第1章-电学基础知识...ppt

第一章电学基础知识,本章导读第一节电路第二节电流第三节电压与电位第四节电动势第五节电阻第六节欧姆定律第七节焦耳定律第八节电功与电功率,下一页,返回,本章导读,本章为电学基础知识，主要介绍电路的定义和组成，讲述电路中的基本物理量和基本定律，包括电压、电流、电位、电动势等重要概念;欧姆定律、焦耳定律等基本定律;电流的方向和电位的计算等知识点。,返回,什么是电路？,第一节电路,电路是电流通过的路径，是由各种元器件按一定方式连接起来的总体。图1-1就是一个简单的电路，它是由灯泡、开关、导线和电池四部分组成的。当开关闭合的时候，灯泡会变亮，而当开关断开的时候，灯泡会熄灭。这是因为在开关闭合的时候，电路中有了电流，电流通过电路流过灯泡从而使灯泡工作。当开关断开的时候，电路中就没有了电流，从而使灯泡失去了电流而停止工作。,下一页,返回,图1-1简单的电路,第一节电路,在图1-1电路中，各个元件都实现了不同的功能:电池是产生电能的源泉，我们把它称作电源;灯泡消耗了电能，我们称它为负载;导线起到了传输的作用，它把电能从电源传送到了负载当中;开关控制电路中的电流何时能通过导线传输，何时不能传输。因此，我们可以发现电路是由电源、导线、负载和开关四元件组成的。1.电源电源是提供电能的设备。它的作用是将其他形式的能量转化为电能，并把电能源源不断地提供给负载。常见的电源有电池、发电机等。,上一页,下一页,返回,第一节电路,2.导线导线是用来连接电源与负载的。电路通过导线构成一个闭合的回路，起着输送和分配电能的重要作用。一般常用的导线是铝导线或铜导线。3.负载负载是各种用电设备的总称。它的作用是将电能转换为其他形式的能量。4.开关开关是控制电路的闭合与断开的。通过开关来影响负载的工作情况。常见的开关有按钮、闸刀开关等。电路通常有三种状态:通路、断路和短路。,上一页,下一页,返回,第一节电路,通路是指处处连通的电路。通路状态下电路中有电流流过。图1-1所示开关闭合时电路就是处于通路状态。断路是指电路中有某处断开，不能形成一个电流的回路。断路状态下电路中没有电流，图1-1所示开关打开的状态。短路是指电流从电源正极流出后不经过负载直接流回电源负极的情况(如图1-3所示)。短路状态下，电路中的电流要比通路状态下大很多倍，很容易烧毁电源，一般不允许出现这种情况。,上一页,返回,图1-3短路,第一节电路,图1-1所示的是电气设备的实物图形表示的实际电路。它的优点是形象直观，但是画起来很复杂，不便于分析和研究。于是，为了电路分析和研究的方便，实际设备往往被抽象成一些理想的模型，并用特定的图形符号表示。电路图就是用这些统一的图形符号画出的电路模型图。如图1-2就是图1-1的电路模型图。,图1-3电路模型图,第一节电路,电路中常用的部分图形符号如下表1-1所示。,表1-1常用电路图形符号,知,识,链,接,理想电路元件电路模型中的所有元件均为理想电路元件。实际电路元件的电特性是多元的、复杂的。消耗电能的电特性可用电阻元件表征；产生磁场的电特性可用电感元件表片。例如，由于白炽灯中耗能的因素大于产生磁场的因素，因此L（电感量）可以忽略。理想电路元件的电特性是精确的、唯一的。,第二节电流,电流是指电荷的定向移动。电流的大小称为电流强度(简称电流，符号为I)，是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过一库仑的电量称为一安培(A)。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。除了A，常用的单位有毫安(mA)及微安(A)。安德烈玛丽安培（Andr-MarieAmpre，1775年1836年），法国物理学家、化学家、数学家，在电磁作用方面的研究成就卓著。电流的国际单位安培即以其姓氏命名。1802年他在布尔让-布雷斯中央学校任物理学和化学教授；1808年被任命为法国帝国大学总学监，此后一直担任此职；1814年被选为帝国学院数学部成员；1819年主持巴黎大学哲学讲座；1824年担任法兰西学院实验物理学教授。,下一页,返回,第二节电流,一、电流的方向物理上规定电流的方向是正电子的流动方向或者负电子的流动的反方向。在金属导体中，电流是靠电子的定向移动产生的，而电子是带负电荷的，所以我们也可以理解成电流的方向是负电荷移动的方向。而在某些液体或者气体中，电流则是正或负离子在电场力作用下有规则的运动形成的。综合以上两种情况就会发现，电流的方向没有一个统一判定的标准，于是规定正电荷的运动方向为电流的方向。,第二节电流,虽然电流的方向规定为正电荷的运动方向，然而在复杂电路的分析中，电路中电流的实际方向很难判断出来。有时，电流的实际方向还会不断改变。因此，很难在电路中标明电流的实际方向。为此，在分析或计算电路时，常可任意规定某一方向作为电流的参考方向或正方向，并用箭头表示在电路图上。规定了参考方向以后，电流就是一个代数量了。若电流的实际方向与参考方向一致(如图1-4(a)所示)，则电流为正值;若两者相反(如图1-4(b)所示)，则电流为负值。这样，就可以利用电流的参考方向和正、负值来标明电流的实际方向。要注意的是，在未规定参考方向的情况下，电流的正、负号是没有意义的。,上一页,下一页,返回,第二节电流,电流的参考方向除了用箭头在电路图上表示外，还可用双下标表示，如对某一电流用is。表示其参考方向由a指向b，如图1-4(c)所示。用iba表示其参考方向由b指向a，如图1-4(d)所示。显然，两者相差一个负号，即:,上一页,下一页,返回,第二节电流,二、电流的大小电流的大小由在一定时间内通过导体横截面的电荷量的多少决定。在相同的时间内通过导体横截面的电荷量越多就表示流过该导体的电流越强，反之则越弱。电流的强弱用电流强度来衡量，通常规定:单位时间内通过导体横截面的电荷量为电流强度，用字母1表示。若在t秒内通过导体的横截面的电荷量是Q，则电流可以表达为:,上一页,下一页,返回,第二节电流,电流的单位是安培，简称安，用字母A表示，电荷量的单位是库仑，简称库，用C表示。若在is内通过导体横截面的电荷量为1C，则电流强度就是lAo常用的电流的单位还有kA(千安)、mA(毫安)、wA(微安)，它们之间的换算关系为:,上一页,下一页,返回,第二节电流,电流分为直流电流和交流电流两大类:凡是大小和方向都不随时间变化的电流，称为稳恒电流，简称直流(简写作DC);凡是大小和方向都随时间变化的电流，称为交变电流，简称交流(简写作AC)。交流电流的大小是随时间变化的，可以在一个很短时间t内研究它的大小。在t时间内，若导体横截面的电荷量的变化是Q，则瞬间电流i为:,上一页,下一页,返回,第二节电流,例1-1某导体在五分钟内通过的电荷量为9C，求导体中的电流是多少毫安?,上一页,下一页,返回,第二节电流,三、电流的密度电流密度是指流过单位横截面积的电流。在直流电路中，电流是均匀分布在导体横截面积上的，电流的密度表示为:从上式可以看出，同一电流1流过导体，导体横截面积S越小，则电流密度J越大，反之电流密度则越小。,上一页,下一页,返回,第二节电流,四、电流的测量电流的测量常用工具是电流表。按照电流表测量范围的不同有安培表、毫安表、微安表等之分，在表盘上分别用A,mA,A标明。电流表的使用规则:1.电流表要串联在电路中(否则短路);2.电流要从“+”接线柱入，从“一”接线柱出(否则指针反转);3.被测电流不得超过电流表的量程(否则损坏电流表);4.绝对不允许不经过用电器而把电流表连到电源的两极上(否则短路)。,上一页,返回,第三节电压与电位,一、电压大家都知道，水在管中所以能流动，是因为有着高水位和低水位之间的差别而产生的一种压力，水才能从高处流向低处。城市中使用的自来水，所以能够一打开水门，就能从管中流出来，也是因为自来水的贮水塔比地面高，或者是由于用水泵推动水产生压力差的缘故。电也是如此，电流所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电位和低电位之间的差别。,下一页,返回,第三节电压与电位,从另外的角度说，电压是由于带电导体周围存在着电场，电场力对处在电场中的电荷有力的作用，若电场力使电荷沿电场的方向产生了移动，我们就说电场力对电荷做了功，而衡量电场力做功本领大小的物理量就是电压。如图1-5示，电场力将处在电场中的正电荷Q从a点移动到了b点所做的功为。，则A与电荷量Q的比值就称为电场中a,b两点之间的电压，用符号Uab表示。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,电压的单位是伏特，用符号V表示。规定电场力把1C电荷量的正电荷从a点移动到b点，如果所做的功为1J，那么a,b两点之间的电压就是1V。除伏特外电压的常用单位还有kV(千伏)，mV(毫伏)，V(微伏)。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,二、电压的测量电路中的电压可以用电压表来测量，电压表的使用要注意以下几点:1.电压表要并联在被测电路两端;2.电流必须从“+”接线柱流入，从“一”接线柱流出。若电压表接线柱接反了，则电压表的指针会向相反方向偏转，易使指针打弯，甚至损坏电压表;3.被测电压不要超过电压表的量程。在不能预先估计被测电压值的情况下，可以用“试触法”来判断被测电压是否超过电压表的量程;4.电压表可以直接并联在电源的两极上，测出的是电源两极间的电压。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,三、电位空间中某一点的电位是把单位正电荷从无限远处(假设此处电位为零)带到该点时所消耗的电能。电位是电能的强度因素，它的单位是伏特(简称伏，用V表示，是voltage的缩写)。电位用符号表示。设空间中有两个位置1和2，其电位分别为扒和姆，则位置1对于位置2的电位差=1-2;相应，其电位降E=1-2。后者在电化学中用得较多，称作电势，在工业或日常生活中也常称作电压(voltage)。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,由于电压是对电路中某两点而言的，在分析比较复杂的电路时，特别是在分析电子电路时，要一一说明电路中每两点之间的电压往往很繁琐，如果利用电位的概念进行分析则显得比较方便。如果在电路中任选一点为参考点，那么电路中某点的电位就是该点到参考点之间的电压。也就是说某点的电位等于电场力将单位正电荷从该点移动到参考点所做的功。如图1-5所示，以o点为参考点，则a点的电位为:,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,规定参考点的电位为零，所以说参考点又叫零电位点。高于参考点的电位是正电位，低于参考点的电位是负电位。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,三、电压与电位的关系在图1-5中，以O点为参考点时，则a点与b点的电位分别为:Um。表示电场力把单位正电荷从a点移动到。点所做的功，在数值上等于电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功(Uab)加上从b点移动到。点所做的功(Uba)，即:,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,由此可以得出结论:电路中任意两点之间的电压就是两点之间的电位之差，所以电压又称为电位差。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,例1-2在图1-6所示的部分电路中，试求a,b两点的电位和电压Uab.,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,例1-3在图1-7中，设Uco=8V,Ucd=3V。试分别以。点和。点作为参考点，求d点电位和d,。两点之间的电压Udo.,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,由上面的计算可以得到结论:如果参考点改变了，则各点的电位也随之改变，各点的电位与参考点的选择有关。但是不管参考点如何变化，两点间的电压是不会改变的。通常情况下我们把大地看作参考点，也就是把大地的电位规定为零，而在电子仪器和设备中常把金属机壳和电路的公共接点的电位规定为零电位。,上一页,下一页,返回,第三节电压与电位,零电位的符号是(表示接大地)、(表示电路的公共接点或者设备的金属外壳接地)。所以，今后在电路中凡见到上述符号，就应认为该点的电位是零电位。由式(1-7)可知，如果PmPn，则呱0，表明a点到b点的电位在降低;如果ab、则Uab0时，材料的电阻随温度的升高而增加，这类材料称为正温度系数材料;当0时，材料的电阻值随温度的升高而降低，这类材料称为负温度材料。例1-5有一台电动机，它的绕组是铜导线。在室温26时，测得电阻值为1.25;转动3h后，测得的电阻值增加到1.5。求此时电动机绕组线圈的温度是多少?,上一页,下一页,返回,第五节电阻,四、常用的电阻器在生产中要用到各种各样的电阻。例如有些电气设备，需要阻值大的电阻;有些设备，需要功率大的电阻等。这就需要专门制造一些电阻元件。我们把具有一定阻值的实体元件称为电阻器。1.电阻器的结构与性能特.点电阻器分为固定电阻器和可变电阻器两类。固定电阻器的常用电工图形符号如图1-11(a)三种。可变电阻器的常用电工图形符号如图1-11(b),有线绕电阻、薄膜电阻、实心电阻其阻值可以在一定范围内变化，具有三个引出端的电阻器常称为电位器。,上一页,下一页,返回,第五节电阻,常用固定电阻器的结构和主要特点:线绕电阻器线绕电阻器由镍铬、康铜等电阻丝绕在瓷管上制成，外涂保护层。阻值大小由电阻丝的长度、粗细和电阻率决定。线绕电阻器的功率比较大，稳定性高，但阻值较小。薄膜电阻器薄膜电阻器由磁棒上涂一层碳膜或金属膜并刻以槽纹而制成。阻值由薄膜的材料、厚度、槽纹长度决定。薄膜电阻器的稳定性较好，误差小，阻值较大，但功率较小。实心电阻器实心电阻器由碳黑、石墨、赫土、石棉等按比例混合压制而成。阻值由材料的比例、电阻的几何尺寸等因素决定。实心电阻器的阻值较大，但功率较小，稳定性差。,上一页,下一页,返回,第五节电阻,2.电阻器的主要指标电阻器的指标是标称阻值、允许偏差、标称功率、最高工作电压、稳定性、温度特性等，其中主要指标是标称阻值、允许偏差和标称功率。标称阻值为了便于生产，同时考虑到能够满足实际使用的需要，国家规定一系列阻值作为产品的标准，这一系列阻值叫做电阻的标称系列阻值。表1-3给出了几个标称系列值。电阻器的标称阻值应为表中所列数值的10n倍，其中n为正整数、负整数或者零。允许偏差电阻器的标称阻值与实际阻值不完全相符，存在着一定的误差(偏差)。设R为实际阻值，Rn为标称阻值，则允许偏差r的表达式为:,上一页,下一页,返回,第五节电阻,标称功率指在一定条件下，电阻器长期连续工作所允许消耗的最大功率。3.电阻器的标志方法阻值、允许偏差、标称功率等主要指标一般用数字和文字符号直接标在电阻器的表也可以用不同的颜色表示不同的含义，这就是我们所说的色环标志法。色环标志法是用颜色表示元件的各种参数并直接标在产品上的一种表示方法。采用色环标志法的电阻器颜色醒目、标志清晰、不易褪色，而且从各个方向都能看清阻值和偏差，有利于电器产品的装配、调试和检修。因此国际上已经广泛地采用了色环标志法。固定电阻器色环标志符号如表1所示，辨认这种电阻的阻值时要从左至右进行，最左边为第一环。,上一页,下一页,返回,第五节电阻,下面举两个例子来说明色环标志法。第一个电阻的阻值为26000，误差为15%，表示方法如图1-12(a)所示。第二个电阻的阻值为17.4、允许偏差为11%的电阻器，表示方法如图1-12(b)所示。4.电阻器的选用电路中所选电阻器的电阻值应接近应用电路中计算值的一个标称值，应优先选用标准系列的电阻器。一般电路使用的电阻器允许误差为15%10%。精密仪器及特殊电路中使用的电阻器，应选用精密电阻器。选用电阻器的额定功率要符合应用电路中对电阻器功率容量的要求，一般不应随意加大或减小电阻器的功率。若电路要求是功率型电阻器，则其额定功率可高于实际应用电路要求功率的12倍。,上一页,下一页,返回,第五节电阻,五、材料分类在电工技术中，各种材料按照它们的导电能力的强弱一般可分为导体、绝缘体、半导体和超导体，各种材料的导电性能有很大的差别。1.绝缘体导电性能很差的材料称为绝缘体。绝缘体的电阻率一般在1061018m之间。如橡胶、塑料、树脂、玻璃、云母、陶瓷、变压器油等。2.半导体这类材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。半导体的电阻率一般在10610-6m之间。半导体材料具有一些特殊的性质，所以在近代电子技术中得到广泛的应用。,上一页,下一页,返回,第五节电阻,3.导体导电能力强的材料称为导体。导体的电阻率一般在1x10-8m左右。比如铜、铅、锡等金属。4.超导体某些物质的电阻值随温度下降而逐渐减少，当温度降低到接近绝对零度的时候，其电阻值突然消失，这种现象就称为超导现象。具有这种特性的物质称为超导体和超导材料。六、电导我们把电阻的倒数称为电导。电导用符号G表示:,上一页,下一页,返回,第五节电阻,导体的电阻越小，电导就越大。电导大就表示导体的导电性能良好。电导单位是西门子，简称西，用符号S表示。例1-6在图1-13所示电阻R，已知a=10V,b点的电位b=8V，流过电阻的电流I=4A，求其电导值。,上一页,返回,第六节欧姆定律,一、部分电路欧姆定律图1-14中为一个不含有电源的部分电路。当加在电阻R两端的电压为U时，电阻中就有电流1通过。1827年德国物理学家欧姆在试验中发现:流过电阻器的电流1，与电阻两端的电压U成正比，与电阻值R成反比，这个结论就叫做欧姆定律。在电压、电流的参考方向一致的前提下，它的数学表达式为:,下一页,返回,第六节欧姆定律,欧姆定律揭示了电路中电流、电压、电阻三者之间的关系，是电路的基本定律之一，它的应用十分广泛。例1-7有一个电阻R，当在两端加上U=10V的电压时，流过的电流为1=1A，求电阻R的阻值。,上一页,下一页,返回,第六节欧姆定律,二、线性电阻的电流电压关系通常所遇到的大多数电阻元件，其阻值R可以认为是不变的常数。假设一个电阻R=lO，则由欧姆定律得:U=10I。由此可知，这时电压U与电流I之间是线性关系。如果用沿水平方向的横坐标表示电压U，沿垂直方向的纵坐标表示电流1，则可根据表达式:U=10I作曲线图，如图1-15所示，这是一条直线。这种电压与电流之间总是具有直线关系的电阻称为线性电阻。线性电阻是一种线性的电路元件，全部由线性元件构成的电路叫做线性电路。在一般情况下，表示一个元件的电压与电流之间的关系曲线，称为此元件的伏安特性曲线，图1-15为电阻的伏安特性曲线。,上一页,下一页,返回,第六节欧姆定律,三、全电路欧姆定律全电路是指含有电源的闭合电路。如图1-16所示，图中的虚线框内代表一个电源，用字母G表示。电源的内部一般都是有电阻的，此电阻称为电源的内电阻，用r表示。为了分析方便，通常在电路图上把:单独画出。也可以不单独画出，只是在电源符号的旁边注明内阻的阻值。当开关闭合时，负载上就有电流流过，这是因为电阻两端有了电压U的缘故。电压U是电动势E产生的，它既是电阻两端的电压，又是电源的端电压。,上一页,下一页,返回,第六节欧姆定律,下面讨论E与U的关系。开关断开时，电源的端电压在数值上等于电源的电动势(两者方向相反)。当开关闭合时，如果用电压表测量电阻两端的电压便会发现，所测量数值比开路电压小，或者说，闭合电路中的端电压小于电源的电动势，这是为什么呢?这是因为电流流过电源内部时，内阻上产生了电压降，Ur=Ir。可见电路闭合时端电压U应该等于电源电动势E减去电源内部电压U,，即:,上一页,下一页,返回,第六节欧姆定律,在一个闭合电路中，电流与电源的电动势成正比，与电路中的内阻与外电阻之和成反比。这个规律称为全电路欧姆定律。例1-8如图1-17所示，当单刀双掷开关S合到位置1时，外电路的电阻R1=14，测得电流表读数1,=0.2A;当开关S合到位置2时，外电路的电阻R2=9，测得电流表读数I2=0.3A;试求电源的电动势E及其内阻:。,上一页,下一页,返回,第六节欧姆定律,四、电源的外特性若将全电路欧姆定律写成U=E-Ir形式，则此式可以看成是电源的端电压U与输出电流I之间的关系。如果用纵坐标表示电源的端电压U,横坐标表示电源的输出电流I，则电源与电流的关系特性曲线称为电源的外特性曲线。当电源内阻r为常数时，外特性曲线为一条向下倾斜的直线，如图1-18.当1=0时，即电源空载，此时U=E，电源端电压最大。随着输出电流1增加，电源端电压按直线规律下降。人们通常把流过大电流的负载叫做大负载，把流过小电流的负载叫做小负载。这样，根据外特性曲线可以看出:当电流接大负载时，端电压将下降很多;当电源接小负载时，端电压将有较少的下降。,上一页,下一页,返回,第六节欧姆定律,电源的端电压高低不但与负载有密切的关系，而且与电源的内阻大小有关。在负载电流不变的情况下，内阻减小，端电压的下降减小;内阻增大，端电压的下降增大。当内阻为零时，也就是理想情况下，端电压不再随电流变化，如图1-18虚线所示。,上一页,返回,第七节焦耳定律,一、焦耳定律的定义焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。1841年由英国物理学家焦耳发现。当电流通过金属导体时，由于金属内部自由电子在定向移动的过程中，不断地与金属原子发生碰撞而发热，这种现象称为电流的热效应。实验证明，电流通过导体时，这个导体产生热量大小与电流的平方、导体的电阻值及通过电流的时间都成正比，即:,下一页,返回,第七节焦耳定律,公式中的电流1的单位为安培(A)，电阻R单位为欧姆()，通过的时间t的单位为秒(s)，热量Q的单位是焦耳(J)。这个公式是由英国物理学家焦耳和俄国科学家楞次各自独立地用实验方法得出的结论，所以我们又称之为焦耳一楞次定律。例1-9一根60的电阻丝接在36V的电流上，在5min内共产生多少热量?,上一页,下一页,返回,第七节焦耳定律,在一定的条件下，根据电功公式和欧姆定律公式可以推导出焦耳定律公式。如果电流通过导体时，其电能全部转化为内能，也就是电流所作的功全部用来产生热量。那么，电流产生的热量Q就等于电流做的功A，即Q=A，又因为A=Ult，根据欧姆定律U=IR所以推导出焦耳定律Q=I2Rt。,上一页,下一页,返回,第七节焦耳定律,二、焦耳定律的应用电流的热效应应用很广泛，根据这一原理可以制作电炉、电烙铁、电吹风机等电热器。还可以制作对电路起保护作用的元件，熔断器就是一种最简单的保险装置。电流的热效应也有其不利的一面，比如使导线发热，这不但消耗电能，而且使用电设备的温度升高，加速了绝缘材料的老化、变质，容易导致漏电，甚至烧毁设备。为了保证电气元件和电气设备长期安全工作，应该规定一个最高工作温度。显然，工作温度取决于发热量，而发热量又由电流、电压和功率来决定。因此为了使设备能够正常运行，通常制造厂家规定了在一定工作条件下电器产品的额定电流、额定电压、额定功率、额定温度、额定转速等额定值。,上一页,下一页,返回,第七节焦耳定律,确定产品额定值要考虑很多因素，其中最主要的因素就是考虑绝缘的可靠性问题。电气设备通电工作时，电流的热效应使设备的温度升高，为了保证这个温度不超过绝缘材料的允许温度，就必须限制电流大小，这就是规定额定电流的根据。由于绝缘材料承受电压也