《电工基础》PPT课件.ppt

第二章 电工基础知识,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：,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=103mA=106A=10-3kA,电路可以实现电能的传输、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递、存储和处理。,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.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，称为 实体电路的电路模型。,电路模型,负载,电源,开关,1-1 电路基础知识,电气设备的额定值,电气设备长期、安全工作条件下的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,IUS(RSRL),（1）通路, U=USIRS ,（2）开路, U=US , U=0 ,IUS/RS,（3）短路,1-1 电路基础知识,过负荷,一般情况不允许,断路,轻负荷,短路,通路,电路的状态,满负荷,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。,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V。,电位具有相对性，规定参考点的电位为零电位。因此，相对于参考点较高的电位呈正电位，较参考点低的电位呈负电位。,电位,求开关S打开和闭合时a点的电位值。,画出S打开时的等效电路：,b,a,d,c,c,显然，开关S打开时相当于一个闭合的全电路，a点电位为：,S闭合时的等效电路：,b,a,c,S闭合时，a点电位只与右回路有关，其值为：,d,d,电位的计算,电路如下图所示，分别以A、B为参考点计算C和D点的电位及UCD。,以A点为参考电位时,VC = 3 3 = 9 V,VD= 3 2= 6 V,UCD = VC VD = 15 V,以B点为参考电位时,VD = 5 V,VC = 10 V,UCD = VC VD= 15 V,* 电路中某一点的电位等于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：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=103mV=103KV,电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向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。,非关联参考方向,关联参考方向,实际电源上的电压、电流方向总是非关联的，实际负载上的电压、电流方向是关联的。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,在电路图上预先标出电压、电流的参考方向，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。,为什么要在电路图中预先标出参考方向？,例如,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，而电量的真实方向是以计算结果和参考方向二者共同确定的。,思考 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”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，某电压为“100V”，说明该电压实际方向与参考方向一致；“加、减”指参考方向下电路方程式中各量前面的加、减号；“相同”是指电压、电流为关联参考方向，“相反”指的是电压、电流参考方向非关联。,检验学习结果,下图电路中若选定C为参考点，当开关断开和闭合时，判断各点的电位值。,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？,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,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、半导体和导体电阻,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：,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。,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。,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,欧姆定律,U=IR,R=U/I,I=U/R,R=U/I,不变,不变,0,0,I=U/R,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 电路基础知识,2.电功率 单位时间内电流所做的功叫电功率。 P = A/t P = I U = I 2R = U2/R 电功率的单位是瓦特（W） 1 kw= 103w = 106mw P1= E I （电源的电功率） P2 = U I （负载功率）,1-1 电路基础知识,3.电流的热效应 Q = I 2 R t 焦耳（J） 这个关系式又叫愣次焦耳定律，热量Q 的单位是J。为了避免设备过度发热，根据绝缘材料的允许温度，对于各种导线规定了不同截面下的最大允许电流值，又称安全电流。,1-1 电路基础知识,电阻的串联,电阻的并联,等效电路,串联各电阻中通过的电流相同。,并联各电阻两端的电压相同。,