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电与电能考试通知：1. 做好试卷请在4月21日之前用Email提交，不得迟交。答卷用附件以ord文档形式发送。2. 附件文件名：学院-学号-姓名.doc，例如：电气工程学院-201132540123-郭冬临.doc；否则可能被视为垃圾邮件。3. 请选课同学相互转告，各自独立完成答卷。4. 提交邮箱：dianyudianneng 不要发到其它邮箱！收到无误后会回复。武汉大学通识课程电与电能考试卷（2012-04-1621）学院学号 姓名成绩 一、 什么是电磁感应，什么是自感，什么是互感？（P30）（1）电磁感应（Electromagnetic induction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。电磁感应现象的发现，乃是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，在实用上有重大意义。（2）自感：当导体中的电流发生变化时，它周围的磁场就随着变化，并由此产生磁通量的变化，因而在导体中就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，此电动势即自感电动势。这种现象就叫做自感现象。磁通匝链数在载流线圈中，载流线圈激发的磁场与其电流I成正比，通过线圈的磁通匝链数（当线圈为多匝时，通过各匝线圈的磁通量之和称为磁通匝链数，若通过每匝线圈的磁通量都相同，则N，N为线圈匝数）也与I成正比，即LI=N 。自感系数以上二式中的比例系数L与电流无关，取决于线圈的大小、形状、匝数以及周围（特别是线圈内部）磁介质的磁导率（若为铁磁质，则L还与电流I有关）。对于相同的电流变化率，L越大，自感电动势越大，即自感作用越强。L称为自感系数，简称自感或电感，单位是亨利（ H ）如果通过线圈的电流在1秒钟内改变1安时产生的自感电动势是1伏，这个线圈的自感系数就是1亨。常用的较小的单位有毫亨（mH）和微亨（H）。 自感系数的计算比较复杂，常用实验方法测定，简单情形则可由毕-萨-拉定律和LI计算。 L=/i,自感系数取决于回路的性质.长直螺旋管的自感系数为L=u*n2*v. 1H=1000mH=1000000H（3）互感：如果有两只线圈互相靠近，则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链。当第一线圈中电流发生变化时，则其与第二只线圈环链的磁通也发生变化，在第二只线圈中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象。当一线圈中的电流发生变化时，在临近的另一线圈中产生感应电动势，叫做互感现象 如图1所示 有两个临近的回路（1）和（2），载有电流I1，I2.则由I1产生的磁场穿过（2）的回路，磁通量为 21应和I1成正比。 21=M21*I1 同理，由I2产生的磁场穿过（1）的回路，磁通量为 图212=M12*I2 M12、M21均可称为互感系数。可以证明M12=M21=M，简称互感。二、 什么是三相交流电？三相交流电比单相交流电有哪些的优越性。（P60）（1）三相电是一组幅值相等、频率相等、相位互相差120o的三相交流电，由有三个绕组的三相发电机产生，是工业上常用的电源。 以下是一个理想的三相交流电压的数学式： 其中A是电压的峰值，f则是交流电压的频率。（2）三相交流电比单相交流电经济。1、三相交流线路的输电能力是相同电压等级的单相线路的三倍，而线路导线长度只需后者的3/2倍（三相三线制）或2倍（三相四线制），且能够有效减少线路输电损耗。2、三相交流电机（发电机、电动机）的电枢中形成旋转磁场，而单相交流电机电枢中形成脉冲磁场，使得三相电机具有比单相电机更好的起动和运行性能。3、三相电机比同容量的单相电机体积小、造价便宜、运行损耗也较小。4、三相交流电路可以同时得到相差根号3倍的两种电压，便于灵活应用。三、 火力发电厂对环境的影响表现在哪些方面，如何采取措施减轻污染？（P70）（1）火力发电厂对环境的污染：1、 粉尘：在大气中长时间漂浮，可能直接进入人体呼吸器官，造成更大的危害。2、 硫氧化物：对人的眼镜和肺以及植物的叶片带来损伤。高浓度的二氧化硫造成呼吸系统疾病甚至死亡，使农作物减产或植被枯萎。在大气中与雾、飘尘等发生化学反应形成硫酸烟雾，其毒性比二氧化硫大四到二十倍，危害特别大。二氧化硫氧化为三氧化硫和水结合成硫酸雾，造成酸雨，破坏森林生态系统，破坏土壤生态系统、水生生态系统3、 氮氧化物：形成光化学烟雾吸收电磁波，在大气中形成硝酸盐，降低天空亮度及远处物体的反差，有害人体健康，也会形成酸雨。4、 二氧化氮：二氧化碳吸收辐射热，造成温室效应，使地表温度升高。5、 排水热污染：凝汽器的冷却水直接取自江、河、湖、海、水库，排出的水温一般要升高8-10，引起水体热污染。6、 废水：废水中含废酸、废碱、悬浮物、油脂、有机污染物、富营养污染物、微量元素，直接排入水体会造成不同程度的污染。7、 灰渣：其中含硅、铝、铁、钙等多量元素和砷、铬、铅、镉等微量元素，不同程度地溶入水中，渗入地下水污染水体。8、 噪声：火电厂是一个噪声源相对集中、噪声辐射量大、噪声种类繁多的场所。9、 放射性污染：放射性物质进入人体，会引起皮炎、白血病、再生障碍性贫血等严重疾病。（2）防治措施：1、 通过除尘器除尘，大机组通常采用静电除尘和带式除尘。2、 采用烟气脱硫技术，即燃烧后产生的烟气在排入大气前，用物质吸收或吸附烟气中的SOx,或者燃烧过程中加入适量的石灰石等碱性吸附剂。3、 采用低NOx燃烧技术，即低过剩空气量、分级送风、分段燃烧等方式，或采用流化床燃烧技术，其燃烧温度低，NOx的生成量比悬浮燃烧的锅炉低得多。4、 减少化石燃料的消耗和提高能源利用率是目前减少CO2排放量的有效手段。采用高效、环保的煤电技术和以相对含碳量较少的天然气为燃料的联合循环发电。5、 采用封闭循环冷却水系统。6、 主要通过废水处理系统加以净化或回收再利用。7、 加大灰渣综合利用的力度是减少灰渣污染的最有效措施，如生产水泥、砖、做肥料添加剂等。8、 通过对设备的运行管理、系统的改进、加装隔声罩等方法以降低噪声。9、 加快洁净煤技术在常规火电机组中的应用，减少燃煤火电厂对环境的污染。四、 什么是电力系统的负荷曲线，常用的负荷曲线有哪几种？负荷曲线的变化规律取决于哪些因素？（P125）（1）负荷曲线：电力系统的负荷就是系统中各种用电设备消耗功率的总和。通常把负荷随时间变化的情况画成坐标图，成为负荷曲线。负荷曲线直观反映了某一时段内负荷随时间变化的规律。负荷曲线记述负荷随时间变化的情况，并据此研究负荷变化的规律性。电表的负荷曲线记录:反映一段时间内负荷随时间而变化的规律用负荷曲线来描述； 电表的负荷曲线记录:电表采用大容量内卡（2M字节）保存负荷曲线，最多可以保存16184条负荷曲线记录。每条负荷曲线可记录6类数据，负荷曲线保存的时刻与电表时钟同步，保存数据的时刻是根据设置的6类数据记录间隔与电表的时钟的关系确定的，保存数据的间隔最小为1分钟。有功功率负荷曲线和无功功率的负荷曲线:负荷曲线的横坐标是时间，纵坐标一般是有功功率，因此通常的负荷曲线是有功功率负荷曲线 。然而负荷从电力系统中取用的不仅是有功功率，同时还取用无功功率。电力系统的调度不仅调度发电机的有功功率，有时还要调度发电机、同步调相机及电容器等的无功功率，因此还有一个无功功率的负荷曲线。（2）常用电荷曲线分类：日有功负荷曲：用户的有功功率日负荷曲线反映了一天24h内有功负荷的变化，可以根据运行中的记录绘出。年最大负荷曲线：描述一年内逐月（逐日）最大有功功率负荷变化的情况。年持续负荷曲线：根据全年的负荷变化按照其大小及在一年中累计的持续运行时间排列组成的。按负荷种类分，分有功功率负荷曲线和无功功率负荷曲线；按时间长短分，分为日负荷曲线和年负荷曲线；按计量地点分，分为个别用户、电力线路、变电所、发电厂乃至整个系统的负荷曲线；将上述三种特征相组合，就确定了某一种特定的负荷曲线。 （3）负荷曲线的变化规律：完整的负荷序列基本上可以分解为随机分量、周期分量和趋势分量。其中随机分量受切投负荷，温度，天气等很多因素影响，规律很难把握；周期分量又可以细分为日周期、月周期、年周期等，其规律性主要决定与社会生活生产的周期性；趋势分量变化缓慢，其规律性取决于慢变化的气候因素，如夏天升温导致复合增长，还受国民经济增长等宏观因素影响。五、 已知某电气设备的机端线电压为（千伏），线电流为（千安）。求该设备的功率因数、电流有效值、有功功率、无功功率和视在功率的大小。功率因数= 30-（-15）=45电流有效值= 3A有效功率P= 10*3*cos（45）=15无功功率=10*3*sin（45）视在功率S=3*10六、 简述风力发电的特点。为什么现代社会大力提倡以风力发电为代表的新能源发电？（1）风力发电的特点：风能利用的最主要形式就是风力发电，风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著，是发展最快的新型能源。风是风力发电的原动力，它是由于太阳照射到地球表面各处受热不同，产生温差引起大气运动形成的。据理论计算全球大气中风能总的能量是1017kw，而且是可再生的，估计大约有3.5*1012kw的蕴藏风能可以被开发利用，这个价值至少比世界上可利用的水能大10倍。而且风取之不尽，用之不竭，不存在资源衰竭问题；同时在风能的转换过程中，基本不消耗化石能源，因而不会对环境构成严重威胁。尽管从全能量系统的观点来看，在风电设备及其原材料的生产、制造和安装过程中需要消耗一定的化石能源，进而对环境构成一定的污染，但其排放量相对于风力机发出的电力而言则微不足道。 风力发电技术可以灵活应用，既可以并网运行，也可以离网独立运行，还可以与其它能源技术组成互补发电系统。风电场运营模式可以为国家电网补充电力，小型风电机组可以为边远地区提供生产、生活用电。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电方式之一。我国风能资源丰富，大力开发风电，将对改善能源供应，优化电源结构作出重要贡献。 风能是最清洁、无污染的可再生能源之一。据专家们的测估，全球可利用的风能资源为200亿千瓦，约是可利用水力资源的10倍。如果利用1%的风能能量，可产生世界现有发电总量8%9%的电量。据有关部门预测，我国可利用风能资源约为16亿千瓦。 另外， 在风能电能的转换过程中，不消耗任何燃料，基本不占用耕地，单台发电设备投资不大，建设周期短，不会对环境构成严重威胁。根据国外对各种发电方式碳排放生命周期分析成果，风电是一种高度清洁的能源技术，符合可持续发展的要求。发展风力发电是减少排放、防止全球气候变暖的一项主要措施。合理利用风能既可减少环境污染，又可减轻能源短缺的压力。（2）为什么现代社会大力提倡以风力发电为代表的新能源发电？ 在我国，约20%的国土上具有比较丰富的风能资源，其主要分布在东南沿海及其附近岛屿，以及西北、华北和东北地区，特别是新疆和内蒙古的风能资源极为丰富。目前，我国风能利用发展很快，无论是发展规模还是发展水平都比以前有很大提高。风能作为一种无污染、可再生且运行成本低廉的新能源，在我国有着巨大的发展潜力和广阔的市场前景。太阳能、风能、水能、潮汐能都是可再生的清洁能源。 风力发电作为绿色能源的一种，己深受全世界的重视。正如美国著名学者、美国地球政策研究所所长莱斯特布朗在他的新书B模式中指出，我们要提倡风力发电，由于风能丰富、价格便宜、能源不会枯竭；又可以在很大范围内取得，干净没有污染，不会对气候造成影响。目前，还没有任何一种能源有这么多的优点。到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，然而化石资源的有限和对环境的危害性，已经日益地威胁着人类社会的安全和发展。充足的能源、洁净的环境是经济持续发展的基础条件。1996年联合国环境署报告指出：“从现在到2020年，全球能源消耗将比现在增长50%到100%，由此造成温室效应的气体排放将会增加45%到90%，从而带来灾难性后果。”为了制止地球的温暖化，为了人类尽快走出燃煤时代，构建一个稳定的可持续发展的未来社会，各国都在不断追求不排放CO2，不污染环境的清洁能源。七、 填空： 城市民用电压的额定值为 220 伏，其最大电压值为 386 伏。我国电力系统最高额定电压等级为 750k 伏。 我国电网的电压额定频率为 50 赫兹，其角频率为 314 /秒。电能的质量指标有 电压偏差 、 频率偏差 和 公用电网谐波 。 同电压等级三相交流输电线的输送功率为单相线路输送功率的 3 倍，而线路输送效率是单相的 3/2 倍或 2 倍。 三相交流电的A相电压相角超前C相相角 240 度，或称滞后C相相角 120 度。 人类最早对“电”的认识应当是从 雷电 和 静电 现象的认识开始的。 完整的电磁理论体系是由 麦克斯韦在 库伦、 高斯、 欧姆和 安培、法拉第 等人的科学发现和实验结果的基础上建立的。 雷电危害可分为 直击雷 、 感应雷 、 球形雷 三类。常规水电厂的发电效率在 80% 以上。额定转速为200转/分钟的水电机组共有 15 对转极。 一台变压器输入额定电压10kV，要求输出负荷侧额定电压400V，副边有200匝绕组，则原边应该有 5000匝绕组。 一铁芯线圈的自感系数为60毫亨，线圈中的电流在0.02秒内由500安培线性地衰减到0，则线圈上的感应电压达到 1500 伏。八、 以教材为基础，收集、引用互联网及专业期刊相关文、图信息多篇。以“人类对电与电能的认识过程”，或“能源和电力在国民经济和社会发展中的重要性”为内容，按科技期刊论文格式自拟题目写一篇综述性论文。要求文字、图表并茂，有一定的自我加工和认识见解。（要求：小四号字，文、图篇幅不少于3页）2012-4-15探索自然 造福人类人类对电与电能的认识过程【摘要】人们最早从自然界中雷电的现象接触到电，然后开始观察自然，发现自然，探索自然，从最初的恐惧，到渐渐地发展科学的认知，再到改造自然为我所用，人类认识电与电能的历史，也是一部征服自然的历史。【引言】本文试从人类认识电与电能的过程中，阐述一些不断摸索和改进的科学实验以及一些科学发现的根源, 希望能从前辈科学家的实践活动中吸取有益的经验和启示，并从人类征服自然的历史中得到不断开拓的力量。【关键词】 摩擦 静电 雷电 电磁 伏特电池 电容器 莱顿瓶 电磁学 安培环路定律 法拉第电磁感应现象 麦克斯韦方程 电报机 电话 电机 电力系统 【正文】恩格斯在他专门论述电的论文中指出： “ 尽管电是这样无处不在的东西, 尽管它在近五十年愈来愈多地被拿到工业里面来为人类服务,电这种运动形式的性质却仍然是一个最大的谜。”人类是怎么样一步步接近、观察，再一步步揭示这个谜团的呢？这是一个漫长而伟大的过程。早在公元前6世纪，希腊的哲学家泰勒斯发现并记载了摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。无独有偶，东汉时期大约公元27到97世纪时，王充也在论衡一书中提到“玳瑁辍玠，磁石引针”。这是人类对摩擦生电现象的最早的认识和描述。雷电及其灾害在古代很早就有记述，距今约3500年的殷商甲骨文中, 已有雷字。周朝青铜器“ 番生签”上已有电字，并且在很早以前, 我国古代劳动人民就知道有云才有雷。在中国，古人认为电的现象是阴气和阳气相激而生成的。 物理学史，中国科学院自然科学史研究所，戴念祖，我国古代对电的认识的发展1975年12月1日这些都是人类对电最初的接触和最原始的认知，人们对于电开始有了好奇，有了猜想和推断，一切发展与进步正是源于这种探索的渴望，人类开始了永无止境的实验研究之路。莱顿瓶第一个认真研究电现象的是一位医生英国人吉尔伯特，他想搞清琥珀为什么会有那种神奇的吸引力齐齐哈尔师范学院学报( 自然科学版)，1989年第二期，简论电的认识史，哈尔滨电工学院物理系，张淑银, 史兴仁。16世纪初他发明了第一个验电器来检验带电物体。陆陆续续地，居凯里的摩擦静电起电机、穆森布诺克的莱顿瓶、赫曼的静电计运营而生。莱顿瓶是最早的电容器，莱顿瓶的发明使物理学第一次有办法得到很多电荷，并对其性质进行研究。1746年，英国伦敦一名叫柯林森的物理学家，通过邮寄向美国费城的本杰明.富兰克林赠送了一只莱顿瓶，并在信中向他介绍了使用方法，这直接导致了1752年富兰克林著名的费城实验。 他用风筝将“天电”引了下来，把天电收集瓶中，从而弄明白了“天电”和“地电”原来是一回事。他肯定了“起储电作用的是瓶子本身”，“全部电荷是由玻璃本身储存着的。”富兰克林正确地指出了莱顿瓶的原理，后来人们发现，只要两个金属板中间隔一层绝缘体就可以做成电容器，而并不一定要做成像莱顿瓶那样的装置。富兰克林的成功进一步激发了人们研究电的兴趣。法国物理学家库仑得出了电荷之间作用力的实验公式, 即库仑定律, 从此电学进入定量科学的行列。在这期间克朗登、伏特、普利斯特里、卡文迪许等人也通过实验手段，为推动人类对电的认识做出了杰出贡献。那么对电的研究成果是如何冲破实验室的局限，应用于实际生产生活中造福人类的呢？化学电池的发明提供了更大的电源，克服了深入探讨电的本质时技术上的障碍。二十世纪初，科特尔的静电酸雾除尘器，格拉夫的静电起电机，爱迪生公司的静电除尘器，为现代静电技术的建立奠定而来基础，也在实际的生产生活中给人们带了便利。电磁学的建立是人类认识电与电能历史上的一个里程碑，那么电磁学是如何建立的呢？在伏特收到伽伐尼现象的启发发明了电池以后，人类可以获得连续的电流，这促成了许多新的发现。1820年，丹麦哥本哈根大学的奥斯特发现电流的磁效应，即在电流周围必定产生磁场，磁效应与电流大小、方向、距离等因素有关，把电与磁联系了起来，奠定了电磁学的开端。麦克斯韦1825年，安培提出的安培环路定理即沿任意闭合环路磁场强度与线段长度的乘积之和正比于环路中包围着的电流这成为现代电磁学的基本公式。1831年法拉第通过从螺线管中拔出磁棒，实现了“磁生电”，电磁感应定律是物理学基础定律之一，也是近代发电机、变压器等电工设备制造的基本原理。他根据库伦、高斯、欧姆、安培、法拉第等前人的一系列科学发现和实验成果电的认识史，陕西省第四机械工业局，雷震，陕西省电子工业例行试验站，王康，以杰出的数学才能、严密的逻辑推导，对电磁场规律做出了数学表述，建立了完整的电磁理论体系，而且麦克斯韦方程也是现代电磁学最重要的理论基础。电磁学理论是怎样帮助科学家应用电与电能来造福人类的呢？无线电技术开辟了电磁学应用的领域。无线电技术是建立在电磁波存在的基础上的，1887年德国科学家赫兹利用电容器放电的振荡性质，设计制作了电磁波源和电磁波检测器，进行了著名的电磁波实验，为无线电技术抛砖引玉，点亮了指路明灯。莫尔斯设计的电报机无线电技术很快被应用电讯领域。当飞鸽传书、鸿雁传书渐渐成为了古老而美好的回忆，那时的人们已经习惯于写信依赖于邮递网络互诉衷肠或是传递重要信息，也习惯了遥遥无期的等待带来的焦虑和期盼，电报机和莫尔斯电码的发明无疑为人们焦灼等待的心洒下了一场久旱后的甘霖。1844年，世界上第一条商用电报线路在美国建成。1850年，建成了英法多弗尔海峡电缆，1866年实现英美之间跨越大西洋通报。随着1861年，德国人莱斯制作出金属屑话筒，可以辨识单音，从此电话应运而生，拉近了人与人的距离。与无线电技术一起，电灯的问世，给漫漫长夜带来了光明，从此人类的生活更加的丰富多彩，精彩纷呈。早在1820年奥斯特发现了电磁力后不久，法拉第的水银杯实验为研制电动机开辟了道路，之后，经过亨利、莱诺尔、雅克比、达文波特、威廉泰勒和西门子等人的不断努力和推进,电机终于进入了实用化。电机把电输送到千家万户，人们才有机会享受到电报和电话带来的信息传递的便利。应用电机，人们拥有了产生电使用电驾驭电的能力，点燃了第二次工业革命的导火索，从此人类的生活发生了天翻地覆的变化。世界各地的人们致力于不断完善电力系统，电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费的系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。 电力系统及规划. 广西电力建设科技信息, 2006,(01)电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，为第二次工业革命的进行加上了一股强大而不可遏止的力量。短短的二三百年，科学技术以此为契机，也在各个领域以前所未有的速度蓬勃发展。人类社会发展的每一次深刻变革都有电在其中默默推动，电成为现代生活和人类文明不可或缺的一部分，它是人类不断探索自然而获得的珍宝，也成为了人类深入发现的工具。人类是一步步接近、观察，再一步步揭示电这个谜团的过程是漫长而伟大的。只要我们不断努力，一定会给全人类赢来更多的福祉。【参考文献】
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