《电工基础》PPT课件.ppt

第二章 电工基础知识 电路基础知识1 电磁感应和磁路 2 交流电和三相交流电路 3 3 电子技术常识 3 4 常用电气图形符号 3 5 前 言 1-1 电路基础知识 一、电流和电路 1.电荷与电流 失去电子或得到电子的微粒称为正电荷或负电 荷。带有电荷的物体称为带电体。电荷的多少用电 量表示。其单位为C（库或库仑） 电流是带电微粒的定向移动。通常以正电荷移 动的方向规定为电流的参考参考正方向。大小、方向均 不随时间变化的稳恒直流电；大小、方向随时间作 周期性变化的电流称为交流电流。 1-1 电路基础知识 2.电流 单位时间内通过导体横截面的电荷量叫做 电流，用I表示。如果在t秒钟通过导体横截面 的电荷量是Q,那么： I Q t = 1秒钟内通过导体截面积的电量为1库仑时，则 导体内的电流为1安培。电流的国际单位制是安培【 A】，较小的单位还有毫安【mA】和微安【A】等 ，它们之间的换算关系为： 1A=101A=10 3 3 mA=10mA=10 6 6 A=10A=10-3 -3kA kA 电路可以实现电能的传电路可以实现电能的传 输、分配和转换。输、分配和转换。 电力系统中： 电子技术中： 电路可以实现电信号的传电路可以实现电信号的传 递、存储和处理。递、存储和处理。 电路的功能电路的功能 负载： 1-1 电路基础知识 电路就是电流所经过的路径，电路为一闭合回路。电路由 电源、控制电器和保护电器、导线和负载组成。 电源：即电能的源泉，是推动电路中电流流动的原动力。电源是指电 路中供给电能的设备，它的作用是将非电形式的能量转换为电 能。如电池将化学能转换为电能，发电机将机械能转换为电能 等。如发电机、蓄电池等。 负载是指用电设备，即电路中消耗电能的设备，它的作用是 将电能转换为其他形式的能量。如电灯将电能转换为光能， 电炉将电能转换为热能，电动机将电能转换为机械能等。 控制和 保护电 器： 控制和保护电器部件，如开关设备、测量设备以及各种 继电保护设备等。 3.3.电路电路 导线： 电源和负载之间不可缺少的连接部分。 电路模型和电路元件电路模型和电路元件 电源 负 载 实体电路 中间环节 与实体电路相对应、由理想元件构成的电路图电路图，称为 实体电路的电路模型电路模型。 电路模型 负载 电源 开关 连接导线 S RL + U I US + _ R0 1-1 电路基础知识 电气设备的额定值电气设备的额定值 电气设备长期、安全长期、安全工作条件下的最高限值最高限值称为额定值。 。 电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素， 由制造厂家给出的技术数据。 电路的三种工作状态电路的三种工作状态 IUS(RSRL) （1）通路 U=USIRS RL S US RS （2）开路 U=US I0 S US RS RL U=0 IUS/RS （3）短路 RL S US RS 1-1 电路基础知识 断路 电路的几种状态 1-1 电路基础知识 1、通路就是电源与负载接成的回路，这 时电路中有电流通过。 电源与负载构成闭合回路，电源处于有 载工作状态，电路中有电流流过。 A、满负荷 B、轻负荷 C、过负荷（一般情况不允许） 2、短路短路就是电源未经负载而直接由导线构 成通路。 当电路中如图所示的两点间用导线相连时，称电 阻R被短路。这两点间的导线称为短路线，短路线中 的电流叫短路电流。 注:短路可分为有用短路和故障 短路，故障短路往往会造成电路 中电流过大，使电路无法正常工 作，严重的会产生事故。 1-1 电路基础知识 3、断路断路就是电源与负载未接成闭合回路， 这时电路中没有电流通过。 开关S断开或电路中某处断开，切断的电路中没 有电流流过，此时的电路称为开路。开路又叫断路， 断开的两点间的电压称为开路电压。 注：开路也分为正常开路和故障开路。 如不需要电路工作时，把电源开关打开 为正常开路；而灯丝烧断，导线断裂产 生的开路为故障开路，它使电路不能正常工作。 1-1 电路基础知识 1-1 电路基础知识 二、电场、电场强度 1.电场 电场存在于带电体周围，能对位于该电场中的 电荷产生作用力电场力。电场力的大小与电场的 强弱有关，这又与带电体所带的电荷量多少有关。 1-1 电路基础知识 2.电场强度 衡量电场强弱的一个物理量，既有大小又有方。 电场中任意一点的电场强度，在数值等于放在该点的 单位正电荷所受电场力的大小，其方向是正电荷受 力的方向，即： E = F/Q E电场强度，F/C（牛顿/库仑) F-电荷所受的电场力，N（牛顿） Q正电荷的电量，C（库仑） 1-1 电路基础知识 三、电位、电压、电动势 1.电位 在电场力作用下，单位正电荷由电场中某 一点移到参考点（电位为零）所做的功叫做 该点的电位。 V Va a = +5V = +5V a 点电位： a b 1 5A a b 15A 例例例例 电位实际上就是电路中某点到参考点的电压，电压常用双电位实际上就是电路中某点到参考点的电压，电压常用双 下标，而电位则用单下标，电位的单位也是伏特下标，而电位则用单下标，电位的单位也是伏特 V V 。 电位具有电位具有相对性相对性，规定参考点的电位为，规定参考点的电位为零电位零电位。因此，相。因此，相 对于参考点较高的电位呈对于参考点较高的电位呈正电位正电位，较参考点低的电位呈，较参考点低的电位呈负负 电位电位。 V Vb b = - 5V = - 5V b点电位： 电位 12V 例例 求开关求开关S S打开和闭合时打开和闭合时a a点的电位值。点的电位值。 12V 6K 4K 20K 12V S S 解解 画出画出S S打开时的等效电路打开时的等效电路 ： b a S S b a d c 6K 4K c 20K 12V 显然，开关显然，开关S S打开时相当于一打开时相当于一 个闭合的全电路，个闭合的全电路，a a点电位为：点电位为： S S闭合时的等效闭合时的等效 电路：电路： 6K 4K 20K 12V 12V ba c S S闭合时，闭合时，a a点电位只与右点电位只与右 回路有关，其值为：回路有关，其值为： d d 电位的计算 例例电路如下图所示，分别以 电路如下图所示，分别以A A、B B为参考点计算为参考点计算C C和和D D 点的电位及点的电位及U UCD CD。 。 10 V 2 + 5 V + 3 B B C C D D I A A 解解以以A A点点为参考电位时为参考电位时 I = 10 + 5 3 + 2 = 3 A VC = 3 3 = 9 V VD= 3 2= 6 V UCD = VC VD = 15 V 以以B B点点为参考电位时为参考电位时 VD = 5 VVC = 10 V UCD = VC VD= 15 V * * 电路中某一点的电位等于电路中某一点的电位等于 该点到参考点的电压；该点到参考点的电压； *电路中各点的电位随参考点选的不同而改变，但是任意电路中各点的电位随参考点选的不同而改变，但是任意 两点间的电压不变。两点间的电压不变。 直流情况下 2.电压 电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功 。其表达式为： 注意：注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示 。 电压的国际单位制是伏特【 V 】 ，常用的单位还有毫伏【 mV 】和千伏【KV】等，换算关系为： 1V=101V=10 3 3 mV=10mV=10 3 3 KVKV 电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向 由由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。 从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原 因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即： 电流、电压的参考方向 对电路进行分析计算时应注意：列写电路方程式之前，首 先要在电路中标出电流、电压的参考方向。电路图上电流、 电压参考方向的标定，原则上任意假定，但一经选定，在整 个分析计算过程中，这些参考方向就不允许再变更。 a I 电源电源 元件元件 U b 非关联参考方向非关联参考方向 a I 负载负载 元件元件 U b 关联参考方向关联参考方向 实际电源上的电压、电流方向总是非关联非关联的，实际负载上的 电压、电流方向是关联关联的。因此，假定某元件是电源时，应选 取非关联参考方向，假定某元件是负载应选取关联参考方向。 电路中电位的概念及计算 电压是两点的电位差,电压值确定 某点的电位在计算中与零电位点的选择有关，没有 确切值，只是一个相对值。 电位在运用时要选定一参考点,参考点选定后, 不能改动.所选参考点的电位值设为0 实际应用中,一般选大地、机壳为参考零电位点. 注意：电位和电压的区别 电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的电压值是绝对的，不会因参考点的不同而改变。 在电路图上预先标出电压、电流的参考参考 方向方向，目的是为解题时列写方程式提供依 据。因为，只有参考方向标定的情况下， 方程式各电量前的正、负号才有意义。 I 为什么要在电 路图中预先标出 参考方向？ + US R0 R I 设参考方向下US=100V，I=5A，则说 明电源电压的实际方向与参考方向一致； 电流为负值说明其实际方向与图中所标示的参考方向相反。 参考方向一经设定，在分析和计算过程中不得随意改动。 方程式各量前面的正、负号均应依据参考方向写出，而电量 的真实方向真实方向是以计算结果和参考方向二者共同确定的。 思考思考 回答回答 1.在电路分析中，引入参考方向的目的是什么？ 2.应用参考方向时，你能说明“正、负”、“加、 减”及“相同、相反”这几对词的不同之处吗？ 电路分析中引入参考方向的目的是：为分析和计算 电路提供方便和依据。 应用参考方向时，“ “正、负正、负” ”是指在参考方向下，电 压、电流数值前面的正负号，如某电流为“5A”，说 明其实际方向与参考方向相反相反，某电压为“100V”， 说明该电压实际方向与参考方向一致一致；“ “加、减加、减” ”指参考 方向下电路方程式中各量前面的加、减号加、减号；“ “相同相同” ”是指 电压、电流为关联参考方向关联参考方向，“相反相反”指的是电压、电流 参考方向非关联非关联。 下图电路中若选下图电路中若选 定定C C为参考点，当为参考点，当 开关断开和闭合开关断开和闭合 时，判断各点的时，判断各点的 电位值。电位值。求下图电路中开 关S闭合和断开 时B点的电位。 试述电压和电位的异 同，若电路中两点电 位都很高，则这两点 间电压是否也很高？ + + A 2 4V - - B C D S + + 12V A 26K 4V - - 12V B S 4K 2K 1-1 电路基础知识 要使电流持续不断沿电路流动，就需要一个电 源，把正电荷从低电位移向高电位，这种使电路 两端产生并维持一定电压差的能力叫做电动势。 在电源内部，非电场力将单位正电荷从电源的 低电位端（负极）移到高电位端（正极）所做的 功，称为电源的电动势，用符号E表示，电动势的 单位也是伏特V 。 外力将单位正电荷从电源负极经电源内部移到 正极所做的功。E为电源电动势，单位为伏特。 A外为外力所做的功，单位为焦耳。Q为外力分离 电荷电量，单位库仑。 E=A外/Q 1-1 电路基础知识 电源的电动势 电动势 电源、非静电力 + 水池 泵 1-1 电路基础知识 电动势和电压 电动势和电压的单位相同，但二者概念有区别 ： 首先，物理意义不同。电压是衡量电场力作功大 小的物理量，而电动势则表示非电场力作功本领的 物理量。 其次，两者的方向不同，电压是由高电位指向低 电位，是电位降低的方向。而电动势相反。 再次，存在的方式不同。电压既存在电源内部也 存在电源的外部，电动势仅存在于电源的内部 。 1-1 电路基础知识 四、导体、绝缘体、半导体四、导体、绝缘体、半导体 和导体电阻和导体电阻 原子核 原子核中有质子和中 子，其中质子带正电， 中子不带电。 绕原子核高速旋转 的电子带负电。 自然界物质的电结构： 电子 正电荷正电荷负电荷负电荷 = = 原子结构中原子结构中： 原子核 导体的外层电子数很少且距 离原子核较远，因此受原子核 的束缚力很弱，极易挣脱原子 核的束缚游离到空间成为自由 电子，即导体的特点就是内部 具有大量的自由电子。 原子核 半导体的外层电 子数一般为4个，其 导电性界于导体和绝 缘体之间。 原子核 绝缘体外层电子数通常为8个， 且距离原子核较近，因此受到原 子核很强的束缚力而无法挣脱， 我们把外层电子数为8个称为稳 定结构，这种结构中不存在自由 电子，因此不导电。 1-1 电路基础知识 1-1 电路基础知识 1-1 电路基础知识 当外界电场的作用力超过原子核对外层 电子的束缚力时，绝缘体的外层电子同样 也会挣脱原子核的束缚成为自由电子，这 种现象我们称为“绝缘击穿”。绝缘体一旦 被击穿，就会永久丧失其绝缘性能而成为 导体。 1、绝缘体是否在任何条件下都不导电？ 2、半导体有什么特殊性？ 半导体的导电性虽然介于导体和绝缘体之间，但半 导体在外界条件发生变化时，其导电能力将大大增强 ；若在纯净的半导体中掺入某些微量杂质后，其导电 能力甚至会增加上万乃至几十万倍，半导体的上述特 殊性，使它在电子技术中得到了极其广泛地应用。 1-1 电路基础知识 （四）电阻(1) 电阻的定义及特性 电阻(电子的运动必然要和导体中的分子或原子发 生碰撞，使电子在导体中的运动受到一定的阻力， 导体对电子的阻碍作用，称为电阻。)，电阻用R表 示，单位是欧姆，符号“”。 1K=103、 1M=103k 电阻元件图符号 R 1-1 电路基础知识 1-1 电路基础知识 电阻(2) 导体电阻的大小决定于导体的长度，截面积和 自身材料。同一温度下，公式表示为： R=L/S 为电阻系数，单位为mm2/m； L为导体长度，单位为米（m）； S为导体撗截面积。单位为平方毫米（mm2） 电阻率一般会随温度升高而增大。康铜、 锰铜电阻率随温度变化较小,常用作标准电阻绝缘 体与导体电阻 。 常见的电阻图片 滑线电阻 磁盘电位器 珐琅电阻 电阻箱 常见的电阻图片 色环电阻 不变 不变 0 0 1-1 电路基础知识 （五）欧姆定律 1-1 电路基础知识 六、电功、电功率与热效应 1.电功 将电能转换成其他形式的能时，电流要做 功，电流所做的功叫电功。 由I = Q / t 及 U = A / Q 得：A = U Q = I U t A = I2Rt = U2 / R t 电功的单位是焦耳（J）。 1-1 电路基