初级电工培训教案.doc

电工基础知识第一节 电路的组成和基本物理量教学的重点：1了解电路的组成2了解电路的基本物理量的含义及其计算教学的难点：电路状态在实际工作中的判定；电路各物理量的含义及其计算应用。教学方法：讲授法、讨论法、启发式。 一、电路 电流经过的路径称为电路，最简单的电路由电源、负荷导线和开关组成。电源是将其他形式的能量转换成电能的装置，负载是将电能转换成其他形式能量的设备和器件，般称为用电器。连接导线起传输和分配电能的作用。 电路可用原理接线图来表示，如图2l所示。 有时为了突出电路的本质和进一步简化，把图2l所示原理接线图画成常用的如图22所示的样子。 电路有外电路和内电路之分。从电源一端经负载再回到电源另一端的电路称为外电路。电源内部的通路称为内电路。 电路通常有三种状态： 1通路 通路就是电路中的开关闭合，负荷中有电流流过。在通路状态下，根据负荷的大小，又分为满负荷、轻负荷、过负荷三种情况。负荷在额定功率下的工作状态叫满负荷；低于额定功率的工作状态叫轻负荷；高于额定功率的工作状态叫过负荷。由于过负荷很容易损坏电器，所以一般情况下都不允许出现过负荷。 2短路 如果电源或负荷的两端被导线直接接通，此种状态叫做短路。短路时电路中的电流会远远超过正常值，可能造成电气设备过热。甚至烧毁，严重时会引起火灾。同时，过大的短路电流将产生很大的电动力，也可能损坏电气设备。 3断路 把电路中的开关断开或因电路的某一部分发生浙线，使电路不能闭合，此种状态称为断路。断路状态下电路中无电流，负荷不能运行。 二、基本物理量 （一）电流与电流强度 1电流的概念 当合上电源开关的时候，灯泡会发光，电动机会转动。这是因为灯泡和电动机中有电流通过的缘故。电流虽然用肉眼看不见，但是可以通过它的各种表现（如灯亮、电机转动）而被人所觉察。 电流就是在一定的外加条件下（如接外电源）导体中大量电荷有规则的定向运动。规定以正电荷移动方向作为电流的正方向。如图23所示在AB导线中电子运动方向是由A向B，电流的方向则是由B向A。 （二）电压与电动势 1电压 如果想要知道蓄电池是否有电，可以用伏特表去量一量，也可以用导线把小电珠接到电池的两极之间（如图24所示）。如果伏特表有指示或小电珠发光我们就知道电池有电压，也就是通常所说“有电”。 图25所示A和B表示负载两端，电流的方向由A流向B，负载灯泡发光，说明电流通过灯丝时产生热和光。为了表示电流强度与做功的本领，引入一物理量电压UAB： 其中Q为由A端移动到B端的电荷电量，单位：库仑。A为电场力对电荷所做的功，单位：焦尔。电压的单位是伏特（V）。计算微小电压时则用毫伏（mV）或微伏（V），高电压时则用千伏（kV）。 2电动势 电动势是衡量电源转换本领的物理量。定义为：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，称为该电源的电动势，用符号E表示，即： 其中E为电源电动势，单位是伏特。A外力所做的功，单位为焦尔。q为外力分离电荷电量，单位库仑。 电动势和电压的单位虽相同，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。而电动势是由低电位指向高电位，是电位升高的方向。图27给出了电源的几种画法及电动势和端电压的方向。再次，两者存在方式不同。电压既存在电源内部也存在于电源的外部，电动势仅存在于电源的内部。 （三）导体、绝缘体与导体电阻 1导体 能够传导电流的物体导体。常用的导体是金属，如银、铜。铝等。金属中存在着大量的自由电子。当导体与电源接成闭合回路时，这些自由电子就会在电场力的作用下朝一定方向运动形成电流。 2绝缘体 能够可靠地隔绝电流的物体叫做绝缘体。如橡胶、塑料、陶瓷、变压器油、空气等都是很好的绝缘体。导体和绝缘体并没有绝对的界限，在一般状态下是很好的绝缘体，当条件改变时也可能变为导体。例如干燥的木头是很好的绝缘体，但把木头弄湿后，它就变得容易导电了。 3电阻 在导体两端加上电压，导体中就会产生电流。从物体的微观结一来说，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阻力，导体对于电流的阻碍作用，称为电阻。 不同材料的导体，对电流的阻碍作用也是不尽相同的。有的导体电阻很小，则表示它的导电能力好；有的导体电阻很大，则表示三的导电能力差。电阻用R表示，单位是欧姆，其符号为“”。常用的单位还有千欧（k）和兆欧（M）。 1k1000 1 M1000 k 导体电阻的大小决定于导体的长度、横截面积和自身的材料。在同一温度下，导体的电阻与导体横截面积成反比，与导体长度成正比。用公式表示为：式中：为电阻系数，L为导体长度，S为导体横截面积。 （四）欧姆定律 1部分电路欧姆定律 图29是不含电源的部分电路，当在电阻R两端加上电压U时，电路中有电流流过。当电阻R不变，如果电压U发生变化，则流过电阻的电流也随着变化。流过导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比，称为部分电路欧姆定律，其数学表达式为： 2全电路欧姆定律 全电路是指含有电源的闭合电路，如图210所示。虚线框内R0表示电源内电阻。 当开关S闭合后，电路中有电流流过，当电流流过电源内部5：，在内阻上产生了电压降U0，这样电阻R两端的电压U就不等于电源电动势，而应该等于电源电动势减去内部电压降U0，即上式表明：在一个闭合电路中，电流强度与电源电动势成正比，与电路中内电阻和外电阻之和成反比，这一定律称全电路欧姆定律。 3.电流的热效应 电流通过导体时产生的热量和电流值的平方、导体本身的电阻值以及电流通过的时间成正比。用公式表达就是： Q=I2Rt 这个关系式又叫愣次焦耳定律，热量Q的单位是J。为了设备过度发热，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。小结与思考题：1电路的组成及其状态特征2电路的基本物理量的含义及其计算思考题见教材56页中复习题第二节 串联与并联电路教学的重点：1了解简单电路的连接形式2了解串、并电路的特点及其计算教学的难点：简单电路的化简；串、并电路的特点及其计算。教学方法：讲授法、讨论法、启发式。直流电阻电路按复杂程度不同，可以分为简单直流电阻电路和复杂直流电阻电路。简单直流电阻电路又可以分为电阻串联电路和电阻并联电路。一.电阻串联电路电阻串联电路有如下一些特点：（1）电路的总电流等于流过各电阻的电流。 （2）电路的总电压等于各电阻两端电压之和。（3）电路的总等效电阻等于各电阻之和。（4）电路中各电阻两端的电压与电阻的阻值成正比，即阻值大的电阻，其两端的电压也大，阻值小的电阻，其两端的电压也小，这种关系称为分压关系。 （5）电路中各电阻消耗的功率与电阻的阻值成正比。这表明阻值大的电阻消耗的功率多，阻值小的电阻消耗的功率少。（6）电路中消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和。二. 电阻并联电路电阻并联电路有如下特点：（1）电路的总电流等于流过各电阻的分电流之和。（2）电路的总电压等于各电阻两端的电压。（3）电路总电阻的倒数等于各电阻倒数之和。（4） 电路中流过各电阻的电流与电阻的阻值成反比，即阻值大的电阻流过的电流小，阻值小的电阻流过的电流大，这种关系称为分流关系。 （5）电路中各个电阻消耗的功率与阻值成反比，表明阻值大的电阻消耗的功率少，阻值小的电阻消耗的功率多。（6）电路中消耗的总功率等于各电阻消耗功率之和。三.电阻混联电路既有电阻串联，又有电阻并联的电路，称为电阻混联电路。1. 混联电路分类 电阻混联电路可分为两大类：(1) 能用电阻串、并联的方法简化为无分支回路的电路，称为简单直流电阻电路。(2) 不能用电阻串、并联的方法简化为无分支回路的，称为复杂直流电阻电路。2. 电阻混联电路的简化简单直流电阻混联电路最终可以简化成无分支回路的电路形式。 常用的一种简化电路的方法是先利用电流的分、合关系，把电路转化为容易判断的串、并联形式，然后再等效变化为最简的无分支回路形式。 小结与思考题：1简单电路的连接形式与简化2串、并电路的特点及其计算思考题见教材56页中复习题第三节 交流电路教学的重点：1了解正弦交流电的基本概念及其三要素2了解三相电路的特点与三相功率的计算方法教学的难点：正弦交流电的三要素与三相电路联接的特点教学方法：讲授法、讨论法、启发式。交流电是指大小和方向都随时间发生变化的电流或者电压。正弦交流电是生产生活中使用最广泛的一种交流电。一. 正弦交流电的基本概念1. 正弦交流电正弦交流电是指大小和方向随时间按正弦规律发生变化的电流或者电压。下图为正弦交流电流i和正弦交流电压v的波形图，它们反映了正弦交流电随时间变化的规律。 正弦交流电压和正弦交流电流波形图2. 正弦交流电三要素一个正弦交流电可以由三个物理量来描述，即振幅（Vm或Im）、频率（或f）及初相（o），常称它们为交流电的三个要素。1）正弦交流电的振幅正弦交流电的电压振幅用Vm 表示，电流振幅用Im表示，它们是正弦交流电在变化过程中的电压最大值及电流最大值。正弦交流电压的有效值用V表示；正弦交流电流的有效值用I表示，它们与最大值的关系为： 2）正弦交流电的频率正弦交流电每变化一次所经历的时间，称为正弦交流电的周期，用T表示，单位为秒（s）。正弦交流电在一秒钟内变化的次数，称为正弦交流电的频率，用f表示，单位为赫兹（Hz）。周期和频率都是表示交流电变化快慢程度的物理量，它们互成倒数关系，即： 或 除了周期和频率之外，还有一个表示正弦交流电变化快慢程度的物理量，称为角频率，用表示，单位为弧度每秒（rad/s），它与频率的关系为： 3）正弦交流电的初相正弦交流电函数表达式中的o就是正弦交流电的初相，其单位为弧度（rad）或者度。3. 正弦交流电的表示方法正弦交流电有三种常用的表示方法：1）解析式（函数式）表示法2）波形图表示法3）相量图表示法 二. 三相正弦交流电的特点(1) 各相正弦交流电的频率都相同；(2) 各相正弦交流电的最大值都相同；(3) 各相正弦交流电的相位互差120，它们的解析式分别为： (4) 任何时刻各相正弦交流电的和为零，即： 三. 三相正弦交流电的联接1. 电源的联接方式及特点三相发电机三个绕组的末端联接在一起，称为中点或零点，用N表示。三个绕组的始端U、V、W分别向外输出三相正弦交流电动势。电源的这种联接方式，称为星形联接。三相电源作星形联接向外传输正弦交流电时，有两种不同的传输方式：三相四线制、三相三线制。 三相四线制 三相三线制在三相四线制中，火线与零线之间的电压，称为电源相电压。火线与火线之间的电压，称为电源线电压。实际低压线路中，电源相电压的有效值为220V，电源线电压的有效值为380V，即电源线电压的有效值为电源相电压的有效值的倍。2. 负载的联接方式及特点三相电源在给负载供电时，负载有星形联接和三角形联接两种方式。在负载的星形联接方式中，负载相电压等于电源相电压。 在星形联接中，三相负载对称时，中线电流为零，即中线上没有电流。值得注意的是，当三相负载不对称时，中线电流不为零，中线不可以省去，否则会烧毁电源或负载。在负载的三角形联接方式中，负载的相电压和电源线电压相等。 四.三相功率三相电源在给负载供电时，负载不论是星形联接或是三角形联接它所消耗的总的有功功率必定等于各相有功功率之和，即小结与思考题：1正弦交流电的基本概念及其三要素2三相电路的特点与三相功率的计算方法思考题见教材56页中复习题第四节 电磁感应教学的重点：1了解磁场及其基本物理量的含义2了解电磁感应和电感和自感、互感现象教学的难点：法拉第电磁感应定律与楞次定律的含义与应用教学方法：讲授法、讨论法、启发式。一.磁场及其基本物理量（一） 磁场和磁力线 磁场可以用磁力线形象地描述它的大小和方向。（二）电流的磁场自然界中除磁铁能产生磁场外，电流也能产生磁场，这种现象称为电流磁效应。直导线中的电流产生的磁场的方向可以用安培定则来判定：用右手握住直导线，大拇指伸直指向电流方向，四指所指方向就是磁场方向。环形导线中的电流产生的磁场方向也可以用安培定则来判定：用右手握住环形导线，四指指向电流方向，大拇指伸直所指的方向就是磁场方向。（三） 磁场的基本物理量1. 磁感应强度磁感应强度是衡量磁场大小和方向的物理量，用B表示，单位为特斯拉（T），简称特。大小和方向都相同的磁场称为匀强磁场。2. 磁通假设在一个匀强磁场中有一个与磁场方向垂直的平面，磁场的磁感应强度为B，平面的面积为S，那么磁感应强度与面积的乘积，称为穿过这个面的磁通，用表示，即： 磁通的方向和产生它的磁场方向相同。（四）磁场对电流的作用力磁场对处在其中的电流能产生力的作用。在一个磁感应强度为B的匀强磁场中，有一段长度为l，并有电流I流过的导体，设导体与磁场方向的夹角为，这段导体会受到磁场对它的一个作用力F，且： 二.电磁感应（一）电磁感应现象穿过闭合回路的磁通发生变化，闭合回路中就会产生电流，如果回路开路，就会在开路的两端之间产生电动势，这种现象称为电磁感应现象，在电磁感应现象中产生的电流称为感生电流，产生的电动势称为感生电动势。（二）感生电流的方向感生电流的方向可以用楞次定律来判定。楞次定律的内容为：感生电流的方向，总是使感生电流产生的磁场阻碍引起感生电流的磁通的变化。导体切割磁力线时产生的感生电流的方向，还可以用右手定则来判定：展平右手手掌，四指并拢，大拇指与四指垂直，然后让磁力线穿过掌心，大拇指指向导体运动方向，四指所指就是感生电流的方向。（三）法拉第电磁感应定律与楞次定律回路中感生电动势的大小与穿过回路的磁通的变化率成正比，即磁通变化越快，回路产生的感生电动势就越大；磁通变化越慢，回路产生的感生电动势就越小。这种规律称为法拉第电磁感应定律，它的表达式为： （四）自感和互感现象1. 自感现象由于线圈自身的电流变化而产生的电磁感应现象，称为自感现象。自感现象中产生的感生电动势称为自感电动势，它总是阻碍电路中原电流的变化。电感表示了线圈通过单位电流时产生的自感磁链，即： 常用的电感单位及它们之间的换算关系如下：1H = 103mH（毫亨）， 1mH = 103H（微亨）， 1H = 106H由法拉第电磁感应定律可以证明，线圈在自感现象中产生的自感电动势E的大小与线圈电流的变化率（I/t）、线圈的电感L成正比，即： 2. 互感现象互感磁链在线圈中也会产生电磁感应现象，称为互感现象。在互感现象中产生的感生电动势，称为互感电动势。线圈在产生互感时，各线圈的某一端的感生电动势的极性总是相同的，这些极性相同的端子称为同名端。在电路图中，用 “ ”来标记互感线圈的同名端。（五）涡流效应 绕在铁心上的线圈通入交流电流时，铁心内部就会产生很大的感生电流，称为涡流，这种现象称为涡流效应。 由于涡流效应产生的感生电流很大，把大量的电能转化成了热能，一般情况下，这是一种电能的损耗，称为涡流损耗。为了减少损耗，一方面可以把铁心沿平行磁场的方向切割成很多的薄片，并使它们彼此绝缘；另一方面，可以采用电阻率大的金属材料作铁心（如硅钢等）。小结与思考题：1磁场及其基本物理量的含义2电磁感应和电感和自感、互感现象思考题见教材56页中复习题第五节 电子技术常识教学的重点：1了解半导体构成PN结的特性2了解二极管与三极管的结构、伏安特性、主要参数、测试及其应用教学的难点：二极管与三极管的伏安特性及其在电路中的作用和应用。教学方法：讲授法、讨论法、启发式。1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。1.1.2 本征半导体本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电1.1.3 杂质半导体N 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成。也称为（电子半导体）。P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟)而形成，也称为（空穴半导体）。杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但 由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。 自由电子为多子 空穴是多子1.2 PN 结1.2.1 PN结的形成与特性一、PN结的形成1.什么叫PN结？在N型半导体和P型半导体交界面处形成的带电薄层。又称空间电荷区、阻挡层、势垒区。2. PN结的形成过程是电子和空穴不断运动的综合结果。多子扩散 建立内电场（空间电荷区） 阻扩散生漂移(少子) 动态平衡 扩散数=漂移数 空间电荷区宽度一定PN结形成了二、PN结