 68§4—5單相異步電動機 69第五章簡單機床電路 71§5—1常用低壓電器 72一、開關 72二、接觸器 75三、熱繼電器 76四、熔斷器 76§5—2機床的幾種控制線路 78一、點動控制線路 78二、看懂機床控制線路的基本要領 78三、接觸器自鎖控制線路 79四、接觸器聯鎖的正反轉控制線路 81五、C620—1型車床控制線路 83習題 84第六章安全用電 85§6—1觸電 85一、觸電事故 85二、觸電原因及方式 86§6—2安全用電措施 87一、常用安全用電措施 87二、電氣設備的保護接地和保護接零 88三、安全用電十不準 89§6—3電氣事故及緊急處理 90一、觸電急救 90二、對電氣設備做好監(jiān)護 90三、電火警的緊急處理 91四、防雷擊的安全措施 91習題 92第一章直流電路本章學習要點：1．熟悉電流、電壓、電阻、電功率、電功等常用的物理量；2．了解常用電氣元件的電路符號，能夠看懂電路圖的連接關系；3．熟練掌握歐姆定律的兩種形式，明確U，J，R，E，r之間的關系；4．準確辨識簡單電路電阻的串、并聯關系，掌握兩種連接形式中每個元件上電壓、電流及總電壓、總電流的關系?，F實生活中，我們經常聽到或說起很多有關電方面的名詞、術語，也經常有很多用電方面的困惑。這些名詞、術語究竟是怎樣定義的?它們之間有什么關系?是什么因素導致電壓的高低、電流的大小?為什么會發(fā)生由用電引發(fā)的火災?為什么家里幾個月沒人住，還會產生電費?很多經常聽到的，看似簡單，又不容易說清的問題，通過本章的學習都會有明確的答案?！?—1電學的基本物理量一、電量自然界中的一切物質都是由分子組成的，分子又是由原子組成的，而原子是由帶正電荷的原子核和一定數量帶負電荷的電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數，原子對外不顯電性。但是，用一些辦法，可使某種物體上的電子轉移到另外一種物體上。失去電子的物體帶正電荷，得到電子的物體帶負電荷。物體失去或得到的電子數量越多，則物體所帶的正、負電荷的數量也越多。物體所帶電荷數量的多少用電量來表示。電量是一個物理量，它的單位是庫侖，用字母C表示。1C的電量相當于物體失去或得到6.25×1018個電子所帶的電量。二、電流電荷的定向移動形成電流。電流有大小，有方向。1．電流的方向1、人們規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向。金屬導體中，電流是電子在導體內電場的作用下定向移動的結果，電子流的方向是負電荷的移動方向，及正電荷的移動方向相反，所以金屬導體中電流的方向及電子流的方向相反，如圖1—1所示。2．電流的大小電學中用電流強度來衡量電流的大小。電流強度就是l秒鐘通過導體截面的電量。電流強度用字母表示，計算公式如下：式中——電流強度，單位安培(A)；——在t秒時間內，通過導體截面的電量數，單位庫侖(C)；——時間，單位秒(s)。實際使用時，人們把電流強度簡稱為電流。電流的單位是安培，簡稱安，用字母A表示。如果1秒內通過導體截面的電量為1庫侖，則該電流的電流強度為1安培，習慣簡稱電流為1安。實際應用中，除單位安培外，還有千安()、毫安()和微安()。它們之間的關系為：三、電壓為了弄清楚電荷在導體中定向移動而形成電流的原因，我們對照圖1—2a水流的形成來理解這個問題。從圖1—2a可以看到外水由一A槽經C管向8槽流去。水之所以能在C管中進行定向移動，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：A，B兩槽之間的水位差即水壓，是實現水形成水流的原因。及此相似，當圖1—2b中的開關S閉合后，電路里就有電流。這是因為電源的正極電位高，負極電位低。兩個極間電位差(電壓)使正電荷從正極出發(fā)，經過負載R移向負極形成電流。所以，電壓是自由電荷發(fā)生定向移動形成電流的原因。在電路中電場力把單位正電荷由高電位a點移向低電位b點所做的功稱為兩點間的電壓，用表示。所以電壓是a及b兩點間的電位差，它是衡量電場力做功本領大小的物理量。電壓用字母U表示，單位為伏特，電場力將1庫侖電荷從a點移到b點所做的功為1焦耳，則ab間的電壓值就是1伏特，簡稱伏，用字母V表示。常用的電壓單位還有千伏(kV)，毫伏(mV)等。它們之間的關系為：1kV=VlV=mV電壓及電流相似，不但有大小，而且有方向。對于負載來說，電流流人端為正端，電流流出端為負端。電壓的方向是由正端指向負端，也就是說負載中電壓實際方向及電流方向一致。在電路圖中，用帶箭頭的細實線表示電壓的方向。四、電動勢、電源在圖1—2a中，為使水在C管中持續(xù)不斷地流動，必須用水泵把B槽中的水不斷地泵入A槽，以維持兩槽間的固定水位差，也就是要保證C管兩端有一定的水壓。在圖1—2b中，電源及水泵的作用相似，它把正電荷由電源的負極移到正極，以維持正、負極間的電位差，即電路中有一定的電壓使正電荷在電路中持續(xù)不斷地流動。電源是利用非電力把正電荷由負極移到正極的，它在電路中將其他形式能轉換成電能。電動勢就是衡量電源能量轉換本領的物理量，用字母E表示，它的單位也是伏特，簡稱伏，用字母V表示。電源的電動勢只存在于電源內部。人們規(guī)定電動勢的方向在電源內部由負極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細實線表示電動勢的方向，如圖1—2b所示。當電源兩端不接負載時，電源的開路電壓等于電源的電動勢，但二者方向相反。生活中用測量電源端電壓的辦法，來判斷電源的狀態(tài)。比如測得工作電路中兩節(jié)5號電池的端電壓為2.8V，則說明電池電量比較充足。五、電阻一般來說，導體對電流的阻礙作用稱為電阻，用字母R表示。電阻的單位為歐姆，簡稱歐，用字母表示。如果導體兩端的電壓為1伏，通過的電流為1安，則該導體的電阻就是1歐。常用的電阻單位還有千歐(k)、兆歐(M)。它們之間的關系為：1k=1M=k應當強調指出：電阻是導體中客觀存在的，它及導體兩端電壓變化情況無關，即使沒有電壓，導體中仍然有電阻存在。實驗證明，當溫度一定時，導體電阻只及材料及導體的幾何尺寸有關。對于二根材質均勻、長度為L、截面積為S的導體而言，其電阻大小可用下式表示：式中——導體電阻，單位為歐()；——導體長度，單位為米(m)；——導體截面積，單位為平方毫米()；——電阻率，單位為歐·米(·m)。式中電阻率是及材料性質有關的物理量。電阻率的大小等于長度為1m，截面積為1的導體在一定溫度下的電阻值，其單位為歐米(：m)。例如，銅的電阻率為1.7×·m，就是指長為1m，截面積為1mmz的銅線的電阻是1.7×。幾種常用材料在20時的電阻率見表1—1。從表中可知，銅和鋁的電阻率較小，是應用極為廣泛的導電材料。以前，由于我國鋁的礦藏量豐富，價格低廉，常用鋁線作輸電線。由于銅線有更好的電氣特性，如強度高、電阻率小，現在銅制線材被更廣泛應用。電動機、變壓器的繞組一般都用銅材。表1—1幾種常用材料在20℃材料名稱電阻率(·m)銀1.6×銅1.7×鋁2.9×鎢5.3×鐵1.0×康銅5.0×錳銅4.4×鋁鉻鐵電阻絲1.2×六、電功、電功率電流通過用電器時，用電器就將電能轉換成其他形式的能，如熱能、光能和機械能等。我們把電能轉換成其他形式的能叫做電流做功，簡稱電功，用字母W表示。電流通過用電器所做的功及用電器的端電壓、流過的電流、所用的時間和電阻有以下的關系：如果公式(1—3)中，電壓單位為伏，電流單位為安，電阻單位為歐，時間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡稱焦，用字母J表示。電流在單位時間內通過用電器所做的功稱為電功率，用字母P表示。其數學表達式為：將公式(1—3)代入公式1—4后得到：若在公式(1—4)中，電功單位為焦耳，時間單位為秒，則電功率的單位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，簡稱瓦，用字母W表示。在實際工作中，常用的電功率單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它們之間的關系為：1kW=W1W=mW從公式1—5中可以得出如下結論：1．當用電器的電阻一定時，電功率及電流平方或電壓平方成正比。若通過用電器的電流是原來電流的2倍，則電功率就是原功率的4倍；若加在用電器兩端電壓是原電壓的2倍,則電功率就是原功率的4倍。2．當流過用電器的電流一定時，電功率及電阻值成正比。對于串聯電阻電路，流經各個電阻的電流是相同的，則串聯電阻的總功率及各個電阻的電阻值的和成正比。3．當加在用電器兩端的電壓一定時，電功率及電阻值成反比。對于并聯電阻電路，各個電阻兩端電壓相等，則各個電阻的電功率及各電阻的阻值成反比。在實際工作中，電功的單位常用千瓦小時(kW·h)，也叫“度”。1千瓦小時是1度，它表示功率為1千瓦的用電器1小時所消耗的電能，即：1kW·h=1kW×1h=3.6×J例題1一臺42英寸(1英寸=2.54厘米)等離子電視機的功率約為300W，平均每天開機3小時，若每度電費為人民幣0.48元，問一年(以解：電視機的功率P=300W=0.3kW電視機一年開機的時間t=3×365=1095h電視機一年消耗的電能W=Pt=0.3×1095=328.5kW·h一年的電費為328.5×0.48=157.68元想一想：現在的電氣在不工作時經常是通電的，(待機狀態(tài))，此時的功耗很低，一般不超過10W(計算時可以估算為5W)，假定家中有空調、電視機、DVD播放器、家庭影院功放、計算機主機、計算機顯示器，如果這些電氣長期處在待機狀態(tài)，它們一年要消耗多少電費?有沒有其他問題?七、電流的熱效應電流通過導體使導體發(fā)熱的現象叫做電流的熱效應。電流的熱效應是電流通過導體時電能轉換成熱能的效應。電流通過導體產生的熱量，用焦耳一楞次定律表示如下：式中——熱量，單位焦耳(J)；——通過導體的電流，單位安培(A)；——導體電阻，一單位歐姆()；——導體通過電流的時間，單位秒(S)焦耳一楞次定律的物理意義是：電流通過導體所產生的熱量，及電流強度的平方、導體的電阻及通電時間成正比。在生產和生活中，應用電流熱效應制作各種電氣。如白熾燈、電烙鐵、電烤箱、熔斷器等在工廠中最為常見；電吹風、電褥子等常用于家庭中。但是電流的熱效應也有其不利的一面，如電流的熱效應能使電路中不需要發(fā)熱的地方(如導線)發(fā)熱，導致絕緣材料老化，甚至燒毀設備，導致火災，是一種不容忽視的潛在禍因。例題2已知當一臺電烤箱的電阻絲流過5A電流時，每分鐘可放出1.2×J的熱量，求這臺電烤箱的電功率及電阻絲工作時的電阻值。解：根據公式(1—4)，電烤箱的電功率為：電阻絲工作時電阻值為：§1—2電路一、電路的組成和作用電流所流過的路徑稱為電路。它是由電源、負載、開關和連接導線等4個基本部分組成的，如圖1—3所示。電源是把非電能轉換成電能并向外提供電能的裝置。常見的電源有干電池、蓄電池和發(fā)電機等。負載是電路中用電器的總稱，它將電能轉換成其他形式的能。如電燈把電能轉換成光能；電烙鐵把電能轉換成熱能；電動機把電能轉換成機械能。開關屬于控制電器，用于控制電路的接通或斷開。連接導線將電源和負載連接起來，擔負著電能的傳輸和分配的任務。電路電流方向是由電源正極經負載流到電源負極，在電源內部，電流由負極流向正極，形成一個閉合通路。二、電路圖在設計、安裝或維修各種實際電路時，經常要畫出表示電路連接情況的圖。如果是畫如圖1—3所示的實物連接圖，雖然直觀，但很麻煩。所以很少畫實物圖，而是畫電路圖。所謂電路圖就是用國家統(tǒng)一規(guī)定的符號，來表示電路連接情況的圖。表1—2是幾種常用的電工符號。圖1—4是圖1—3的電路圖。表1—2幾種常用的電工符號名稱符號名稱符號電池電流表導線電壓表開關熔斷器電阻電容照明燈接地三、電路的三種狀態(tài)電路有三種狀態(tài)：即通路、開路、短路。通路是指電路處處接通。通路也稱為閉合電路，簡稱閉路。只有在通路的情況下，電路才有正常的工作電流開路是電路中某處斷開，沒有形成通路的電路。開路也稱為斷路，此時電路中沒有電流；短路是指電源或負載兩端被導線連接在一起，分別稱為電源短路或負載短路。電源短路時電源提供的電流要比通路時提供的電流大很多倍，通常是有害的，也是非常危險的，所以一般不允許電源短路?！?—3歐姆定律一、一段電阻電路的歐姆定律所謂一段電阻電路是指不包括電源在內的外電路，如圖1—5所示。實驗證明，二段電阻電路歐姆定律的內容是，流過導體的電流強度及這段導體兩端的電壓成正比；及這殷導體的電阻成反比。其數學表達式為：式中——導體中的電流，(A)；——導體兩端的電壓，(V)；——導體的電阻，()。在公式（1—7)中，已知其中兩個量，就可以求出第三個未知量；公式(1—7)又可寫成另外兩種形式：1.已知電流、電阻，求電壓：2.已知電壓、電流，求電阻：例題3一臺直流電動機勵磁繞組在220V電壓作用下，通過繞組的電流為0.427解：已知電壓U=220V，電流I=0.427A，由公式(1—二、全電路歐姆定律全電路是指含有電源的閉合電路。全電路是由各段電路連接成的閉合電路。如圖1—6所示，電路包括電源內部電路和電源外部電路，電源內部電路簡稱內電路，電源外部電路簡稱外電路。在全電路中，電源電動勢、電源內電阻、外電路電阻和電路電流之商的關系為：式中——電路中的電流，(A)；——電源電動勢，(V)；——外電路電阻，()；——內電路電阻，()。公式(1—10)是全電路歐姆定律。定律說明電路中的電流強度及電源電動勢()成正比，及整個電路的電阻（）成反比。將公式(1—10)變換后得到：式中——外電路電壓；——內電路電壓。外電路電壓是指電路接通時電源兩端的電壓，又叫做路端電壓，簡稱端電壓。這樣，公式(1—11)的含義又可敘述為：電源電動勢在數值上等于閉合回路的各部分電壓之和。根據全電路歐姆定律研究全電路處于三種狀態(tài)時，全電路中電壓及電流的關系是：1．當全電路處于通路狀態(tài)時，由公式(1—11)可以得出端電壓為：由公式可知，隨著電流的增大，外電路電壓也隨之減小。電源內阻越大，外電路電壓減小得越多。在直流負載時需要恒定電壓供電，所以總是希望電源內阻越小越好。2.當全電路處于斷路狀態(tài)時，相當于外電路電阻值趨于無窮大，此時電路電流為零，開路內電路電阻電壓為零，外電路電壓等于電源電動勢。3．當全電路處于短路狀態(tài)時，外電路電阻值趨近于零，此時電路電流叫短路電流。由于電源內阻很小，所以短路電流很大。短路時外電路電壓為零，內電路電阻電壓等于電源電動勢。全電路處于三種狀態(tài)時，電路中電壓及電流的關系見表1—3。表1—3電路中電壓及電流的關系電路狀態(tài)負載電阻電路電流外電路電壓通路=常數開路短路0通常電源電動勢和內阻在短時間內基本不變，且電源內阻又非常小，所以可近似認為電源的端電壓等于電源電動勢。今后不特別指出電源內阻時，就表示其阻值很小忽略不計。但對于電池來說，其內阻隨電池使用時間延長而增大。如果電池內阻增大到一定值時，電池的電動勢就不能使負載正常工作了。如舊電池開路時兩端的電壓并不低，但裝在收音機里，卻不能使收音機發(fā)聲，這是由于電池內阻增大所致。例題4如圖1一6所示的電路。電源電動勢=24V，電源內阻=-4，負載電阻=20。求電路中的電流，電源的端電壓，負載電壓和電源內阻電壓。解：根據公式(1—10)，電路中的電流：由公式(1一11)，電路中電源的端電壓：根據公式(1—8)，電路中的負載電壓：根據公式(1一8)，電路中電源內阻的電壓：§1—4電阻的串聯、并聯電路一、電阻的串聯電路在一段電路上，將幾個電阻的首尾依次相連所構成的一個沒有分支的電路，叫做電阻的串聯電路。如圖1—7a所示是電阻的串聯電路。圖1—7b是圖1—7a的等效電路。電阻的串聯電路有以下特點：1．串聯電路中流過各個電阻的電流都相等，即：…2．串聯電路兩端的總電壓等于各個電阻兩端的電壓之和，即：…3．串聯電路的總電阻(即等效電阻)等于各串聯的電阻之和，即：…根據歐姆定律得出，，，…，可以得出：…或者此公式表明，在串聯電路中，龜阻的阻值越大，這個電阻所分配到的電壓越大；反之，電壓越小，即電阻上的電壓分配及電阻的阻值成正比。這個理論是電阻串聯電路中最重要的結論，用途極其廣泛。比如，用串聯電阻的辦法來擴大電壓表的量程：在如圖1—7a所示的，電路中，將代人公式(1—14）式中這兩個公式可以直接計算出每個電阻從總電壓中分得的電壓值，習慣上就把這兩個式子叫做分壓公式。電阻串聯的應用極為廣泛。例如：(1)用幾個電阻串聯來獲得阻值較大的電阻。(2)用串聯電阻組成分壓器，使用同一電源獲得幾種不同的電壓。如圖1—8所示，由R１～R4組成串聯電路，使用同一電源，輸出4種不同數值的電壓。(3)當負載的額定電壓(標準工作電壓值)低于電源電壓時，采用電阻及負載串聯的方法，使電源的部分電壓分配到串聯電阻上，以滿足負載正確的使用電壓值。例如，一個指示燈額定電壓6V，電阻6，若將它接在12V電源上，必須串聯一個阻值為6的電阻，指示燈才能正常工作。(4)用電阻串聯的方法來限制調節(jié)電路中的電流。在電工測量中普遍用串聯電阻法來擴大電壓表的量程。二、電阻的并聯電路將兩個或兩個以上的電阻兩端分別接在電路中相同的兩個節(jié)點之間，這種連接方式叫做電阻的并聯電路。如圖１—9a所示是電阻的并聯電路，圖1—9b是圖１—9a的等效電路。電阻的并聯電路有如下特點：1．并聯電路中各個支路兩端的電壓相等，即：…2．并聯電路中總的電流等于各支路中的電流之和，即：…3．并聯電路的總電阻(即等效電阻)的倒數等于各并聯電阻的倒數之和，即：…若是兩個電阻并聯，根據公式1—18可求并聯后的總電阻為：根據公式(1—l6)及歐姆定律可以得出：公式(1—20)表明，在并聯電路中，電阻的阻值越大，這個電阻所分配到的電流越小，反之越大，即電阻上的電流分配及電阻的阻值成反比。這個結論是電阻并聯電路特點的重要推論，用途極為廣泛，比如，用并聯電阻的辦法，擴大電流表的量程。電阻并聯的應用，同電阻串聯的應用一樣，也很廣泛。例如：(1)因為電阻并聯的總電阻小于并聯電路中的任意一個電阻，因此，可以用電阻并聯的方法來獲得阻值較小的電阻。(2)由于并聯電阻各個支路兩端電壓相等，因此，工作電壓相同的負載，如電動機、電燈等都是并聯使用，任何一個負載的工作狀態(tài)既不受其他負載的影響，也不影響其他負載。在并聯電路中，負載個數增加，電路的總電阻減小，電流增大，負載從電源取用的電能多，負載變重；負載數目減少，電路的總電阻增大，電流減小，負載從電源取用的龜能少，負載變輕。因此，人們可以根據工作需要啟動或停止并聯使用的負載。(3)在電工測量中應用電阻并聯方法組成分流器來擴大電流表的量程?！?—5電工測量基本知識自然界中的物理量，都可以使用特定的工具來進行測量。測量各種電量的儀器儀表，統(tǒng)稱為電工測量儀表。電工測量儀表種類繁多，最常見的是測量基本電量的儀表。電工儀表依據測量方法、儀表結構、儀表用途來分，有很多種。概括來說，電工儀表用來測量電路中的電流、電壓、電功率、電功、功率因數、電量的頻率{電阻、絕緣狀況等物理量。由此就有用各種被測物理量冠名的儀表，如電流表、電壓表等。其中一些電量要在后續(xù)課程中介紹。本書簡單介紹電工應用中最常用的儀表——萬用表。萬用表是一種便攜式儀表。由于其能夠測量交流、直流電壓或電流參數：以及電路中的電阻等；被稱為萬用表。根據萬用表內部結構、工作原理的不同，可以把萬用表分為：機械指針式萬用表(簡稱機械表)籠和電子數顯式萬用表(簡稱電子表)兩類。本節(jié)重點介紹機械表。一、萬用表的外形及基本組成如圖1-10所示，是機械指針式萬用表的外形。操作萬用表的主要部分有三個：擋位撥盤、表筆、讀數表頭。萬用表除了這幾部分外，最主要的是表內電路和表頭機電基本體模塊部分。萬用表的表殼部分承擔著各部分的保護及承載的責任。由于萬用表是一種移動測量儀表，容易受到磕碰摔砸的損害，所以應注意防護：1.擋位撥盤如圖1—11所示，用于選擇測量哪種物理量，一般萬用表都至少設有如下四個擋位，每個擋位又分為幾個不同量限或不同倍率的擋位：交流電壓擋：測量交流電壓，如圖1—11所示，又分為10V，50V，250V，500V，1000V五個子擋位。直流電壓擋：測量直流電壓，如圖1—11所示，又分為0.25V，2.5V，10V，50V，250V，500V六個子擋位。直流電流擋：用于測量直流電流值，如圖1—11所示，又分為1mA，10mA，100mA，1000mA四個子擋位。電阻擋：用于測量電器阻值，如圖1—11所示，又分為×1，×10，×l00，×1k四個子擋位。電壓、電流的每個擋位的數值表示的是量限(或量程)，待測的物理量值應小于該值。在選擇擋位時，要選擇一個擋位量限大于被測量值，并且及被測量值最接近的一個量限的擋位。比如，要測一個直流電壓，估計其值約為190V，則應選擇直流250V擋位。此時擋位值250V大于被測量190V，且250V擋位比500V，1000V兩個擋位更接近被測量值。這樣選擇既能保證萬用表的安全，又能保證測量精度。機械表電阻擋的幾個擋位表示幾個不同的倍率。由于機械表的表頭指針在整個刻度的20％～80％之間，讀數比較準確，尤其是電阻擋位對應的表頭刻度的非均勻性，在這個范圍內更利于讀取數值，所以，利用電阻擋的倍率選擇，可以使表頭指針落在該范圍內。電子表電阻擋位的標示數值及電流、電壓的數值一樣，表示量限，不是倍率。電子表的擋位選擇方法及電流、電壓擋位一樣。2．表頭如圖1—12所示為萬用表表頭。機械表頭有若干條刻度線：刻度線1是電阻值讀取線，指針指向最右端，指示值為0；指針指向最左端，指示值為。注意被測電阻的實際阻值是指示值及所選擋位的倍率的乘積。比如，在R×1k擋，當從刻度線上讀取35時，如圖1—13所示，電阻的測量阻值為35×1k=35k；刻度線2是均勻刻度線，用于讀取電壓、電流的指示值。被測對象的測量值也經常需要從讀取值換算而得到。比如使用直流電壓500V擋，按50刻度線讀數，如果讀取值為43，如圖1一14所示，則被測電壓的測量值為43×(500+50)=430V；如果按250刻度線讀數，見刻度線，讀數應為215，則被測電壓的測量值為215×(500÷250)=430V，即從同二類的刻度線讀數，經過換算，得到的測量值是一樣的。機械表頭經常還有其他一些刻度線，請參照有關書籍。電子表頭的讀數比較簡單，可直接讀數，然后冠以所選擋位的單位，即是被測對象的測量值。比如使用電流20mA擋，讀數值為15.5，則測量值為l5.5mA。3．表筆萬用表的兩表筆一般使用紅黑兩種顏色，紅表筆一般插在標有“十”的插孔內，黑表筆一般插在標有“一”的插孔內。測量電壓時，紅、黑表筆分別接在高、低電位端；測量電流時，紅、黑表筆分別接在電流的流入端和流出端。否則表針會反向打針，對萬用表不利。二、萬用表的使用步驟1．確認萬用表的狀態(tài)，保證各部分的功能正常可靠。2.明確要測量的物理量。一般包括交流電壓、直流電壓、直流電流和電阻器阻傅。3．選擇合適的擋位，如前所述。4．適當接人被測對象。測量電壓時，直接將紅、黑表筆并接在被測元件的高、低電位兩端或電路中的高、低電位點上。測量電流時，須斷開被測電路，將紅、黑表筆接八電路的電流流出、流入端，使電流經紅表筆流入表內，從黑表筆流出時測量電阻器阻值時，電阻器須脫離電路，然后將表筆兩端接在電阻器兩端測量即可。5．獲取測量值。讀取刻度值，并進行必要的換算及冠以單位，如前所述。6．測量值的分析。對測得值要進行確認，是否合理，是否具備科學性。三、萬用表的使用注意事項1．萬用表是便攜式儀表，本身精度不高，可能有5％以內的誤差。2．測量電阻時，首先要進行電阻值調零，方法是將表筆短接，使用萬用表面板上的調零鈕進行調整。3．注意檢查萬用表內的電池，當電量不足時，會影響電阻的測量。4．萬用表最容易發(fā)生的損壞是，當萬用表處在電流擋時，測量電壓，此時極易永久性損壞內部電路及表頭。避免的辦法是，每次用完萬用表，都將擋位置于交流電壓最高擋(一般為1000V)。習題1．電流是用來表示_________的物理量，常用的單位是_________。2．電阻是用來表示_________的物理量，常用的單位是_________。3．電壓是用來表示_________的物理量，常用的單位是_________。4．分別用公式來表示下面各組量之間的關系：(1)電量、電流、時間(2)電流、電壓、電阻(3)電功、電功率、時間5．電流通過導體的發(fā)熱現象叫__________，發(fā)熱的多少及_________的平方成正比，及電阻的阻值成_________，及時間成正比，這個關系寫成公式是__________。6．導體中電流的方向規(guī)定是__________的方向。電流方向及電子流方向___________。7．簡單描述電路各組成部分的作用。8．畫圖表示電路的3種狀態(tài)。9．鎳鉻電爐絲的電阻率是1.1×·m，爐絲截面積0.6。如果將電爐接在220V的電源上，使爐絲通過3A的電流，應選用多長的電爐絲?10．有兩只燈泡，一只110V110W，另一只110V60W，試問哪只燈泡的電阻大?若將兩只燈泡串聯接在220V的線路中，是否可以正常使用，通電后有什么現象。11．有3個電阻=5，=3，=2，串聯后接在12V的電源上，求電路中的電流，各電阻上的電壓。12．有兩只220V的燈泡，一只15W，另一只25W，并聯接在220V電源上。求電路的等效電阻、總電流和各燈泡流過的電流。13．有60W，40W，20W三只220V的燈泡，要接在220V電源上正常使用，應采取哪種連接方式?畫出電路圖。14．將兩只220V60W的燈泡串聯接入220V電路中，每只燈泡實際消耗的電功率是多少?燈泡的壽命有何變化?這種情況是否可以應用到實際生活中(舉例說明)?15．簡單敘述電工技術中廣泛使用銅材料的原因。16．列舉幾項節(jié)電方法。17．萬用表一般有__________和__________兩種類型，一般萬用表可用來測量__________、__________和__________三種物理量。18．萬用表最容易發(fā)生的永久損壞是當萬用表處于__________擋位時，被用來測量19．用萬用表測量電阻時，要先對萬用表進行__________操作。20．使用萬用表測量交、直流電壓、電流。第二章電磁的基本知識本章學習要點：1．熟悉磁的特性及磁的表示方法，熟悉磁通、磁感應強度、磁導率的概念以及鐵磁材料的特點。2．熟悉電生磁、-磁生電及磁對電流的力的作用的三個現象，了解三個現象方向判定關系，定性掌握磁場對電流的力的作用規(guī)律。3。熟悉自感、互感現象，了解典型應用和避害知識。人們的生活因為有了電而便捷、精彩、時尚。人們總愛假想“如果有一天，這個世界突然沒了電……”，可是，如果這個世界沒有了磁，會怎樣呢?實際上電及磁有著密不可分的關系。正因為有了這個關系，我們才有了電、電燈、電視、電話、計算機、電動機……，同時一也因為這個關系，導致了我們的電氣壽命的短暫，突發(fā)故障的不約而至。你想知道這是什么原因嗎?§2—1磁的基本知識一、磁現象早在2000多年前，我們的祖先就發(fā)現了磁鐵礦石具有吸引鐵的性質。人們把物體能夠吸引鐵、鉆、鎳及其合金的性質稱為磁性，把具有磁性的物體叫做磁體。磁體上磁性最強的位置稱為磁極，磁體有兩個磁極：即南極和北極，通常用字母S表示南極(常涂紅色)，用字母N表示北極(常涂綠色或白色)。條形、蹄形、針形磁鐵的磁極位于它們的兩端。值得注意的是任何一個磁體的磁極總是成對出現的。若把一個條形磁鐵分割成若干段，則每段都會同時出現南極、北極。這叫做磁極的不可分割性。磁極及磁極之間存在的相互作用力稱為磁力：?其作用規(guī)律是同性磁極相斥，異性磁極相吸。一根沒有磁性的鐵棒，在其他磁鐵的作用下獲得磁性的過程叫磁化。如果把磁鐵拿走，鐵棒仍有的磁性則稱為剩磁。二、磁場、磁感應線磁體周圍存在磁力作用的空間稱為磁場。我們經?？匆妰蓚€互不接觸的磁體之間具有相互作用力，它們是通過磁場這一特殊物質進行傳遞的。磁場之所以是一種特殊物質，是因為它不是由分子和原子等粒子組成的。雖然磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，但通過實驗可以證明它的存在。例如，在一塊玻璃板上均勻地撒些鐵粉，在玻璃板下面放置一個條形磁鐵。鐵粉在磁場的作用下排列成規(guī)則線條，如圖2—1所示。這些線條都是從磁鐵的。N極到S極的光滑曲線，如圖2一1b所示。我們把這些曲線稱為磁感應線，用它能形象描述磁場的性質。實驗證明磁感應線具有下列特點：1．磁感應線是閉合曲線在磁體外部，磁感應線從N極出發(fā)，然后回到S極，在磁體內部，是從S極到N極，這叫做磁感應線的不可中斷性，如圖2—2所示。2.磁感應線互不相交這是因為磁場中任何一點磁場方向只有一個。3．磁感應線的疏密程度及磁場強弱有關。磁感應線稠密表示磁場強，-磁感應線稀疏表示磁場弱。三、磁通、磁感應強度為了描述磁場在上定面積上的分布情況而引入了磁通這一物理量。在磁場中，把通過及磁場方向垂直的某一面積的磁感應線的總數目，叫做通過該面積的磁通，用字母表示。磁通的單位是韋伯“簡稱韋，用Wb表示。磁感應強度是用來表示磁場中各點磁場強弱和方向的物理量，用字母B表示。垂直通過單位面積的磁感應線的數目叫做該點的磁感應強度。它既有大小，又有方向。在磁場中某點磁感應強度的方向，就是位于該點磁針北極所指的方向，它的大小在均勻磁場中可表示為：式中—一磁感應強度(T)；——磁通(Wb)；——垂直于磁感應線方向通過磁感應線的面積()。公式(2—1)說明磁感應強度的大小等于單位面積的磁通。如果通過單位面積的磁通越多，則磁感應線越密，磁場也越強，反之磁場越弱。磁感應強度的單位是韋/米，稱為特斯拉，簡稱特，用字母T表示。四、磁導率實驗證明，鐵、鉆、鎳及其合金對磁場影響強烈，具有明顯的導磁作用。但是自然界絕大多數物質對磁場影響甚微，導磁作用很差。為了衡量各種物質導磁的性能，引入磁導率這一物理量，用字母表示。磁導率的單位為亨利/米(H/m)。不同物質有不同的磁導率。在其他條件相同的情況下，某些物質的磁導率比真空中的強，另一些物質的磁導率比真空中的弱。經實驗測得真空的磁導率為，且是常數。為了便于比較各種物質的導磁性能，把各種性質的磁導率及真空中的磁導率進行比較，引人相對磁導率這一物理量。任何一種物質的磁導率及真空的磁導率的比值叫做相對磁導率，用以表示。即：相對磁導率沒有單位，只是說明在其他條件相同的情況下，物質的磁導率是真空磁導率的多少倍。根據各種物質的磁導率的大小，可將物質分成三類。<1的物質叫做反磁物質，如銅、銀等；>1的物質叫做順磁物質，如空氣、鋁等；>>1的物質叫做鐵磁物質，如鐵、鈷、鎳及其合金等。由于鐵磁物質的相對磁導率很高，所以鐵磁物質被廣泛地應用于電工技術方面(如制作變壓器、電磁鐵。電動機的鐵心等)。表2—1中列出了幾種鐵磁物質的相對磁導率，供參考。表2—1幾種鐵磁物質的相對磁導率鐵磁物質名稱相對磁導率鈷174鎳1120退火的鐵7000軟鋼2180硅鋼片7500鎳鐵合金60000坡莫合金115000§2—2電流的磁場一、通電直導線的磁場磁鐵周圍有磁場，通電直導線的周圍也有磁場。例如，一根直導線垂直穿過水平放置的紙板，在紙板上均勻地撒些鐵粉。當直導線通電時，鐵粉以導線為中心形成許多同心圓，如圖2—3所示：鐵粉的分布情況表示磁感應線分布情況。若直導線中電流消失，則紙板上的鐵粉又呈均勻分布。從而證明了“動電生磁”，即磁場是伴隨電流而存在的，而電流永遠被磁場所包圍。經實驗證明，磁場方向及電流方向有關。若直導線垂直紙面，電流向著讀者而來，則磁場方向是逆時針方向；若直導線上的電流是離開讀者而丟，則磁場方向為順時針方向，如圖2—4a所示：為了討論問題方便起見；規(guī)定用符號，分別表示電流或磁感應線垂直進人和流出紙面的方向。通電直導線周圍磁場方向及導線中的電流方向之間的關系可用安培定則(又稱右手螺旋定則)進行判定。其具體內容是：右手拇指指向電流方向，貼在導線上，其余四指彎曲握住直導線，則彎曲四指的方向就是磁感應線的環(huán)繞方向；如圖2—4b所示。實驗證明，通電直導線四周的磁感應線距直導線越近，磁感應線越密，磁感應強度越大，反之，磁感應線越疏k磁感應強度越小。導線中通過電流越大，靠近直導線的磁感應線越密集，磁感應強度越大；反之，導線中通過電流越小，靠近直導線的磁感應線越稀疏，磁感應強度越小。二、通電螺線管的磁場已經知道通電直導線周圍有磁場存在。若將通電直導線繞成多匝螺線管后，在它的周圍還有磁場存在嗎?為證實這個問題。將磁針放在螺線管附近科當螺線管不通電時，磁針沒有偏轉。當通電時，磁針發(fā)生偏轉。這就說明通電螺線管周圍有磁場存在。對于一個確定的螺線管，磁場的強弱及螺線管中所通過的電流大小成正比。通電螺線管磁場方向，及螺線管中通過的電流方向的關系，用右手螺旋定則進行判定，如圖2—5所示。右手螺旋定則的內容是：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向及螺線管中流過的電流方向一致，那么拇指所指的那一端就是螺線管的N極。由圖2—5可知，通電螺線管的磁場及條形磁鐵的磁場相似。因此，一個通電螺線管相當于一塊條形磁鐵。總之，凡是通電的導線，在其周圍必定會產生磁場，從而說明電流及磁場之間有著不可分割的聯系。電流產生磁場的這種現象叫做電流的磁效應。想一想：如果將一個鐵磁性材料插入到線圈中，對線圈的磁場有什么影響?這一點會有什冬應用?三、磁場對載流直導線的作用通過前面學習已經知道，兩塊磁鐵之間有力的作用一載流直導線周圍也存在磁場，若將其放入磁場中，兩者之間也會產生力，現在用如圖2—6所示的實驗來證實這一問題。在圖2—6a中，U形磁鐵中水平放置一根直導線，它及磁感應線垂直。當導線上沒有電流通過時，導線在磁場里靜止不動。當導線上有電流通過，且背離讀者而去，則導線因受磁場作用而向左運動。若改變導線中的電流方向(見圖2—6b)，即電流方向指向讀者，則導線受磁場作用向右運動。上述實驗說明載流直導線在磁場的作用下而產生運動。在磁極固定時，運動方向及電流方向有關；若導線中電流方向不變，只改變磁極方向，則導線的運動方向也發(fā)生改變。電動機就是利用載流導線在磁場中產生運動的原理制成的。載流直導線在磁場作用下產生運動，而運動是在力的作用下產生的。載流直導線在磁場中所受到的力稱為電磁作用力，簡稱電磁力，用字母F表示。電磁力既有大小，也有方向。電磁力方向(即導線運動方向)、電流方向和磁場方向三者相互垂直。因為電磁力的方向及磁場方向及電流方向有關。所以，用左手定則(又稱電動機定則)來判定蘭者之間的關系。左手定則的內容是：伸平左手，使大拇指及其余四指垂直，手心對著N極，讓磁感應線垂直穿過手心，四指的指向代表電流方向，則大拇指所示的方向就是磁場對載流直導線的作用力方向，如圖2—7所示。實驗證明，在勻強磁場中，當載流直導線及磁場方向垂直時，磁場對載流直導線作用力的大小，及導線所處的磁感應強度、通過直導線的電流以及導線在磁場中的長度的乘積成正比。即：式中——磁感應強度(Wb/)；——直導線中通過的電流(A)；——直導線在磁場中的長度(m)；——直導線受到的電場力(N)。四、磁場對通電線圈的作用由于磁場對通電導線有作用力，因此，磁場對通電線圈也有力的作用。在均勻磁場中放置一個矩形通電線圈abcd，如圖2—8所示。當線圈平面及磁感應線平行時，因為ab和dc邊及磁感應線平行，不受磁場作用，沒有電磁力，ad和bc邊及磁感應線垂直，受磁場作用而有電磁力。根據左手定則，ad邊的受力方向是垂直向上，而bc邊的受力方向是垂直向下。因為，ad=bc，根據公式(2—3)，可知，ad和bc邊所受的電磁力大小相等。由于這一對電磁力大小相等，方向相反，所以構成一對力偶。故線圈在力偶的作用下，圍繞軸線做順時針旋轉。如圖2—8所示是一個單匝線圈的直流電動機的工作原理圖?！?—3電磁感應電和磁是可以互相轉化的。在一定條件下，電流能夠產生磁場；同樣，磁場也能使導線中產生電流。：磁轉化為電的現象叫做電磁感應。一、電磁感應現象為了研究電磁感應現象，先做兩個實驗。實驗一：將直導線AB放在磁場中，它的兩端及檢流計連接構成閉合回路，如圖2—6所示。當導線向右移動垂直切割磁感應線時，檢流計指針偏轉，如圖2—9a所示，表示導線中有電流產生；導線向左方垂直移動切割磁感應線時，檢流計指針也發(fā)生偏轉，但方向及前面的相反；如圖2—9b所示。導體不動，沒有切割磁感應線時，檢流計指針無偏轉，說明導線中沒有電流。通過實驗可以看到，導線的移動速度越快，檢流計指針偏轉越大，即電流越大。實驗二：將線圈的兩端及一個檢流計連接而構成閉合回路，如圖2—10所示。當條形磁鐵插入線圈瞬間，線圈中的磁通量增加，檢流計指針向右偏轉。如圖2—10a所示，說明線圈中磁通發(fā)生變化，線圈中有電流出現。若把條形磁鐵從線圈中拔出，在拔出瞬間，檢流計指針向相反方向偏轉，說明線圈中磁通也發(fā)生變化，線圈中也有電流出現，如圖2—10b所示。當條形磁鐵在線圈中停止運動時，檢流計指針無偏轉，線圈中磁通沒有變化，線圈中也沒有電流。如果條形磁鐵插人或拔出的速度越快，即磁通量變化得越快，則檢流計指針偏轉越大，反之，檢流計指針偏轉越小。上述兩個實驗說明，無論是直導線在磁場中作切割磁感應線運動，還是磁鐵對線圈作相對運動，都是由于運動使得穿過(直導線或線圈組成的)閉合回路中的磁通量發(fā)生了改變，因而在直導線或線圈中產生電動勢。若直導線或線圈構成回路，則直導線或線圈中將有電流出現。回路中磁通量的變化是導致直導線或線圈中產生電動勢的根本原因，即“動磁生電”。磁通量的變化越大，產生的電動勢越大。因磁通變化而在直導線或線圈中產生電動勢的現象，叫做電磁感應。由電磁感應產生的電動勢叫做感應電動勢。由感應電動勢在閉合電路形成的電流，叫做感應電流。二、法拉第定律從如圖2—10所示的實驗中可知，感應電動勢的大小，取決于條形磁鐵插入或拔出的快慢，即取決于磁通變化的快慢。磁通變化越快，感應電動勢就越大；反之就越小。磁通變化的快慢，用磁通變化率來表示。例如，有一單匝線圈，在時刻穿過線圈的磁通為，在此后的某二時刻，穿過線圈的磁通為，那么在這段時間內，穿過線圈的磁通變化量為：因此，單位時間內的磁通變化量，即磁通變化率是：在單匝線圈中產生的感應電動勢的大小是：式中的絕對值符號，表示只考慮感應電動勢的大小，不考慮方向。對手多匝線圈來說，因為通過各匝線圈的磁通變化率是相同的，所以每匝線圈感應電動勢大小相等。因此，多匝線圈感應電動勢是單匝線圈感應電動勢的N倍，即：式中——在時間內感應電動勢的平均值(V)；——線圈匝數；/——磁通變化率；——線圈中磁通變化量(Wb)；——磁通變化所用的時間(s)。公式(2—5)說明，當穿過線圈的磁通發(fā)生變化時，線圈兩端的感應電動勢的大小只及磁通變化率成正比。這就是法拉第定律。想一想：上述規(guī)律可以用幾件簡單的元件、儀表進行驗證。三、楞次定律法拉第電磁感應定律，只解決了感應電動勢的大小取決于磁通變化率，但無法說明感應電動勢的方向及磁通量變化之間的關系。為了找出它們之間的規(guī)律，必須對前面的實驗再作進一步研究。從圖2—10實驗中可以看到穿過線圈的原磁通的方向是向下的。如圖2—11a所示，當磁鐵插入線圈時，線圈中的原磁通量增加，產生感應電動勢。感應電流由檢流計的正端流人。此時，感應電流在線圈中產生一個新的磁通。根據安培定則可以判定，新磁通及原磁通的方向相反，也就是說，新磁通阻礙原有磁通增加。如圖2—1lb所示，當磁鐵由線圈中拔出時，線圈中的原有磁通減少，產生感應電動勢，感應電流由檢流計的負端流人。此時，感應電流在線圈中產生一個新的磁通，根據安培定則判定，新磁通及原有磁通的方向是相同的，也就是說，新磁通阻礙原有磁通的減少。經過上面的討論得出一個規(guī)律：線圈中磁通變化時，線圈中產生感應電動勢，其方向是使它形成的感應電流產生新磁通來阻礙原有磁通的變化。也就是說，感應電流的新磁通總是阻礙原有磁通的變化。這個規(guī)律被稱為楞次定律。應用楞決定律來判定線圈中產生感應電動勢的方向或感應電流的方向，具體方法步驟如下：1．首先明確原磁通的方向和原磁通的變化(增加或減少)的情況。2．根據楞次定律判定感應電流產生新磁通的方向。3．根據新磁通的方向，應用安培定則(右手螺旋定則)判定出感應電動勢或感應電流的方向。例如，在圖2—11中，線圈固定不動，條形磁鐵向下、向上運動時，判斷線圈a、b兩端感應電動勢的方向。當磁鐵向下運動時，原磁通西增加，且方向向下，由楞次定律可知新磁通西7的方向向上。根據安培定則可判斷出，大拇指的指向是新磁通的方向，其余四指的指向就是感應電動勢的方向，即由b到a，如圖2—11a所示。當磁鐵向上運動時，原磁通減少，且方向向下，由楞次定律可知新磁通的方向向下，阻礙原磁通的減少，根據安培定則可判斷出，感應電動勢的方向是由a到b，如圖2—11b所示。對于直導線切割磁感應線向產生感應電動勢的方向，用右手定則進行判定。右手定則內容是：伸開右手，使大拇指及其余四指垂直并且及手掌在同一平面內，手心對著磁極的N極，讓磁感應線垂直穿過手心，大拇指指向導體的運動方向，其余四指所指的方向就是感應電動勢的方向，如圖2—12所示。右手定則又叫發(fā)電機定則。四、電磁感應定律為了使法拉第定律不僅能表示出感應電動勢的大小，同時也能表示出它的方向。把法拉第定律及楞次定律結合起來就是電磁感應定律。電磁感應定律的內容是：感應電動勢的大小及磁通變化率成正比，感應電流的方向總是阻礙原磁通變化?！?—4自感、互感一、自感自感是一種電磁感應現象；下面通過實驗說明什么是自感。在圖2—13a中，有兩個相同的燈泡。合上開關后，燈泡HL1立刻正常發(fā)光。燈泡HL2慢慢變亮。其原因是在開關S閉合的瞬間，線圈L中的電流是從無到有，線圈中這個電流所產生的磁通也隨之增加，于是在線圈中產生感應電動勢。根據楞次定律，由感應電動勢所形成的感應電流產生的新磁通，要阻礙原磁通的增加；感應電動勢的方向及線圈中原來電流的方向相反，使電流不能很快地上升，所以燈泡HL2只能慢慢變亮。在圖2—13b中，當開關S斷開時，HL燈泡不會立即熄滅，而是突然一亮然后熄滅。其原因是在開關S斷開的瞬間，線圈中電流要減小到零，線圈中磁通也隨之減小。由于磁通變化在線圈中產生感應電動勢。根據楞次定律；感應電動勢所形成的感應電流產生的新磁通，阻礙原磁通的減少，感應電動勢方向及線圈中原來的電流方向一致，阻止電流減少，即感應電動勢維持電感中的電流慢慢減小。所以燈泡HL不會立刻熄滅。想一想：為什么燈泡的亮度會有變化?開卷閉合的時候，HL中的電流由誰決定?開關斷開時，HL中的電流由誰決定?通過兩個實驗可以看到，由于線圈自身電流的變化，線圈中也要產生感應電動勢。把由于線圈自身電流變化而引起的電磁感應叫做自感應，簡稱自感。由自感現象產生的電動勢叫做自感電動勢。為了表示自感電動勢的大小，引入一個新的物理量，叫自感系數。當一個線圈通過變化電流后，單位電流所產生的自感磁通數，稱為自感系數，也稱電感量，簡稱電感，用字母L表示。電感是測量線圈產生自感磁通本領大小的物理量。如果一個線圈中流過1安電流，能產生1韋的自感磁通，則該線圈的電感就是1亨利，簡稱亨，用字母H表示。在實際使用中，有時用亨利單位太大，常采用較小的單位毫亨(mH)、微亨(pH)。它們之間的關系為：電感L是線圈的固有參數，它取決于線圈的幾何尺寸以及線圈中介質的磁導率。如果介質磁導率恒為常數，這樣的電感叫線性電感，如空心線圈的電感L為常數；反之，則稱為非線性電感，如有鐵心的線圈的電感L不是常數。自感在電工技術中，既有利又有弊。如日光燈是利用鎮(zhèn)流器(鐵心線圈)產生自感電動勢提高電壓來點亮燈管的，同時也利用它來限制燈管電流。但是，在有較大電感元件的電路被切斷瞬間，電感兩端的自感電動勢很高，在開關刀口斷開處產生電弧，燒毀刀口，影響設備的使用壽命；在電子設備中，這個感應電動勢極易損壞設備的元器件，必須采取相應措施，予以避免。二、互感互感也是一種電磁感應現象。圖2—14中有兩個互相靠近的線圈。當原線圈電路的開關S閉合時，原線圈中的電流增大，磁通也增加，副線圈中磁通也隨之增加而產生感應電動勢，檢流計指針偏轉，說明副線圈中也有電流。當原線圈電路開關S斷開時，原線圈中的電流減小，磁通也減小，這個變化的磁通使副線圈中產生感應電動勢，檢流計指針向相反方向偏轉。這種由于—個線圈電流變化，引起另一個線圈中產生感應電動勢的電磁感應現象，叫做互感現象，簡稱互感。由互感產生的感應電動勢稱為互感電動勢。人們利用互感現象，制成了電工領域中偉大的電器——變壓器。習題1.人們把具有__________的特性叫磁性，把具有__________特性的物體叫磁體。2．每個磁體都有__________個磁極，即__________極和__________極。3．自然界有一些物質，如__________，它們受到磁場作用后會帶有磁性，這種現象叫__________。4．磁鐵之間存在力的作用，兩個磁鐵的__________性磁極相互排斥，__________性磁極相互吸引。5．磁感應線是一些__________曲線。在磁體外部磁感應線是從__________極出發(fā)到__________極終止；在磁體內部是從__________極出發(fā)到__________極終止。6．磁通是描述__________的物理量，單位是__________。7．磁感應強度是描述__________的物理量，單位是__________。8．感應電動；勢是指__________產生的電動勢,一般可以用__________判定它的方向。9．通電直導線感應電動勢的大小及__________、__________和__________有關,線圈的感應電動勢大小及__________有關。10．電磁鐵是利用____________________原理做成的，發(fā)電機是利用______________________原理做成的，而電動機是利用____________________原理制成的。11．工業(yè)應用的磁鐵，都是通電線圈使鐵心磁化現象的具體應用。試應用安培定則判定習題圖2—1中線圈通電后磁極的極性，或根據磁極的極性判定電源的極性。12．應用右手定則，判定習題圖2—2的感應電動勢方向、導線運動方向、磁場方向。13．根據楞次定律和安培定則，判定線圈中感應電動勢或感應電流的方向，見習題圖2—3。14．自感是在__________中產生感應電動勢的現象，互感是在__________中產生感應電動勢的現象。15．說說在日常生活中，應用最多的自感是什么?16．自盛電動勢的威力巨大，你能有什么辦法降低它產生的電壓嗎?17．設計一個試驗，測一測一群人中誰的反應最快?第三章正弦交流電路本章學習要點：1．明確交流電、正弦交流電的概念及其三要素；2．了解正弦交流電的表示法；3．熟悉單相交流電路中R，L，C元件的歐姆定律形式，了解R，L，C電路中三元件兩端電壓、電流的相位關系特點；4．掌握三相電路的連接形式及特點；5．熟悉照明電路的連接要點及常用照明元件的特點。18世紀中葉，有個叫歐拉的瑞士數學家。他在前人研究的基礎上，取得了非常多的研究成就，共寫下了886本書籍和論文，其中分析、代數、數論占。40％，幾何占18％，物理和力學占28％，天文學占11％，彈道學、航海學、建筑學等占3％。在他之后的數學家拉格朗日、拉普拉斯，都把歐拉當導師。在數學中，歐拉首次提出很多現在還在使用的基本概念，如sin，cos，tan，，()。歐拉提出的正弦函數在當今的電氣技術中，有很大的應用。因為現在我們這個世界上，幾乎找不到及正弦方式輸送無關的電能，幾乎到處都能找到以正弦方式使用的電能。實踐證明，使用正弦規(guī)律是最聰明、最科學的。§3—1正弦交流電的產生一、正弦交流電的特點種第一章直流電路中所討論的直流電；其電流(及電壓、電磁勢)的大小和方向是不隨時間變化的。但是在生產實際中，除了應用直流電外，還廣泛地應用交流電。所謂交流電是指電流(及電壓、電動勢)的大小和方向隨時間的變化而變化。交變電流、交變電壓和交變電動勢統(tǒng)稱為交流電。通常將交流電分為正弦交流電和非正弦交流電兩大類。正弦交流電是指其交流量隨時間按正弦規(guī)律變化。人們經常用圖形表示電流(及電壓、電動勢)隨時間變化的規(guī)律，這種圖形稱為波形圖，如圖3—1所示。圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示不同時刻的交流量(電流、電壓、電動勢)值。從如圖3—1b所示的波形圖中可以看到，正弦交流電(如無特別說明都簡稱交流電)的特點是：1．變化的瞬時性正弦交流電的大小和方向時時刻刻都在變化。2.變化的周期性正弦交流電每隔一定時間又作重復的變化。3．變化的規(guī)律性正弦交流電是隨著時間按正弦規(guī)律變化的。正弦交流電在工農業(yè)生產以及日常生活中應用廣泛，是由于它具有便于遠距離傳輸和分配，交流發(fā)電機結構簡單、運行可靠、維修方便、節(jié)省材料、具有更低的電磁干擾等優(yōu)點。二、正弦交流電的產生正弦交流電是由交流發(fā)電機產生的。如圖3—2a所示是最簡單的交流發(fā)電機示意圖j它由定子和轉子組成。定子有N，S兩個固定磁極。轉子是一個可以轉動的鋼質圓柱體，其上緊繞著一匝導線。導線兩端分別接到兩個相互絕緣的銅環(huán)上，銅環(huán)及連接外電路的電刷相接觸。當用原動機(如水輪機或汽輪機)拖動電樞轉動時，由于運動導線切割磁感應線而在線圈中產生感應電動勢。為了得到正弦波形的感應電動勢，應采用特定形式的磁極，使磁極及電樞之間的空隙中的磁感應強度按下列規(guī)律分布：第一，磁感應線垂直于電樞表面。第二，磁感應強度B在電樞表面按正弦規(guī)律分布。如圖3—2b所示。在磁極中心位置處的磁感應強度最大，用表示；在磁性分界面處的磁感應強度為零。磁感應強度等于零的平面叫做中性面，如圖3—2b所示的水平面。如線圈所在位置的平面及中性面成a角，此處電樞表面的磁感應強度為：當電樞在磁場中從中性面開始，以勻角速度逆時針轉動時，單匝線圈的a、b邊在磁場內切割磁感應線產生感應電動勢。單匝線圈中產生的磁感應電動勢為：如果線圈有N匝，則總的感應電動勢為：當=90及=270時，感應電動勢具有最大值，即：式中——感應電動勢最大值(V)；——線圈的匝數；——最大磁感應強度(Wb/)；——線圈的有效長度（m）——導線運動速度（m/s）將公式(3—3)代人公式(3—2)后，得：因為電樞在磁場中以角速度作勻速轉動，在任意時刻線圈平面及中性面的夾角等于角速度及時間的乘積，即：因此，感應電動勢的數學式又可以寫成：這樣就把感應電動勢隨角度變化轉為隨時間變化。為今后研究交流電正弦量提供了方便。同理，交流電壓、交流電流可表示為：§3—2正弦交流電的三要素一、周期、頻率、角頻率由如圖3—1所示中的正弦交流電流波形圖可以看出，它從零開始隨時間延長而增至最大值，然后逐漸減到零；以后由零開始反向增至最大值，然后再回到零。這樣，交流電流就變化一次。交流電就按照這樣的規(guī)律做周而復始的變化，變化一次叫做一周。交流電變化一周所需要的時間叫做周期，用字母T表示，單位是秒(s)，較小的單位有毫秒(ms)和微秒()。它們之間的關系為：周期的長短表示交流電變化的快慢l周期越小，說明交流電變化一周所需的時間越短，交流電的變化越快；反之，交流電的變化越慢。頻率是指在一秒鐘內交流電變化的次數，用字母表示，單位為赫茲；簡稱赫，用Hz表示。當頻率很高時，可以使用千赫(kHz)、一兆赫(MHz)、吉赫(GHz)：等。它們之間的關系為：頻率和周期一樣，是反映交流電變化快慢的物理量。它們之間的關系為：我國農業(yè)生產及日常生活中使用的交流電標準頻率為50Hz。通常把50Hz，的交流電稱為工頻交流電。交流電變化的快慢除了用周期和頻率表示外，還可以用角頻率表示。所謂角頻率就是交流電每秒鐘變化的角度，用字母表示，單位是rad/s(弧度/秒)。周期、頻率和角頻率的關系是：二、瞬時值、最大值、有效值正弦交流電(簡稱交流電)的電動勢、電壓、電流，在任袁瞬間的數值叫交流電的瞬時值，用小寫字母，，表示。瞬時值中最大的值稱為最大值。最大值也稱為振幅或峰值。在波形圖生，曲線的最高點對應的縱軸值，即表示最大值。用，，分別表示電動勢、電壓、電流的最太值。它們之間的關系為：由公式(3—9)可知，交流電的大小和方向是隨時間變化的，瞬時值在零值及最大值之間變化，沒有固定的數值。因此，不能隨意用一個瞬時值來反映交流電的做功能力。如果選用最大值，就夸大了交流電的做功能力，因為交流電在絕大部分時間內都比最大值要小。這就需要選用一個數值，能等效地反映交流電做功的能力。為此，引人了交流電的有效值這一概念。正弦交流電的有效值是這樣定義的：如果一個交流電通過一個電阻，在一個周期內所產生的熱量，和某一直流電流在相同時間內通過同一電阻產生的熱量相等，那么，這個直流電的電流值就稱為交流電的有效值。正弦交流電的電動勢。電壓、電流的有效值分別用字母，，表示。通常所說的交流電的電動勢、電壓、電流的大小都是指它的有效值，交流電氣設備銘牌上標注的額定值、交流電儀表所指示的數值也都是有效值。今后在談到交流電的數值時，如無特殊注明，都是指有效值。理論計算和實驗測試都可以證明，它們之間的關系為：三、相位、初相和相位差在如圖3—3所示中，兩個相同的線圈固定在同一個旋轉軸上，它們相互垂直，以角速度叫逆時針旋轉。在AX和BY線圈中產生的感應電動勢分別為和，如圖3—4所示。當t=0時，AX線圈平面及中性面之間的夾角=0，BY線圈平面及中性面之間的夾角=90。在任意時刻兩個線圈的感應電動勢分別為：公式中，和是表示交流電變化進程的一個角度，稱為交流電的相位或相角，它決定了交流電在某一瞬時所處的狀態(tài)。=0時的相位叫初相位或初相。它是交流電在計時起始時刻的電角度，反映了交流電的初始值。例如，AX，BY線圈的初相分別是=0，=90。在=0時，兩個線圈的電動勢分別為=0，。兩個頻率相同的交流電的相位之差叫相位差。令上述的初相位=0，的初相位=90，則兩個電動勢的相位差為：可見，相位差就是兩個電動勢的初相差。從如圖3—5所示可以看到，初相分別為和的頻率相同的兩個電動勢的同向最大值，不能在同一時刻出現。就是說比超前角度達到最大值，或者說比滯后角度達到最大值。綜上所述，一個交流電變化的快慢用頻率表示；其變化的幅度，用最大值表示；其變化的起點用初相表示。如果交流電的頻率、最大值、初相確定后，就可以準確確定交流電隨時間變化的情況。因此，頻率、最大值和初相稱為交流電的三要素。例題1已知兩正弦電=1OOsin(10060)V，=65sin(10030)V，求各電動勢的最大值、頻率、周期、相位、初相及相位差。解：（1）振幅（2）頻率（3）周期（4）相位（5）初相（6）相位差§3—3正弦交流電的表示法正弦交流電的表示方法有三角函數式法和正弦曲線法兩種。它們能真實地反映正弦交流電的瞬時值隨時間的變化規(guī)律，同時也能完整地反映出交流電的三要素。一、三角函數式法正弦交流電的電動勢、電壓、電流的三角函數式為：若知道了交流電的頻率、最大值和初相，就能寫出三角函數式，用它可以求出任一時刻的瞬時值。例題2已知正弦交流電的頻率=50Hz，最大值=310V，初相=。求=1/300S時的電壓瞬時值。解：電壓的三角函數標準式為：則其電壓瞬時值表達式為：將t=0.01s代人上式二、正弦曲線法-波形法正弦曲線法就是利用三角函數式相對應的正弦曲線，來表示正弦交流電的方法。在如圖3—6所示中，橫坐標表示時間或者角度，縱坐標表示隨時間變化的電動勢瞬時值。圖中正弦曲線反映出正弦交流電的初相=0。最大值，周期T以及任一時刻的電動勢瞬時值。這種圖也叫做波形圖?！?—4單相交流電路在直流電路中，電路的參數只有電阻R。而在交流電路中，電路的參數除了電阻R以外，還有電感L和電容C。它們不僅對電流有影響，而且還影響了電壓及電流的相位關系。因此，研究交流電路時，在確定電路中數量關系的同時，必須考慮電流及電壓的相位關系，這是交流電路及直流電路的主要區(qū)別。本節(jié)只簡單介紹純電阻、純電感、純電容電路。一、純電阻電路純電阻電路是只有電阻而沒有電感、電容的交流電路。如白熾燈、電烙鐵、電阻爐組成的交流電路都可以近似看成是純電阻電路，如圖3—7所示。在這種電路中對電流起阻礙作用的主要是負載電阻。加在電阻兩端的正弦交流電壓為，在電路中產生了交流電流，在純電阻電路中，龜壓和電流瞬時值之間的關系，符合歐姆定律，即：由于電阻值不隨時間變化，則電流及電壓的變化是一致的。就是說，電壓為最大值時，電流也同時達到最大值；電壓變化到零時，電流也變化到零。如圖3—8所示。純電阻電路中，電流及電壓的這種關系稱為“同相”。通過電阻的電流有效值為：公式3—14是純電阻電路的有效值。在純電阻電路中，電流通過電阻所做的功及直流電路的計算方法相同，即：二、純電感電路純電感電路是只有電感而沒有電阻和電容的電路。如由電匪很小的電感線圈組成的交流電路，都可近似看成是純電感電路，如圖3—9所示。在如圖3—9所示的純電感電路中；如果線圈兩端加上正弦交流電壓，則通過線圈的電流也要按正弦規(guī)律變化。由于線圈中電流發(fā)生變化，在線圈中就產生自感電動勢，它必然阻礙線圈電流變化。經過理論分析證明，由于線圈中自感電動勢的存在，使電流達到最大值的時間，要比電壓滯后90，即四分之一周期。也就是說，在純電感電路中，雖然電壓和電流都按正弦規(guī)律變化，但兩者不是同相的，如圖3—10所示，正弦電流比線圈兩端正弦電壓滯后90，或者說，電壓超前電流90。理論證明，純電感電路中線圈端電壓的有效值，及線圈通過電流的有效值之間的關系是：是電感線圈對角頻率為叫的交流電所呈現的阻力，稱為感抗，用表示，即：式中——感抗()；——頻率(Hz)；——電感(H)。感抗是用來表示電感線圈對交流電阻礙作用的物理量。感抗的大小，取決于通過線圈電流的頻率和線圈的電感量。對于具有某一電感量的線圈而言，頻率越高，感抗越大，通過的電流越??；反之，感抗越小，通過的電流越大。收音機中的高頻扼流圈不讓高頻電流通過，只讓低頻電流通過，就是這個道理。在直流電路中，由于頻率為零，故線圈的感抗也為零，線圈的電阻很小，可以把線圈看成是短路的。例題3有一電感為0.1mH的線圈，分別接在電壓=0.1V，頻率為=1000Hz，=1MHz的兩個交流電源上。求兩種情況下通過線圈的電流。解：當=1000Hz時，感抗為：當=1MHz時，感抗為：結論：同一個電源電壓、同一個電感，交流電頻率差1000倍，差1000倍，電流差1000倍!三、純電容電路電容器是由兩個金屬板中間隔著不同的介質(云母、絕緣紙等)組成的。它是存放電荷的容器。電容器中的兩個金屬板叫電容器兩個極板。如果把電容器的兩個極板分別及直流電路兩端連接，如圖3—11所示，則兩極板間有電壓，在極板間建立了電場。在電場力作用下，驅使自由電子運動，使兩個極板分別帶上數量相等符號相反的電荷。及電源正極相連的極板帶正電荷，及電源負極相連的極板帶負電荷。實驗證明，極板上存有電荷越多，則極板間的電壓越高，二者成正比。因此，將電容器的電量及極板間電壓的比值叫做電容器的電容量，簡稱電容，用字母表示，即：式中——下任意極板上的電量(C)；——兩極板間的電壓(V)；——電容量(F)當電容器極板間電壓為l伏，極板上電量為1庫侖，則電容器的電容量為1法拉，簡稱法，用字母F表示。在實際應用中，由于法拉單位過大，所以經常使用微法()和皮法()為電容的單位，它們之間的關系為：常用的電容器符號如圖3—12所示。電容器在電工和電子技術中應用廣泛。如在電力系統(tǒng)中用它改善系統(tǒng)的功率因數，在電子技術中用它進行濾波、耦合、隔直、旁路、選頻等。在這里只簡單介紹電容在交流電路的作用。純電容電路是只有電容而沒有電阻、電感的電路。如電介質損耗很小，絕緣電阻很大的電容器組成的交流電路。可近似看成純電容電路。在如圖3—13所示的純電容電路中，電容器接上交流電源。在電壓升高的過程中，電容器充電，在電壓降低的過程中，電容器放電。由于電容器端電壓按正弦規(guī)律變化，致使電容器不斷地進行充電、放電。于是在電路中形成按正弦規(guī)律變化的電流。理論分析證明：電路中電流達到同方向最大值的時間，比電容器的端電壓超前90，即提前四分之一周期。也就是說在純電容電路中，雖然電流及電壓都按正弦規(guī)律變化；但兩者的相位不同，如圖3—14所示，純電容電路中的電流超前電壓90。理論證明：在純電容電路中，電容兩端電壓的有效值及電路電流有