电工学基础.ppt

电工学基础 一 电与生活 电与我们的生活息息相关 我们的学习和生活离不开电 随着科学技术的迅猛发展 电子技术 信息技术 空间科技 生物工程 新能源和新材料等 正把人类带进一个崭新的高科技时代 这些高科技技术的发展离不开电 现代家庭的厨房里 有多少电器呀 电子技术控制的现代温室 二 直流电 一 电路及电路图 1 电路定义 电流通过的路径 电路图定义 为了绘图方便和便于分析 国家规定了各种电气元件的图形符号 用图形符号画成的图称为电路图 实物构成的电路电路模型手电筒就是最简单的一种电路 它由干电池 小电珠 连接导体 金属筒体 和开关组成 2 电路基本组成 1 电源 提供电能或信号的装置 如发电机 电池和各种信号源 2 负载 即用电设备 将电能或电信号转变成非电形式的能量或信号 如电炉将电能转变为热能 电动机将电能转变为机械能 电解槽将电能转变为化学能等 3 连接导线 用来传输电能和传递电信号 4 控制设备此外 电路还有仪表 变换器和保护装置等设备 3 电气元件与图形符号 二 电流 1 定义 电荷有规则的定向移动 水流和电流的类比 水轮机 水流 水流通过水轮机 能使水轮机转动起来 灯泡发光说明有电流流过灯泡 演示实验 电池的节数对灯泡亮度的影响现象 电池越多的电灯越亮说明 电流也有强弱之分 2 电流强度 简称电流 1 物理意义 表示电流的强弱2 符号 i3 单位 国际单位安培 安 a常用单位毫安 ma 微安 a 4 换算关系 1a 103ma1ma 103 a5 计算 对于恒定电流来说 若以q表示在时间t内通过导体截面上的总电量 i可用下式表示 i q t 6 分类 直流电 交流电直流电流 凡方向不随时间变化的电流稳恒电流 大小和方向不随时间变化的电流交流电流 凡大小和方向都随时间变化的电流电流是有方向的 习惯上规定正电荷运动的方向为电流的方向 常见的电流 计算器100 a 手电筒200ma 房间灯泡0 2a 半导体音机50ma 电饭煲3 2 4 5a 家用电冰箱1a 闪电 2 20 104a 三 电压 电位和电动势 这些数据代表什么 电压 1 电压 水力发电厂是利用水坝高处的水流经水轮机时释放的能量而做功发电的 电荷在电场中运动也要作功 释放的能量就是灯泡发热发光的能量来源 1 电压 电压差 是衡量电场力做功大小的物理量 用u表示 2 uab在数值上等于电场力将单位正电荷由a点移至b点所做的功 uab wab q 3 电压的单位是伏特 简称伏 符号是v 千伏 kv 毫伏 mv 1kv 103v1mv 10 3v 4 电压方向 用双下标表示 前一个下标代表正电荷运动的起点 后一个代表终点 方向则由起点指向终点 在电路图中 电压的方向也称作电压的极性 用 表示 常见的电压值 1节干电池 v 1 5 家庭电路 v 220 高压输电110kv v 1 1x105 闪电 v 104 109 对人体安全的电压不高于36v 电子手表用氧化银电池两极间的电压1 5v 2 电位 在电路中 两点之间的电压也称为两点之间的电位差 即uab va vb式中 va为a点的电位 vb为b点的电位例 a点的电位即a点相对于参考点的电压 一般参考点的电位规定为0v 通常选大地为参考点 3 电动势 定义 指电源力移送单位正电荷从负极到正极的过程所做的功 用e表示 方向 规定为在电源内部由负极板指向正极板 与电源两端电压方向相反 大小 在外部不接负载时 电源两点电压大小等于电动势的大小 e wab q 四 电能和电功率 1 电能我们制造各种不同的用电器 目的就是把电能转化为我们能直接利用的能量 如 电壶 是为了把电能转化为热能 电扇 是为了把电能转化为风能 动能 等 电源提供电能 用电器消耗电能 通常所说的用电 指取用电荷所携带的能量 电能计算 w uit单位 焦耳 j 在电力电路中 常采用kw h 千瓦 时 为电能单位 1千瓦 时俗称度 等于3 6 106j 电能表俗称电度表 电能表 用来测量电路消耗电能的仪表 感应式 2 4 a 电能表能持续工作时的最大电流为2a短时间内允许通过的最大电流为4a 50hz 表示电能表在50hz的交流电中使用 3000r kw h 表示每消耗1kw h 度 的电能 转盘转动3000r 示数 整数 一位小数例 145 5kw h 220v 表示电能表适用的额定电压为220v 2 电功率 在某段时间内 电路中产生或损耗的电能与该段时间的比称为电功率 用p表示 p w t或p ui3 电气设备的额定值额定电流 为了保证设备长期运行安全 各种电气设备都规定了正常工作条件下最大允许电流的数值 用in表示 额定电压 很多电气设备给出了正常工作条件下允许电压的最大值 记为un 如灯泡上标有 220v 60w 等 如果超过额定电压工作 可能因电流过大而影响使用寿命 标注的60w就是额定功率 记为pn 电气设备的额定电流 额定电压 额定功率及其他规定值 如电机的额定转速 额定转矩等 称为电气设备的额定值 额定值通常标在设备的铭牌上 所以也称铭牌值 额定值是按一定的运行条件而确定的 如电力变压器是按环境温度40 设计的 如果环境温度高于40 运行时则要降低额定电流 五 电阻和欧姆定律 1 电阻 1 意义 反映导体对电流起阻碍作用大小的一个物理量 用r或r表示 2 单位 欧姆 用 表示 3 符号 4 决定电阻大小的因素 材料性质 几何尺寸和导体温度等 不同材料的导体电阻不同 导电性能越强的材料 电阻越小 导线越长 电阻越大 导线横截面积越小 电阻越大 2 欧姆定律 1 一段电路的欧姆定律u ir 2 全电路欧姆定律 在一个闭合电路中 电流强度与电源电动势成正比 与整个电路的电阻成反比 全电路就是含电源的闭合的直流电路 乔治 西蒙 欧姆生于德国埃尔兰根城 欧姆是一个很有天才和科学抱负的人 他长期担任中学教师始终坚持不懈地进行科学研究 自己动手制作仪器 欧姆对导线中的电流进行了研究 他于1826年发表了实验结果 1827年欧姆又在 电路的数学研究 一书中 对欧姆定律做了概括 欧姆定律发现初期 许多物理学家不能正确理解和评价这一发现 他遭到怀疑和尖锐的批评 直到1841年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌 才引起德国科学界的重视 欧姆在自己的许多著作里还证明了 电阻与导体的长度成正比 与导体的横截面积和传导性成反比 在稳定电流的情况下 电荷不仅在导体的表面上 而且在导体的整个截面上运动 人们为纪念他 将测量电阻的物理量单位以欧姆的姓氏命名 乔治 西蒙 欧姆 六 串并联电路1 串联电路 如左图 把两只小灯泡 顺次连接在电路里 一只灯泡亮时另一只灯泡也亮 像这样把几个元件依次首尾连接起来的电路 称串联电路 串联电路的特点 电流只有一条路径 开关在任何位置都能控制整个电路 流过每个电阻的电流相等 总电压等于分电压之和 u u1 u2 u3 总电阻等于分电阻之和 r r1 r2 r3 各电阻分得的电压 功率均与其阻值成正比 2 并联电路 如图 把两只灯泡并列地接在电路中 像这样把几个元件的一端连在一起 另一端也连在一起 然后把两端接入电路的方式 称并联电路 并联电路的特点 电路有若干条通路 干路开关控制所有的用电器 支路开关控制所在支路的用电器 各用电器相互无影响 并联电路中 每一元件两端的电压都是相同的 总电阻r与所有元件电阻的关系为 1 r 1 r1 1 r2 1 r3 并联电路中 干路电流等于各支路电流之和 家中的用电器是如何连接的 七 电流的热效应 1 电流的热效应电流通过导体会产生热的现象 2 产生过程电流通过导体时 克服导体电阻的阻碍作用而对电阻做功 促使导体分子的热运动加剧 从而将电能变成热能 使导体的温度升高 3 焦耳 楞次定律q i2rt 4 应用白炽灯 电热毯 电焊及电路中的熔断丝等5 不利方面温度过高 会加速绝缘材料的老化变质 如橡皮硬化 漆包线的漆层脱落等 引起漏电或线圈短路 甚至引发火灾 烧坏设备 三 交流电 目前 无论是生产用电还是生活用电 绝大部分都应用交流电 交流电被广泛采用的主要原因 一是交流电压易于升高和降低 这样便于高压输送和低压使用 二是交流电动机比直流电动机性能优越 使用方便 因而 发电厂发的电都是交流电 即使在需要直流的地方 往往也是将交流电通过整流设备变换为直流电 一 交流电定义 大小和方向都随时间做周期性变化的电动势 电压和电流分别称为交变电动势 交变电压和交变电流 统称为交流电 以文字符号 ac 或图形符号 表示 二 分类正弦交流电 非正弦交流电通常用的交流电是按正弦规律作周期性变化的 称为正弦交流电 按其他规律变化的交流电称为非正弦交流电 如脉冲 交流方波 三 交流电周期 频率和角频率 1 周期正弦量变化一次所需的时间称为周期t 2 频率交流电每秒内变化的次数称为频率f 单位赫兹 频率是周期的倒数 f 1 t在我国和大多数国家规定电力标准频率为50赫兹 习惯称工业频率 工频 3 角频率交流电在1s内变化的电角度 2 f 四 瞬时值 最大值和有效值 1 瞬时值交流电在某一时刻的大小 2 最大值最大的瞬时值 称为最大值 也称为幅值 表征交流电的变化范围 3 有效值有效值根据交流电的热效应确定的 交流电路i通过电阻r在一个周期内所产生的热量和直流电路i通过同一电阻r在相同时间内所产生的热量相等 那么这个直流电流i的数值叫做i的有效值 通常所说的交流电的大小是指他们的有效值 交流电流表 交流电压表的读数指的是有效值 交流电器铭牌上的额定电流 额定电压或电动势的数值如无特别说明 均指有效值 通常所说的交流电压220v就是指有效值 其最大值 2u 2 220 311 v 四 常用电工仪表 一 电压表 伏特表 1 作用 测量电路电压 表盘上注有 v 测 1v的电压时 用毫伏表 mv 测 1000v的电压时 用千伏表 kv 2 分类 交流电压表 直流电压表3 连接方式 与被测量的元件或电路并联 原理 并联电路中各支路两端的电压相等 4 连接 电流从 接线柱接进 从 接线柱接出 接反 会使电压表指针反偏 碰弯指针损坏电压表 5 量程选择 待测电压值不能超过电压表的量程 并且尽量使读数准确 超过量程 烧坏电压表 在不超过量程的前提下 用量程越小的电压表测量准确度越高 6 读数 使用前调零 有偏差 调节表盘上的调零旋钮 使指针指零刻度 二 电流表 1 作用 测量电流强度 表盘上注有 a 测 1a的电压时 用毫安表 ma 测 1000a的电压时 用千安表 ka 2 分类 交流表 直流表 交直流两用表3 连接方式 与被测量的元件或电路串联 原理 串联电路中电流相等 4 连接 电流从 接线柱接进 从 接线柱接出 接反 会使电压表指针反偏 碰弯指针损坏电压表 5 量程选择 待测电流值不能超过电流表的量程 并且尽量使读数准确 超过量程 烧坏电流表 在不超过量程的前提下 用量程越小的电流表测量准确度越高 6 读数 使用前调零 有偏差 调节表盘上的调零旋钮 使指针指零刻度 根据所使用的量程确认刻度盘上每一大个和小格各表示的电流值 测量值 大格电流值 小格的格数 每小格所表示的电流值 电流表与电压表使用注意点的比较 三 万用表 1 作用 能测量电流 电压 电阻 还可以测量三极管的放大倍数 2 工作原理 利用一只灵敏的磁电式直流电流表 微安表 做表头 当微小电流通过表头 就会有电流指示 但表头不能通过大电流 所以必须在表头上并联与串联一些电阻进行分流或降压 从而测出电流 电压和电阻 万用表的表头为磁电系测量机构 只能通过直流电 利用二极管将交流电变为直流电 从而实现交流电的测量 在电流接法的基础上 加上电池 分电阻和波段开关 就构成了一个欧姆表 3 测量电阻 调零 将表棒搭在一起短路 使指针向右偏转 随机调整 调零旋钮 使指针恰好指导0 测量 将表棒接到被测电阻两端 读出欧姆刻度线上的读数 再乘以该档标的数字 就是所测电阻的阻值 注意事项 选择适当档位 使指针在刻度线的中部或右部 读数比较清楚准确 换挡需调零 4 测直流电压估测电压大小 拨至适当量程 正表棒接 负表棒接 根据该档量程数字与标直流符号 dc 刻度线 第二条线 上的指针所指数字 读出大小 如用v300档 直接读 用v30档 将数字去一个0再直接读 用v6档 指针指15 则电压为1 5v 5 测直流电流估测电流大小 选择合适的ma量程 将万用表接入电路中 观察标有直流符号 dc 的刻度线 读数 如选3ma档 应把刻度线上300的数字 看成3 依次减两个0 再读出数据 6 测交流电压方法与测直流电压相似 只是无正 负之分 读法一样 数字应看标有交流符号 ac 的刻度线上的指针位置 7 注意事项 测量电流与电压不能旋错挡位 万用表不用时 最好将挡位旋至交流电压最高挡 避免因使用不当而损坏 测量直流电压和直流电流时 注意 极性 不要接错 如发现指针开始反转 即应立