电工学基础知识

电工学基础知识1. 为什么一般绝缘材料的绝缘电阻随着温度的升高而减小，而金属导体的电阻却随着温 度升高而增加？答：一般绝缘材料可认为是一个电阻系数很大的导电体，其导电性质是离子性的，而金属导 体的导电性质是自由电子性的。在离子性导电中，代表电流流动的电荷是附在分子上的，它 不能脱离分子而移动。当绝缘材料中存在一部分从结晶晶格中分离出来的原子离子时，则绝 缘材料具有一定的导电能力。当温度升高时，材料中原子、分子的活动增加，产生离子的数 量也增加，所以导电能力增强，绝缘电阻就降低了。而在自由电子性导电的金属导体中，其 所具有的自由电子数量是固定不变的，而且不受温度的影响。当温度升高时，材料中的原子、 分子活动力增强，自由电子移动时与分子的碰撞的可能性增加，因此所受的阻力很大，所以， 金属导体当温度升高时电阻增加。2. 什么叫静电感应？答: 一个不带电的物体，如果靠近带电物体，虽然没有接触，但不带电物体上也会出现电荷。 这是什么原因呢？我们知道，所有物质所带的正电荷与负电荷数量刚好相等，这样正负电荷 恰好中和，所以就不呈现电性。当一个不带电物体靠近带电物体时，如果带电物体所带的是 负电荷，它和正电荷是相吸的，而和负电荷是相斥的，这时靠近带电物体的一面带正电，而 另外一面就带负电。如果把带电物体取走，不带电物体的正负电荷又中和了，仍不带电，这 种现象称静电感应。3. 什么叫静电屏蔽？答：导体在外界电场的作用下，会产生静电感应现象，如果用一个金属罩把导体罩住，则导 体便不会产生静电感应现象。这种隔断静电感应的作用，叫做静电屏蔽。利用静电屏蔽，可使某些电子仪器免受外电场的干扰。另外，利用静电屏蔽的原理制成 的均压服，能够使人在超高压的电场中安全地进行带电作业。4. 尖端放电的工作原理是什么？答:如把导体放到电场中，由于静电感应的结果，在导体中会出现感应电荷。感应电荷在导 体表面的分布情况决定于导体表面的形状，导体表面弯曲（凸出面）程度愈大的地方，所聚集 的电荷就愈多；比较平坦的地方电荷聚集的就少。在导体尖端的地方由于电荷密集，电场很 强，在一定的条件下就可导致空气击穿而发生“尖端放电”现象。如变电所和高大建筑物所安装的避雷针，就是利用尖端放电的原理而设置的。5. 什么是热电效应？答：将两根不同金属导线的两端分别连接起来，组成一闭合回路，一端加热，另一端冷却， 导线中将产生电流。另外，在一段均匀导线上如果有温度差存在时，也会有电动势产生，这 些现象称为热电效应。热电效应是可逆的，单位时间内的发热量Q与电流强度成正比，并且与两端金属的性 质有关。工业上用来测量高温的热电偶，就是利用热电效应原理制成的。6. 什么是光电效应？答：光照射在某些物体上，使它释放出电子的作用称光电效应。从晶体和半导体中释放出的 电子，使其导电性增大，称内光电效应；所放出的电子脱离了物体，称外光电效应，而用电 子冲击物质使它发光的现象，称为反光电效应。太阳能电池、光电管、光敏电阻等，就是利用光电效应而制成的。7. 什么是电流的热效应?它有何利弊？答：当电流通过电阻时，要消耗能量而产生热量，这种现象称电流的热效应。如常用的电炉、 白织灯、电烙铁、电烘箱等都是沿用电流的热效应而制成的电器。但电流的热效应也带来了 很大的麻烦，在电机、变压器、电力线路等设备中，电流通过绕组或导线所产生的热量限制 了设备的利用率。同时对系统的安全运行，也是一种不利因素。8. 为什么直流不能通过电容器而交流电能通过电容器？答：因为电容器的电流与电容器两端电压的变化率成正比。直流电路中，当电路充电过程结 束后，电容两端的电压与电源的直流电压相等，不再变化，即电压的变化率为零，则电流也 为零。交流电路中，由于电压的变化率不为零，则电流也不为零。所以说电容器能隔直通交。9. 什么是“左手定则” ？什么是“右手定则” ？分别说明它们的用途。答：“左手定则”又叫电动机定则，用它来确定载流导体在磁场中的受力方向。左手定则规 定：伸平左手使姆指与四指垂直，手心向着磁场的N极，四指的方向与导体中电流的方向 一致，姆指所指的方向即为导体在磁场中受力的方向。“右手定则”又叫发电机定则，用它来确定在磁场中运动的导体感应电动势的方向。右 手定则规定：伸平右手使姆指与四指垂直，手心向着磁场的N极，姆指的方向与导体运动 的方向一致，四指所指的方向即为导体中感应电流的方向（感应电动势的方向与感应电流的 方向相同）。在生产实践中，左、右手定则的应用是较为广泛的。例如，发电机的感应电动势方向是 用右手定则确定的；电动机的旋转方向是用左手定则来确定的；我们还用这些定则来分析一 些电路中的电磁感应现象。10. 什么叫自感现象、自感电动势和自感?什么叫互感现象、互感电动势和互感?答：由于通过闭合回路（或线圈）自身的电流变化，引起穿过它本身的磁通量跟着发生变化， 而产生感应电动势的现象，叫做自感现象。相应的感应电动势称为自感电动势。穿过闭合回 路（或线圈）的磁通与产生此磁通的电流之间的比值，叫做回路（或线圈）的自感系数，简称自 感，通常以字母L来表示，单位为亨利，或简称亨。当两个闭合回路（或线圈）相互靠近，其中一个回路（或线圈）中的电流变化，弓I起穿过另 一个回路（或线圈）所包围的磁通量跟着变化，刚在该另一回路（或线圈）中产生感应电动势的 现象，叫做互感现象。相应的感应电动势称为互感电动势。由第一个回路（或线圈）的电流所 产生而与第二个回路（或线圈）相链的磁通，同该电流的比值，叫做第一个回路或线圈）对第 二个回路（或线圈）的互感系数，简称互感，通常以字母M表示，单位为亨利，或简称亨。11. 什么叫集肤效应？答：当交流电通过导线时，导线截面上各处电流分布不均匀，中心处电流密度小，而越靠近 表面电流密度越大，这种电流分布不均匀的现象称为集肤效应（也称趋肤效应）。12. 什么叫涡流？涡流的产生有哪些危害？答：当交流电流通过导线时，在导线周围会产生交变的磁场。交变磁场中的整块导体的内部 会产生感应电流，由于这种感应电流在整块导体内部自成闭合回路，很象水的旋涡，所以称 做涡流。涡流不但会白白损耗电能，使用电设备效率降低，而且会造成用电器（如变压器铁芯） 发热，严重时将影响设备正常运行。13. 常用的电阻器阻值标示方法有哪些？各是怎样表示的？答：常用的电阻器阻值标示方法有：直标法：用数字和单位符号在电阻器表面标出阻值，其允许误差直接用百分数表示， 若电阻上未注偏差，则均为土 20%。文字符号法：用阿拉伯数字和文字符号两者有规律的组合来表示标称阻值，其允许偏 差也用文字符号表示。符号前面的数字表示整数阻值，后面的数字依次表示第一位小数阻值 和第二位小数阻值。表示允许误差的文字符号对应如下：文字符号一允许偏差：D0.5%、F1%、G2%、J5%、K10%、M20%、数码法：在电阻器上用三位数码表示标称值的标志方法。数码从左到右，第一、二 位为有效值，第三位为指数，即零的个数，单位为欧。偏差通常采用文字符号表示。、色标法：用不同颜色的带或点在电阻器表面标出标称阻值和允许偏差。国外电阻大 部分采用色标法。黑一0、棕一1、红-2、橙-3、黄一4、绿一5、蓝-6、紫-7、灰-8、白一9、金一5%、 银-10%、无色-20%当电阻为四环时，最后一环必为金色或银色，前两位为有效数字，第三位为乘方数，第 四位为偏差。当电阻为五环时，最后一环与前面四环距离较大。前三位为有效数字，第四位 为乘方数，第五位为偏差。14. 常用的电容器容量标示方法有哪些？答：常用的电容器容量标示方法有：直标法用数字和单位符号直接标出。如OluF表示0.01微法，有些电容用“R”表示小数点， 如R56表示0.56微法。文字符号法用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。如p10表示0.1pF,lp0表示lpF,6P8表示 6.8pF, 2u2 表示 2.2uF.色标法用色环或色点表示电容器的主要参数。电容器的色标法与电阻相同。电容器偏差标志符号：+100%-0-H、+100%-10%-R、+50%-10%-T、+30%-10%-Q、 +50%-20%-S、+80%-20%-Z。15. 电路的基本物理量有哪些？答：电流：电荷有规则的定向运动形成电流。电流强度是在电场的作用下单位时间内通过某一导体截面的电量。电压：电场中任意两点的电位差，就是这两点之间的电压。在数值上等于电场力把单 位正电荷从某点移到另一点所做的功。电位：电位在物理学中称为电势，是表示电场中某点的性质的物理量，表明正电荷位 于该点时，所具有电位能的大小。电动势：电动势表示电源性质的物理量电动势在数值上等于非电场力（局外力）把单位正电荷从电源的低电位端经电源内部移 到高电位端所做的功。16. 什么是电路的有载工作状态、开路与短路？答：（1）电路的有载工作状态：电源和负载接通，电路中有电流，有能量的转换。 开路空载状态电源没有和外电路接通，电源的输出电流等于零，没有能量输出。 短路：电源两端直接短接，电能全部被电源内阻消耗。电路各状态的特征见表21：表21 电路状态特征表负载电压U负载电流I输出功率P备注有载工作状态U=IR=E-IR0I _也P=UI=P -I2RE0电源电压E、功率PE、 内阻R0、电流IS； 负载电阻R、电压U、 电流I、功率P。开路U=EI=0P =0E短路U=0P =I 2RE S 017.短路的原因是什么？有什么危害？生产中能否利用短路？答：短路的原因：（1）接线错误；绝缘损坏；操作错误；机械损伤所致。短路的危害：由于短路时电流不经过负载，只在电源内部流动，内部电阻很小，因而电 流很大，强大的电流会产生很大的热效应和机械效应，使电源或电路受到损坏，或引起火灾。短路的利用：电焊机利用短路产生大电流在焊条与工件间引弧进行焊接；电动机起动时 电流很大，可将并联在电流表上的开关关上，将电表短路，电动机起动电流不通过电流表， 对电表起保护作用，起动完毕将该开关断开。18. 如何理解额定值与实际值的关系？答：各种电气设备的电压、电流及功率等都有一个限额，这些限额分别称为电气设备的额定 电压、额定电流和额定功率。额定值是制造厂对产品的使用规定：按照额定值来使用是最经 济合理和完全可靠的，并且能保证电气设备有一定的使用寿命。长期超过额定值工作，即实 际使用值长期高于额定值，将使设备损坏。相反，实际使用值长期低于额定值工作，则使设 备不能充分利用。所以为了完全充分发挥设备能力，又保证设备安全运行，一般应在设备额 定值下工作。由于设备的额定值不一定等于实际值，只有当设备工作在额定状态下，它才有额定功率。19. 什么叫交流电？什么是正弦交流电？正弦量的三要素是什么？答：交流电：大小和方向会随时间作周期性变化的电流称为交流电。正弦交流电：电流大小和方向随时间按正弦波作周期性往复变化称为正弦交流电。 正弦量的三要素是最大值、角频率（或频率）和初相位表示。20. 什么是交流电的最大值、瞬时值和有效值?答：幅值反映了正弦量在整个变化过程中所能达到的最大值，用大写字母并际有下标m（例 如，I ， U ， E ）表示。m m m瞬时值就是任一时刻的正弦量的值，用小写字母i、u、表示。交流电的有效值就是与它热效应相等的直流电的值。用大写宇母I、U、E表示。21. 什么是周期、频率和角频率？答：周期、频率、角频率都是反映正弦量对时间变化快慢的物理量周期T：正弦量变化一次所需的时间。单位为秒。频率/：每秒内变化的次数，单位为周/秒，或称赫兹，简称赫。它是周期的倒数，即” 1角频率：相角在每秒中变化的角度以弧度数来表示时，单位是弧度/秒。正弦量也可以用角频率表示，因为一周期经历了 2n弧度,所以角频率为:2V =T22. 什么是相位（S t+卩）、初相位卩、相位差 ？答：相位3+ ）称为正弦量的相位，它反映了正弦量在交变过程中瞬时值的大小和正负。 初相位：t=o时的相位称为初相位，它反映了正弦量在计算时起点的相位，它和计时起 点的选择有关，即同一正弦量，计时起点不同，其相位也不同。两个同频率正弦量的相位差就等于它们的初相位差。氐 =（mt+ i）（rnt+ 2）= 1 2 =厂申2 =0两正弦量为同相；A =厂 2=180两正弦量相位相反。在电路中，根据两个同频率正弦量的相位差不同，常用超前、滞后、同相、反相等名词 加以说明。23. 正弦有哪几种表示方法?答：正弦函数表示法：u 二Umsin（et+0 ）i =Imsin （rnt+ ）正弦波形图表示法：如图2一2所示。相量图表示相量的长短等于正弦量的幅值（或有效值），相量和横轴正方向的夹角等于正弦量的初相 位，如图2一3所示。相量的复数式表示复数的模等于正弦量的幅值（或者有效值），复数的幅角等于正弦量的初相位。图22正弦波形图+1图23 相量图24. 什么叫感抗、容抗和阻抗？答：感抗：当交流电流通过有电感的电路时，电感具有阻碍电流通过的作用，这种作用即为 感抗（X厶）。单位为欧姆（Q）.容抗：当交流电流通过具有电容的电路时，电容具有阻碍交流电流通过的作用称为容抗 （XC）0其单位为欧姆（0）。阻抗：当交流电流通过具有电阻、电感和电容的电路时，它们所共同产生的阻碍交流电 通过的作用称为阻抗（Z）,单位为欧姆（0）。25. 什么是视在功率、有功功率、无功功率？答：视在功率；具有电阻及电抗的电路，其电压与电流有效值的乘积，称为视在功率。以 字母S表示，单位为伏安。S=ui（伏安）式中：U电压有效值（伏）；I电流有效值（安）。有功功率：交流电路功率在一个周期内的平均值.称为平均功率，或称有功功率，以 P表示，单位为瓦。对于正弦交流电路，P=UIcosp （瓦）式中：U电压有效值（伏），I电流有效值（安）；COS0功率因数。无功功率：在具有电感或电容的电路中，电感或电容在半个周期的时间里把电源送来 的能量储存起来.而在另半个周期里又把能量送还电源，这样周而复始，只是与电源交换能 量，并不真正消耗能量，为了电工计算上的需要，将这个与电源交换能量的速率的振幅值， 称为无功功率，并用字母Q表示，单位为乏。26. 什么是电压三角形、阻抗三角形和功率三角形？答：在相量图中，选电流相量为参考相量，UR和同相，Ul超前电流,90, UC滞后电流 90，U=U +U +U 。如图 24 所示。L图24电压三角形图25阻抗三角形压的有效值U = J砚+（6-皿=W +（乂上_/$U,-Uc阻抗三角形：总阻抗构成与电压三角形相似的阻抗三角形。如图25所示。呈一屁当0 0时，电路呈电感性；(p R时，则电感元件和电容元件上的电压大大高于电源电压，串联谐振为 电压谐振。谐振电路的品质因数为：6 % 1电感和电容的无功功率相互补偿，电路的无功功率为零，即： Q= U Isinp =0 电源只供给电阻消耗能量，不与电感、电容交换能量。29. 并联谐振有什么特点？ 答：并联谐振的特点如下：并联谐振时的总阻抗Z- RC为最大值。因此当电压一定时，电路电流将最小。电压u和电流i同相（0 =0），电路呈纯电阻性，谐振时电路的阻抗Z 相当于一个 电阻。uc并联谐振时，电容支路的容抗和电感支路的阻抗远小于等效电阻时，贝说明在电容中和电感线圈中的电流将大大超过总电流，出现过电流。共并联谐振的品质因数 为：lc 1口 =石=R =皿U并联谐振时，电路的无功功率等于零。在电容和电感之间进行能量相互交换，电源 只供给电阻消耗的能量。30. 什么叫功率因数（cos） ?怎样提高功率因数？答：功率因数：有功功率与视在功率的比值，称为功率因数，通常以COS0表示。0角称为 P功率因数角。注卡由于有功功率是小于或等于视在功率的，所以功率因数（COS0 ）的数值在01之间。在感性负载上并联一个适当的电容可提高整个电路的功率因数。由于并联电容C，而使 电路的总电流I减小，U和I之间的相位差减小，整个电路的功率因数提咼。这样提咼电源 设备的利用率，减少线路电能的损失，但必须注意，这里所讲的提高功率因数，是指提高电 源或电网的功率因数，而不是指提高某个电感性负载的功率因数。负载电流I不变，电路的 平均功率P不变，负载的功率因数不变，即负载的阻抗角0 1不变。功率因数由COS0 提高到COS0所需的电容C值可由下式决定：P1U-旷塔垃1一绘型）其中C为所需的电容值，P为负载的额定功率，为电源的角频率，U为负载的额定电压。0 1是负载的阻抗角，由COS0 1确定。0是整个电路的阻抗角，电压和总电流的相位差， 由COS0确定。31. 什么是三相电路?采用三相电路的原因是什么？答：三相电路是目前电力系统主要的供电方式，它是由三组相位不同的电源和三组负载共同 组成的电路系统。采用三相电路的原因主要有：（1）三相发电机和输电线比单相同容量的发电机和输电线省材料；（2）三相电动机比单相同容量的电动机省材料、性能好、工作可靠，是生产机械的主要 动力。32. 什么叫端线、中点、中线线电压、相电压、相电流、线电流？答：（1）端线：连接电源和负载各相端点的导线；中点：三相电源中三个绕组末端或前端的连接点称为三相电源中点。三相负载星形联结点称为负载的中点。中线：连接电源中点和负载中点的导线。线电压：三相电源中，任意两根相线间的电压称为线电压。相电压：在三相电源中，任意一根相线与零线之间的电压称为相电压。相电流：在三相负载之中，每相负载中通过的电流称为相电流。线电流：三相电源线各相线中流过的电流，称做线电流。33. 三相功率如何计算？答：不论负载是星形连接或是三角形连接，总的有功功率必等于各相功率之和。当负载对称时的三相总功率为：as 劭=/3 UeIecas Q式中、0角是相电压U与相电流I之间的相位差。pP当负载不对称时总有功功率为各相功率之和，即P = PA+PB +PC式中PA、PB、PC分别为A、B、C各相的有功功率。34. 什么是换路与换路定律？答：换路：在分析含有动态元件(L、C)的动态网络问题时，对接通、断开、电路接线的 改变或是电路参数、电源的突然变化等都称为“换路”电路在换路瞬间(t = 0),电感元件中的电流和电容元件两端的电压都应保持原值而不 能突变，这称为换路定律。即设t=0时刻换路，则有i (0 ) = i (0 )u (0 ) = u (0 )式中，t=0_换路前的终了瞬间；t=0 换路后的初始瞬间。+ . . . 换路定律的实质是能量不能跃变，能量的积累或衰减都要有一个过程。因为磁场能量LiC 说表示换路瞬间电感中电流iL不能突变，电容两端电压UC不能突变。利用换路定律可以 确定换路后电流初始值zL(0 )和电压初始值u (0 )35. 什么是微分电路与积芬电路？它们有什么不同？答：微分电路和积分电路都是由电阻R、电容C组成的脉冲电路。它们输出的电压波形与输 入电压近似微分或积分关系，因此称为微分电路或积分电路。积分电路和微分电路输入电压 的波形虽为周期性的矩形脉冲波，但要注意它们有两点不同。微分电路：输出信号u。取自电阻R两端；电路的时间常数很小r =RCt，所以充、P放电过程很缓慢。如图27 (b)答：磁路：将磁通量约束在其中的区域。在电工设备中，为了得到较强的磁场，广泛地采用 铁磁性材料做成各种形式的铁心。一方面铁心磁化可以大大加强原有的磁场；另一方面，可 以人为地造成磁通的通路。这种主要由铁心所规定的磁通的路径就叫做磁路。37. 变压器为什么不能使直流电变压？答：变压器能够改变电压的条件是，原边施以交流电势产生交变磁通，交变磁通将在副边产 生感应电势，感应电势的大小与磁通的变化率成正比。当变压器以直流电通入时，因电流大 小和方向均不变，铁芯中无交变磁通，即磁通恒定，磁通变化率为零，故感应电势也为零。这时，全部直流电压加在具有很小电阻的绕组内，使电流非常之大，造成近似短路的现象。 而交流电是交替变化的，当初级绕组通入交流电时，铁芯内产生的磁通也随着变化，于是次 级圈数大于初级时，就能升高电压；反之，次级圈数小于初级时就能降压。因直流电的大小 和方向不随时间变化，所以恒定直流电通入初级绕组，其铁芯内产生的磁通也是恒定不变的， 就不能在次级绕组内感应出电势，所以不起变压作用。38. 三相异步电动机的工作原理是怎样的？答：把对称三相交流电流通入定子三相绕组后，三相定子绕组所产生的旋转磁场与转子之间 有相对运动，旋转磁场切割转子导体时便在其中感应出电动势和电流，转子电流与旋转磁场 相互作用产生电磁力，在电磁转矩的作用下驱使转子随磁场而旋转。转子和旋转磁场之间存 在着转速差，是异步电动机转动的必要条件。39. 何为转差率？怎样改变异步电动机的转速？答：（1）转子转速n恒小于旋转磁场的转速n0,表征转子转速比同步转速落后程度的物理量, 称为转差率。转差率是表明异步电动机运行速度的一个重要参数.也是分析异步电功机特性 的一个重要数据，它的大小为：S= （nn） W100%其中n0=60 f/P/为电源频率；P为磁极对数。般三相异步电动机的额定转差率Sn在2%到6%之间由上式可得：n= （1S）n= （1S）60fP故可通过以下方法改变异步电动机 的转速： 改变旋转磁场的极对数； 改变转差率； 改变电源频率。40. 异步电动机起动时应满足什么条件？答：（1）起动时的电压降。经常起动的电动机不大于10%，起动过程中不影响其他用电设备 正常运行时，电动机起动压降可容许20%或更大。起动力矩应大于传动机械所要求的力矩。起动容量应不超过供电设备的过负荷能力。应保证电动机和起动设备的动态稳定和热态稳定要求，即应符合制造厂规定的起动 条件。41. 异步电动机铭牌上标有哪些数据？各表示什么意义？答：交流异步电动机铭牌上主要标记以下数据，并解释其意义如下：额定功率（P）：是电动机轴上的输出功率。额定电压：指绕组上所加线电压。额定电流：定子绕组线电流。额定转数（r/min）：额定负载下的转数。温升：指绝缘等级所耐受超过环境温度的温升值。工作定额：即电动机允许的工作运行方式。绕组的接法：A或Y联结，与额定电压相对应。42. 单相异步电动机采用分相电容的意义是什么？答：在单相电动机的定子绕组中通入单相交流电时，产生交变脉动磁场。脉动磁场可以分解 为两个大小相等、方向相反的旋转磁场它们在转子上产生的电磁转矩大小相等、方向相反， 故起动转矩为零。因此单相异步电动机的固有特性是不能自行起动的，但一经起动即可连续 地运转。利用电容器移相的作用，产生两相旋转磁场，从而获得起动转矩，使电动机起动。43. 同步电机与异步电机主要区别是什么？同步电机有哪些分类？答:同步电动机与异步电动机的主要区别是：同步电动机在稳态和电网频率f为常数的条件 下，其平均转速n恒为同步转速而与负载大小无关。同步电机按运行方式、频率和结构型式分类如下：（1）按运行方式和功率转换方向分为：发电机、电动机和补偿机三类。（2）按结构分为：旋转电枢式和旋转磁极式两种。在旋转磁极式中，按磁极的形状、又可 分为凸极式和隐极式两种