电的基本概念.ppt

第一章电的基本概念 第一节物质的带电 第二节电场强度与库仑定律 第三节电流与电流密度 第四节电压与电位 第五节电阻与电导 第六节电路 电动势 电工与电子技术基础 第一节物质的带电 第一章电的基本概念 第一节物质的带电 一 电荷 二 电量 正负电荷的概念 第一节物质的带电 第一章电的基本概念 一 电荷 电是物质的一种属性 一切物质都是由分子组成 分子由原子组成 原子又是由原子核和围绕着原子核旋转的电子组成 氢原子结构 铝原子结构 物质的电属性 在物理学和电工学中称做物质带有 电荷 第一节物质的带电 第一章电的基本概念 规定 原子核的电性质为 正电性 具有 正电荷 电子的电性质为 负电性 具有 负电荷 一般情况下 原子核的正电荷和它周围的电子所带的负电荷数值相等 所以物质对外界一般不显带电的性质 如果由于某种原因使物质得到或失去电子 该物质显示出带电的性质 得到电子的物质显示负电性 失去电子的物质显示正电性 第一节物质的带电 第一章电的基本概念 例如 摩擦生电 光电效应 热电效应 感应带电等 结论 1 摩擦可以使物质带电 即产生电荷 2 电荷有正 负两种 3 电荷与电荷之间有相互作用力 同性电荷相互排斥 异性电荷相互吸引 电荷守恒 电荷是一种客观存在的物质 既不能创造 也不能消失 只能从一个物体转移到另一个物体 物体失去电子后 便带正电荷 获得电子后 便带负电荷 所谓物质带电是指该物质有了多余的正电荷或负电荷 第一节物质的带电 第一章电的基本概念 二 电量 物质带电荷多少的量 用Q表示 单位是库仑 C 电荷之间存在着 静电力 即 排斥力 和 吸引力 同性电荷相互排斥 异性电荷相互吸引 第一节物质的带电 第一章电的基本概念 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 第二节电场强度与库仑定律 一 电场和电力线 二 电场强度 三 库仑定律 第二节电场强度与库仑定律 一 电场和电力线 静电力并不是两个电荷之间的直接作用 而是电场对电荷作用的结果 电场 是电荷周围存在的一种特殊的物质 它具有传递静电力和电能的特性 电场和电荷是一个不可分割的整体 只要有电荷存在 它周围的空间里就一定有电场的存在 第一章电的基本概念 带电体形成的电场能使放入电场的电荷受到力的作用 如 把微小的正电荷q放入正电荷Q形成的电场中 q将受到Q的排斥力 电场这种物质 是看不见 摸不着 但又是客观真实存在的物质 电场依据它与电荷的作用而表现它的特性 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 电力线 微小的正电荷在电场中各点受力的切线方向 电力线的性质 1 电力线的方向 由正电荷起到负电荷止 2 电力线上任何一点的切线方向 都是在该点放一个正电荷所受静电力的方向 3 电力线彼此不能相交 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 两个异性带电球体合成电场的电力线 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 孤立带电球体的电力线图 两块面积很大 距离很近 带异性电荷平行板中间部分电场的电力线 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 二 电场强度 试验电荷在电场某一点所受的电场力F与试验电荷电量Q的比值 定义为电场强度 电场强度 电场力 电荷量 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 均匀电场 电场中各点的电场强度大小相等 方向一致或电力线相互平行 均匀分布的电场 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 三 库仑定律 定律内容 在真空中两个点电荷间的作用力与它们的电量的乘积成正比 与它们间的距离的平方成反比 作用力的方向在它们的连线上 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 用公式表达库仑定律 静电力 比例常数 点电荷1的电量 点电荷2的电量 点电荷间的距离 如果两个电荷为同性 则F为正 表示两电荷相互排斥 如果两个电荷为异性 则F为负 表示两电荷相互吸引 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 如果两个电荷处于真空中 则 为便于计算 常将K写成 则库仑定律为 电介质的介电系数 真空的介电系数 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 某一物质的介电系数与真空介电系数的比值叫相对介电系数 用表示 即 库仑定律可另写成 几种常用物质的相对介电系数 相对介电系数 电介质 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 例题 解 根据库仑定律 答 这两个电荷相互排斥力为0 9牛顿 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 例题 解 由库仑定律可得到 因为 所以 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 则 第二节电场强度与库仑定律 第一章电的基本概念 又因为 第三节电流与电流密度 第一章电的基本概念 第三节电流与电流密度 一 导体中的电流 二 电流密度 一 导体中的电流 电流 电子有规则地定向移动 1 电流的定义 单位时间内通过导体某一横截面的电荷量 称为电流强度 简称为电流 I 电流 A 电量 C 时间 s 电流的单位 第三节电流与电流密度 第一章电的基本概念 单位换算 2 电流的方向 规定正电荷移动的方向为电流的正方向 电流的方向 图中正电荷由A到B 则IAB为正 IBA为负 IAB IBA 电流的正方向选定以后 就要按此方向进行计算 结果如果是正值 则说明假定方向与实际方向相同 否则 说明实际方向与假定方向相反 第三节电流与电流密度 第一章电的基本概念 直流电 电流的方向不随时间的变化而变化的电流 脉动直流电 交流电 I i 电流的方向不变 大小有节奏地变化的电流 电流的方向随时间的变化而变化 正弦交流电 电流的大小和方向随时间按正弦规律变化 第三节电流与电流密度 第一章电的基本概念 二 电流密度 导体单位截面通过的电流叫做电流密度 电流强度 安 导体截面积 平方毫米 电流密度 安 平方毫米 同一电流通过导体 导体截面积越小 则电流密度越大 导体的电流密度越大 则导体产生的热量就越大 第三节电流与电流密度 第一章电的基本概念 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 第四节电压与电位 一 电压 二 电位 三 等位体与静电屏蔽 第四节电压与电位 直流电压与电动势 第一章电的基本概念 电荷在均匀电场中的移动 一 电压 电荷在电场力的作用下 电荷沿着力的方向移动一段距离 那么电场力就对电荷做了功 电荷在电场中要受到电场力的作用 在电场力的作用下 电荷Q沿着电力线的方向从C点移到D点 这时电场力做的功为 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 电场力移动电荷从C点到D点所做的功 C D点两点之间的距离 当电场强度一定时 电荷量Q越大 把它从C点移到D点所做的功WCD就越大 电压 单位正电荷在电场力的作用下 从电场的一点移动到另一点时电场力所做的功 叫做这两点间的电压 电场中C D两点间的电压 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 电压的单位 单位换算 电场强度的单位 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 二 电位 指定一点O为参考点 而把电场中任意点A与参考点之间的电压UAO称为该点的电位 用字母VA表示 参考点的电位为零 参考点可以任意选取 但在同一系统中 只能选一个参考点 在工程技术上 一般选大地作为参考点 在汽车和工程机械上一般选公共搭铁端作为参考点 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 高于参考点的电位是正电位 低于参考点的电位是负电位 单位与电压相同 也是V 电路中任意两点间的电压就等于两点间的电位之差 所以电压又称为电位差 计算电位时 对于电阻而言 顺着电流的方向电位降低 逆着电流的方向电位升高 对于电动势 顺着电动势的方向 电位升高 逆着电动势的方向电位降低 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 结论一 参考点改变 各点的电位随之改变 即各点的电位与参考点的选择有关 结论二 不管参考点如何变化 两点间的电压 电位差 是不变的 即电位差与参考点的选择无关 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 例题 在图示中 设UCO 3V UCD 2V 如分别取C点和O点作参考电位点 求C D O三点的电位 解 1 取O点为参考点电位 即VO 0 因为 UCO VC VO 所以 VC UCO VO UCO 0 UCO 3V 又因为 UCD VC VD 所以 VD VC UCD 3 2 1V 2 取C点为参考点电位 即VC 0 因为 UCO VC VO 所以 VO VC UCO 0 UCO 3V 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 又因为 UCD VC VD 所以 VD VC UCD 0 2 2V 可见 参考点改变了 各点的电位值也改变 但在静电场中 不管参考点如何改变 任意两点间的电位差是不变的 如求UDO的值 当以O点为参考点时 UDO VD VO 1 0 1V 当以C点为参考点时 UDO VD VO 2 3 1V 电位是相对值 随参考点的改变而改变 电位差是绝对值 不随参考点的改变而改变 结论 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 三 等位体与静电屏蔽 图a为一个具有电场强度为的静电场 将一段金属导体放入电场中 金属导体的左边感应出负电荷 自由电子移向左边 而右边则出现等量的正电荷 这样产生了相反的电场 因为金属内部有大量的自由电子 这个因感应而出现的反电场 最终能把原电场 抵消 而达到静电平衡 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 因此 在金属内部电场的作用就消失了 金属导体把原电场分成了两部分 处在静电场中的金属导体内部无电场 由于导体中不存在电场 则任意两点之间就不会有电位差 所以金属导体是一个等位体 在静电平衡状态下 导体内部无电场 该原理对空腔导体同样适用 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 c 静电屏蔽 导体挖成空心柱体放入电场 柱体内部不会受到外电场影响的现象 在实际生活中 经常应用静电屏蔽的原理使某一设备免受外来电场的影响 如将电器放在金属壳内 外电场便作用不到这个电器 在房间内设置静电屏蔽 手机便失去与外界的信号传输 由于金属壳在电场中有一定电位 为防止外电场变动时 金属壳的电位发生变动 须将金属壳接地 第四节电压与电位 第一章电的基本概念 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 第五节电阻与电导 一 电阻 二 电导 三 电阻与温度的关系 第五节电阻与电导 电阻 第一章电的基本概念 电阻器 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 一 电阻 换算关系 电流流过电阻时受到的阻力 称之为导体的电阻 R或r 单位 欧姆 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 电阻的计算 导体的电阻 欧姆 导体的截面积 平方米 导体的电阻系数 电阻率 欧 米 导体的长度 米 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 在时长1米而截面积是1平方毫米的导线的电阻值 几种常用材料的电阻系数 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 例题 解 查表得 时铜的电阻系数 由已知的导线直径可求出它的面积 再由计算电阻的公式求出导线的长度 今有一台三相感应电动机 它的定子绕组采用直径为1 16毫米的漆包线制成 每相绕组在时的电阻值为1 64欧 问每相绕组的导线长度是多少米 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 例题 解 有一条直流线路 长500米 原来用截面积为20平方毫米的橡皮绝缘铜线进行连接 若打算以铝线代替铜线 但导线的电阻值不能改变 试求铝导线的截面积 先计算出原来铜线的电阻值 改用铝线后 根据标准线径 可以选的铝线 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 二 电导 导体的电阻越小 电导就越大 电导大说明导体的导电性能良好 但事实上 电阻和电导是同一事物的两种表示方法 并不是导体在本质上起了什么变化 单位 西门子 简称西 S 电阻系数的倒数叫做电导系数 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 三 电阻与温度的关系 导体的电阻不但与长度 截面积 材料有关 而且与导体的温度有关 一般金属材料 当导体的温度升高时 电阻值增加 碳 电解液及大多数半导体 随温度升高 电阻值下降 康铜 锰铜等电阻温度系数很小的合金材料 其电阻值 随温度的升高变化不大 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 温度为t1时导体的电阻 欧姆 温度为t2时导体的电阻 欧姆 电阻温度系数 1 度 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 电阻温度系数 电阻值为1的导体材料 温度变化1其电阻的变化值 查表得到康铜的电阻温度系数 依据公式 得 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 例题 有一台电动机 绕组为铜线 在室温为26时测得电阻为1 25欧 加额定负载运转3小时后 测得的电阻增加到1 5欧 问此时电动机绕组线圈的温度是多少 解 由题目可知 由于超导体内没有电阻 有极良好的导电性能 可以认为没有电能的发热损耗 所以电流产生之后 虽然没有外加电场 电流也能长时间维持下去 但当电流强度达到一定极限时 超导性能就要消失 所以超导现象不仅与临界温度有关 而且还与临界电流等因素有关 超导是一门新兴技术 其理论和实践还处于研究开发阶段 第五节电阻与电导 第一章电的基本概念 某些金属材料的电阻随着温度的下降而不断地减小 当温度降到一定值 称为临界温度 以下时 其电阻值突然为零 这种现象叫做超导 电 现象 电阻为零的导体称为超导体 其中铅 铝 锡 水银和钶属于超导物质 第六节电路 电动势 第一章电的基本概念 第六节电路 电动势 一 电路的概念 二 电动势 第六节电路 电动势 直流电压与电动势 第一章电的基本概念 一 电路的概念 电路就是电流所流经的路径 组成 电源 把其他形式的能转换成电能的装置 如发电机 电池等 负载 把电能转换成其他能量的设备 如电炉 电动机等 联接导线 传输电能 连接电路中的器件 辅助设备 控制电路中的电气设备 开关 保险装置 接线端子等 电路 第六节电路 电动势 第一章电的基本概念 电路图 用国家或国际电工技术标准统一规定的图形符号绘制的图形 电路图只反映电路中各电器元件在电气方面相互联接的实际情况 不反映电路的几何尺寸 也不反映设备的具体结构和位置 电路中有持续的电流须具备两个条件 1 电路要形成闭合回路 2 电源两端要有电压 第六节电路 电动势 第一章电的基本概念 二 电动势 电动势 在电源力的作用下 单位正电荷从电源的负极经过电源内部移到正极所做的功 E 单位 伏特 V 在电源力作用下 自由电子从C端向D端移动 D端聚集负电荷 C端聚集正电荷 在电源力的作用下 正负电荷