第1章电工进网作业电工基础知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第1章电工进网作业电工基础知识,任何职业训练都需要付出刻苦的努力，电工学也是一样，学习知识的最好方法是阅读、思考和操作。,巩固知道知识的方法是复习和思考实践。所以希望学生能多看、多问、多练。,第,1,章,电工基础知识,电路理论和电磁理论是电子工程的两大基础理论，电子工程的所有分支学科均是在此基础上发展起来的，电源、电机、控制、电子学通信以及电子仪器等许多分支都是基于电路理论而发展形成的，因此，电路理论基础课是电子工程专业最重要的课程，也是初学电子工程专业的学生的最佳起点学习电路理论对于其他理工科专业学生也是很有意义的，因为电路通常是研究能量系统的一种很好的模型，而且其中包含了应用数学，物理学拓扑学等诸多内容。,1,1,、电路的组成及作用,电路：,电流所通过的路径。,电路的作用,是进行电能的传输和转换，或是实现信号的传递和处理。,电路是由某些电气设备和元器件按一定方式连接组成。,电路可分成,电源,、,负载,和导线三个部分,电源,是提供电能的设备，是电路工作的能源，电源的作用是将非电能转换成电能。,负载,是用电设备，比如我的灯泡,是将电能转换成光能,.,导线,:,导线是负责输送电能的管子。,一、 电路的组成及各部分的作用,第,1,节 直流电路,本节主要介绍电路的基本物理量、欧姆定律，基尔霍夫及简单直流电电路的计算。,2,电池,灯泡,E,I,R,U,+,_,电源,3,2,、电路的工作状态,（,1,）,开路状态,(,电路中没电流流过,电阻无穷大,电压为电源电动势,),（,2,）,通路状态,(,电路中有电流流过,电阻与电流成反比,电压与电流成正比,),（,3,）,短路状态,(,电阻接近与零,电流急剧上升,电压下降至零,),忽略电路元器件的次要因素，将其理想化，并用规定的电气图形符号表示所组成的电路，称为电路。,4,二、电流,1,、电流的概念与分类,带电粒子（电荷）的定向运动形成电流。,电流的方向不变化为直流,I(DC),。,方向和大小都变化为交流,i(AC),。,I,Q/t,（取决于在一定时间内，通过导体横截面的电荷量）,I,电流强度（,A,安培）,Q,电荷量（,C,库仑）,t,时间（,S,秒）,2,、电流的单位,安培（,A,）,电流单位换算,1A,10,3,mA 1mA,10,3,A,，,1 kA,10,3,A,3,、电流的方向,规定：正电荷运动的方向为电流的实际方向。,假设的电流流向称为电流的参考方向。,5,分析：,当参考方向与实际方向相同时，则,I0,当参考方向与实际方向相反时，则,I0,，负值表示方向相反而不是负电流值）,1,、电动势的定义,电动势是衡量电源力移动电荷做功能力的物理量,电动势：电源力将单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功。,E=W,电源力,/Q,三、电动势,2,、单位,字母符号：,E,单位：,V,（伏特）或简称伏,6,3,、电动势的方向,E,的方向是从低电位（电源负极）指向高电位（电源正极）,四、 电压与电位,1,、电压,电荷移动需要力，推动电荷在电源外部移动的这种力称为电场力。电场力将单位正电荷沿电路由一点推向另一点所做的功称为电压。做功越多，电压就越大。由此可见，电路中电压表明了电场力推动电荷做功的能力。用数学式可表为：,U,AB,=W,AB,/Q,式中：,U,AB,表示,AB,两点间的电压，单位（伏特,V）,。,W,AB,表示电场力将电荷,A,点推向,B,点的所做的功，单位（焦耳,W,），,Q,表示电荷，单位（库仑,C）,（,1,）电压是衡量电场力作功能力大小的物理量。,7,电场力将单位正电荷从电场中的,a,点移到,b,点所做的功，称其为,a,、,b,两点间的电压。,（,2,）电压的方向,电压方向,规定为由高电位指向低电位,三种表示法：箭头表示 双下标表示,U,AB,习惯上把电压从高电位指向低电位的方向称为电压的实际方向。,（,3,）电压的单位,伏特（,V,）,1V,10,3,mV,1mV,10,3,V 1kV,10,3,V,8,2,、电位,电位：,某点到参考点之间的电压：用,U,（或,）表示 单位,V,把参考点的电位称为零电位。即如,A,点参考点则,A,0V,）,通常选大地为参考点，把大地的电位作为零电位点。,任意两点间的电位差：,UAB,UA-UB,或,AB,A-B,电压与电位的异同点：,电位是某点对参考点的电压，电压是某两点间的电位差；,电位是相对量，随参考点的改变而改变，而电压是绝对 量，不随参考点的改变而改变。,9,五、 电阻器,1,、电阻器的,概念,当自由电子在金属导体里作定向移动时，要受到导体里的某些物质的阻碍，我们把导体对电流的阻碍，简称电阻 “,R”,符号表示。,这个阻碍与导体的长度和电阻率成正比，横截面积成反比。,R,L/S,L,：导体长度（,m,）米,S,：横截面积（,m,2）,平方米,：导体的电阻率（,m,）,3,、电阻器分类,：,固定电阻 可变电阻 水泥电阻,碳膜电阻 线绕 金属膜电阻,2,、单位：,为欧姆（,）,1K=10,3, 1M=10,6,10,4,、主要指标：,标称阻值,承受功率,允许偏差,5,、标志方法,：色环法,色标符号,方法,：,棕（偏差）,金（倍乘）,黄（第三位）,紫（第二位）,棕（第一位）,黑,0,棕,1,红,2,橙,3,黄,4,绿,5,蓝,6,紫,7,灰,8,白,9,银,10,-2,金,10,-1,11,12,13,1,、部分电路欧姆定律,部分电路欧姆定律：（不含电源电路）,内容：流过导体的电流与这段导体两端电压成正比，与导体的电阻成反比,I=U/R,式中,R,为电阻，单位为欧姆,，,电阻一定时，电压愈高电流愈大；,电压一定，电阻愈大电流就愈小。,六、 欧姆定律,2,、全电路欧姆定律,全电路欧姆定律（含源电路）,内容：电路中电流与电源电动势成正比，与内外电阻之和成反比,/,（,+,）,14,公式变形：,E=IR+Ir=I(R+r)=U=U0,分析：由,U=E-Ur=E-Ir,可知：,当电阻,R,为无穷大，,I=0 U=E,（最高）,当电阻,R,变小，,I,增大,U,减小,当电阻,R,变大，,I,减小,U,增大,七、 电阻的连接,1,、电阻的串联,两个或多个电阻头尾依次相连，称为电阻的串联。,R1,R2,R3,15,电阻串联的特点：,（,1,）流过每一元件的,电流相等,I,I1=I2=,In,；,（,2,）,总电压等于各个电压之和,U=U1+U2=IR1+IR2,；,（,3,）,R=R1+R2-+Rn,；,总电阻等于各个电阻之和，,（,4,）,串联电阻有分压作限流作用。,分压式：,U1=R1U/R1+R2,；,U2=R2U/R1+R2,。,16,2,、电阻并联,两个或两个以上电阻，它们的一端接在一起，另一端也接在,一起，并承受相同的电压。,电阻并联的特点：,（,1,）,电压相同，,U=U1=U2-=Un,；,（,2,）,总电流等于各个电流之和，,I=I1+I2-+In,；,（,3,）,总电阻的倒数等于各个电阻倒数之和。,1/R=1/R1+1/R2-+1/Rn,，,若只有两个电阻并联即,R=R1,并,R2=R1R2/R1+R2,；,（,4,）,电阻并联具有分流作用，,分流式：,I1=R2I/R1+R2 I2=R1I/R1+R2,(5),总功率等于各分功率之和,每一条支路功率与电阻成反比。,17,电路的混联,电路的混联也称为,(,复联,),或,(,串并联,),前面我们介绍了电路的串连和电路的并联,现在我给大家介绍电路的串并混联电路，以下是关于混联的特性。,混联电路就是电路中即有串联又有并联的混合体电路。,混联总电阻,混联图：,1,总电阻等于,R1,并,R2,加上,R3,加上,R4。,RT=R1IIR2+R3+R4,以上电阻分有三步求和，先算出阴影,R1,和,R2,部分的电阻，前面我我们讲过并连电路的关系。其中是两个并联,RT=R1R2/R1+R2,两个同样阻值的可以直接用常数除以指数,RT=R/n,RT,为总电阻，,R,电阻值，,n,指数。,18,总电阻,例：,混联电路中总电阻是多少（,RT）,解：我们先求得,R1,和,R2,并联的等效电阻。图中,R1,和,R2,阻值相同，可以用并联计算公式可以得到。,R1,II,R2=R1,II,R2,表示电路总电阻的一部分，先将其从整个电路中的电阻（,RT,）中分割出来。,由于,R1,II,R2,与,R3,和,R4,串联，所以得到的总电阻如下所示：,总电流,：当知道总电压和总电阻通过欧姆定律可以算出总电流，公式如下,IT=VT/RT=220/450=0.49A=490mA,电压降：,通过分压公式我们可以得到每一个元件上的电压。公试如下,电压等于电阻乘电流，那么我们只要知道总电阻和总电流就能到得总电压，同理我们知道分电阻和流过分电阻的电流就能知道分电阻的两端所承受的电压。,总电压：,VT=V,R1R2,+V,R3,+V,R4,因,R1,和,R2,并联所以它两端承受的电压是一样的，,R1,和,R2,并联的电阻和总电流在上试以算出。,也可以用分压公式求得，公式如下,19,例,1,参考混联电路图,2,求中图的总电阻总电流加在,AB,两端的电压,电路图,2,例,1,参考混联电路图,2,求中图的总电阻总电流加在,AB,两端的电压，我们先算出并联部位的电阻。,R2+R3,II,R4+R5=,总电阻：,RT=R1+（R2+R3）,II,（R4+R5）=,总电流：,AB,两端电压：,U,AB,=R1*IT=100*0。73=73V,20,4.,电源的串联,关于电压源的串联有一个常见的例子是手电筒。给手电筒装上两节,1.5V,的电池，它们是串联的，总电压是,3V,。当将电池串联或其它电源串联用来增加电压时，通常把其中一个的正极连接到另一个的负极上。如以下实物图。,串联的电压：,当两个或更多的电压源串联时，总电压等于各个电压源电压的代数和。代数和意味意味着当电压源串联的时候，要将电压源的极性也考虑在内。反向极性电压源的电压有反向的符号。,V,T,=V,S1,=V,S2,=V,S3,+.V,Sn,如果所有电压源极性都是同一个方向，则相加时所有的电压符号是一样的。从,A,端到,B,端的总电压为：,V,AB,=3V+3V+3V=9V,电 压有双下标,AB,的，表示这个电压是,A,端对于,B,端的参值。,21,串联电压源计算,以下四个电压源极性都是同一方向，只须将每个电压源相加及可得到总电压。,V,T,=VS1+VS2+VS3+VS4=3+3+3+3=12V,总电压,：,12V,以下四个电压源之中,VS3,与其它,3,个电压源方向相反。可将,VS3,取负号相加。总电压如下。,VT=VS1+VS2+VS3+VS4=,+,3+,+,3+,-,-,3+,+,3,6V =3+3,3+3=6V,总电压：,6V,当电 压源串联时，应注意输出电流不能大于串联电源中最小输出的电流。比方有三个电源，分别输出电流为：,1A,、,3A,、,3.5A,。将三个电源串联在一起时，输出电流不能大于,1A,。串联电源内阻应相同 ，如果其中有电阻大小不相同的，电阻大的会提前烤坏。,6V,12V,22,串联电源的内阻,电源串联内阻与 电阻串联相似，总内阻等于各分内阻之和：,rT=r1+r2+r3,串联电源的电流,串联电源每个电源输出的电流相等,电源并联主要用于单个电源输出电流不足的情况下，电源并联要求电源电压相同内阻相同输出电流不做要求，并联极性方向一制。,电源并联电压：,VT=V1=V2=V3,电源并联电流：,AT=A1+A2+A3+.An,电源并联内阻,:,5.,电源并联,23,并联电源电压电流计算,并联电源电压相等所以,:,VT=V1=V2=V3=.Vn,并联电源可输出电流等于各分电源电流代数和,:AT=A1+A2+A3+An,AT=3A+3A+3A+3A=12A,24,八、 电功与电功率,1,、电功,电能是由其他形式的能（如机械能、热能、化学能、核能）转换来的，电能又可以换为其他形式的能。如电流通过灯泡发光是电能转换成热能变为光能的现像。电流通过电动机，电动机带动其他机器运转而做功，便是电能转换成机械能的过程。,简称为电功 用字母,W,表示。,W=UIt,式中：,W,电功,J,；,U,电压,V,；,I,电流,A,；,t,时间,S,W=I,2,Rt=U,2,t/R,实际中：电功的单位常用千瓦,小时（,KW,h,），俗称“度”,常生活电能的计算：,3.6,10,6,J=1KW.h=1,度,有一个电饭锅，额定功率为,750W,，每天使用,2,小时；一台,25,吋,电视机，功率为,150W,，每天使用,4,小时；一台电冰箱，输入功,率为,120W,，电冰箱的压缩机每天工作,8,小时。计算每月（,30,天）,耗电多少度？,解：,（,0.75kW2 h,0.15kW4h,0.12kW8h,）,30,天,（,1.5,度,0.6,度 ,0.96,度）,30,91.8,度,答,:,每月耗电,91.8,度,【,例,】,25,3,、电流的热效应,电流通过导体时，由于自由电子与杂质的碰撞，导体的温度会升高。这是因为导体吸的电能转换成为热能的缘故。这种现像叫做电流的热效应。电流通过导体时所产生的热量与电流强度的平方、导体本,焦耳,楞定律,Q=I,2,Rt=U,2,t,/R=Uit,单位：,Q-J, I-A, R-, t-S,。,2,、电功率,单位时间内电流所做的功叫做电功率，以符号,“P”,表示，电功率是描述电流在单位时间内做功大小的物理量，通常所谓用电设备容量的大小，都是指其电功率大小而言，它表示该用电设备单位时间内作功的本领，其数学表达式为：,单位：瓦特（,W,）, mW,，,KW,；,P=W/t=IU=I,2,R=U,2,/R,式中：,P,电功率,W,；,U,电压,V,；,I,电流,A,；,26,九、 电容器,1,、电容器的概念,电容器是用来储存电荷的装置，它由两块金属极板中间夹有,绝缘材料构成，当在极板两边加有电压，极板上会有电荷存在，简称电容。,C,电极,极板,介质,27,充电完成后电容两端电压达到电源电压（,VS,）,电荷停止移动，没有形成电流。,开始充电时电子从正极极板流向负极极板,移动的是负电子,中性电容极板两端有相同的电荷存在形成中性粒子,充电完成后断开电源电容两端仍然保持电荷同时存在电压。,充电图：,01,28,一法拉是电容单位，指一库仑电荷电量储存在带有一伏电压的极板上,电容量：,式中：,C,电容单位（法拉）,F,；,Q,电极板两端带的电荷,C,；,U,两极板间的电压,V,；,电容容量,电容容量是指单位电压接在电容两端时电容所能存储电荷的数量，记做,C.,即电容容量是电容存,储电荷能力的量度。一个电容在单位电压,F,所能存储的电荷越多，容量就越大，用以下公式表示。,电容是表示电容器存储电荷能力的物理量，是固有参数。有：,式中：,S,平行板电容器的面积，,m,2,；,d,极板间的距离,m,；,介质的介电常数,F/m,；,电容的单位是：法拉（,F,）是电容的基本单位，库仑（,C,）是电量的基本单位，,其换算关系为：,1F=10,6u,F,1F=10,12,pF,29,前面我们学习了基本物理量、参数、和单位和计算方法。下面我们来做几个例题。,电容的计算：例,1,（,1,）,某个电容存储,100uC,的电量，两极板间加,10V,电压，用,uF,表示该电容是多少？,（,2,）,电容容量为,40uF,，加,200,电压，所能存储的电荷是多少？,（,3,）,电容,1000PF,，存储了,20,微库仑的电量，计算其两端电压为多少？,解,：（,1,）,(2),(3),练习：如果,C=1000PF,和,Q=100uC，,求电压多少？,当,C=1000PF,和两端电压,200V,求电所能存储的电荷是多少。,当电压,1000V,电荷,Q=200uC,求电容量是多少。,电容如何存储能量,电容是以电场的形式存储能量，电场是由两块带有两种不同电荷的导体极板组成，正负板之间用电力线描述，并且和电介质有关。如下图所示,30,库仑定律描述,：,两个点电荷之间的库仑力和两个电荷电量的大小成正比，和两个电荷之间的平方成反比。,关系描述如下：,这里的,F,代表的大小,单位是牛顿。,Q1,和,Q2,代表电量的大小，单位是库仑。,d,是两个电荷之间的距离，单位是米。,K,是常量，值为,9*10,9,牛顿,-,米,2,/,库仑,2,。,下,1,图描述了正负点电荷之间的电力线，下,2,图描述了金属板上大量反向电荷产生的电力线，在电介质内形成能够存储能量的电场。,图,1,正电荷与负电荷之间存在的互吸电力线,图,2,电容两极板上存储的能量越多，两极板之间存在的力越强。由此可知存储能量的多少和电容大小成正比，因为存储的电荷越多，电场力就越强大。,同样电荷的多少和电压的大小也有关系，电压越大能使电极板上的电荷越密。因此存储能量的多少也取决天电容两极板之间电压的平方。电容能量计算公式如下：,其中，电容（,C,）单位是法拉，电压（,V,）的单位是伏特，能量（,W,）的单位是焦尔。,31,电容的额定电压,每个电容两极板上所能承受的电压都有一个极限值。额定电压描述了器件不受损坏的情况下所能承受的最大直流电压大小。这个最大电压通常叫做击穿电压或者工作电压，如果超过这个电压值，会导致电容烧毁。,电容应用到电路中时，同时应考虑电容量和额定电压，通常额定电压应大于电路电压。而电容容量与电路精密要求有关，通常可以微选大一点的。,温度系数,温度系数描述了电容值随温度变化的大小和方向。正温度系数是指电容容量随着温度的升高而增大，随着温度的降低而减小。负温度系数是指电容随着温度的升高而减小，随着温度的降低而增大。,泄漏电流,任何一种材都不是完全绝缘的。任何电容的电介质材料都会带有一定量的电荷，因此电容上的电荷最后会泄漏。有些种类的电容，例如大型电介质类型的，比其他电容更容易泄漏。如下图所示，为一个非理想状态的电容等效电路。,温度系数通常用,ppm/,表示。例如一个,1uf,的电容，温度系数为,150pp/,表示温度每升高一度，电容增加,150pf,（,1uf,等于一百万,pf,）。,32,是容的物理物性,以下特性对决定电容器的电容量以及额定电压都很重要。金属板的面积、两板之间的距离和介电常数,。,金属板面积：,电容大小和两金属板相对面积成正比。面积越大电容就越大，面积越小电容就越小。下图,1,所示两平行金属板的相对面积就是两金属板的面积。如果金属板相对另一块金属板移动，如下图,2,所示的重叠面积为有效面积。这种有效面积是计算电容的依据。,金属板面积减小电容减小,金属板面积大电容较大,两板距离 ：,电容大小和金属板之间的距离成反比。两板之间距离用,d,表示，如上图所示。由图可见两板间距离越大电容越小。以前曾提到，击穿电压和两板之间的距离有关，两金属板间的距离越大，击穿电压就越大。,如上所述，金属板之间的绝缘物质叫做电介质。电介质能使在给定电荷量的情况下减少两极板之间的电压，电容量增大。如是电压是定值，中间充满电介质时能存储的电荷比没有电介质时要多。材料对电场能力大小的量度叫做介电常数，用 表示,电容的大小与多属板的面积成正比,电容的大小和金属板的距离成反比,电容大小和介电常数成正比。真空的介电常数为,1,，空气的介电常数接近,1.,其它材料的介电常数均以真空的介电常做为参数，其它材料的介电常数值和真空情况下是不同的。例如，在其他条件相同的情况下，充满电介质介电常数 等于,8,的材料的电容大小为电介质是真空的电容的,8,倍。,33,介电常数（相对介电常数）没有单位，因为它是一个相对数值。 即是材料的绝对介电常数 与真空介电常常数 的比值，如以下公式所描述：,（,0.1,）,其中 的取值,在物理方面有关电容的公式,已知电容与金属板面积的大小,A,和介电常数 成正比，与两块金属板的距离 成反比。公式如下：,（,0.2,）,其中,A,的单位是平方米， 的单位是法拉。真空的绝对介电常数 为,8.85X10-,12,F/m,，绝对介电常数 由上式可得：,（,0.3,）,例,1,电容两平行金属板的面积是,0.01,平方来，距离是,0.02,米，确定电容是多少。已知电介质是云母，介电常数为,5.0.,解：,用,0.2,式可算得。,练习：已知,A=0.1m,2,d=0.009m,电介质为陶瓷，求电容,C,。,3,、电容器的主要参数,标称电容,耐压值,允许误差,4,、电容器的串联与并联,特点,：,、总电容：,Q1=Q2=Q3=Qn,、总电压：,U=U1+U2+U3+Un,、用每一个表达式代替电压时，可以得到以下结果,(0.4),因为每个电容所带电荷相等，,Q,可以消除掉，结果为：,(0.5),两个或两个以上的电容器依次相连，只有一条通路的联结,方式（中间无分支的连接方式）,（,1,）电容器的串联,按结构分：固定电容器、可变电容器 半可变电容器,按介质分：空气电容器、纸介电容器、云母电容器、,电解电容器（有正负极）,2,、电容器的种类,30,将式（,0.5,）的两边同时取倒数，可得到串联电容总电容的表达式，如下：,串联电容总电容的大小通常小于串联各电容的最小值,两个电容串联 当串联电路中只有两个电容时，式,0.5,可以转化为以下形式,（,0.6,）,等式左右同时取倒数，可以得到两个电容串联时总电容的表达式,：,串联等效电容 式,0.5,可以变形国另一种形式。当各个电容的值都相同并且等天,C,时，公式变形为：,右侧各式相加得。,0.7,0.8,当串联各电容容量相等时，总容量等于串联任意一个电容的标称值（因为每个电容的标称值一样）除以电容的总共个数。,0.9,34,电容的并联总电容值就是各个单独电容的电容值总和，原因是金属板的有效面积,增加了。电容并联方式 下总电容值的计算和串联电阻总电阻值的计算很相似。,（,2,）电容器的并联,特点,：、总电压：,U=U1=U2=U3=Un,、总电荷：,Q=Q1+Q2+Q3+Qn,、总电容,C=C1+C2+C3+Cn,例：,下图的总电容是多少，每个电容两端的电压是多少。,解：由电容并联的特点,3,可知总电容等于各分电容总和。,由于电容量相等可以用以下公式得到：,电压：由于并联电容电压相等，所以,VC1=VC2=VC3=VC=VC5，,每个电容两端的电压为,36V.,35,3,1,磁场及其基本物理量,3,1,1,磁场,案例,3,1,在日常学习、生活中，我们大家使用较多的电器：收录两用机。收录机用于记录声音的器件是磁头和磁带。磁头由环形心、绕在铁心两侧的线圈和工作气隙组成。环形铁心由软磁材料制成。收录机中的磁头包括录音磁头和放音磁头。声音的录音原理利用了磁场的特点与性质，首先将声音变成电信号，然后将电信号记录在磁上；放音原理同样利用磁场的特点与性质，再将记录在磁带上的电信号变换成声音播放出来。,1,磁体与磁感线,将一根磁铁放在另一根磁铁的附近，两根磁铁的磁极之间会产生互相作,用的磁力，同名磁极互相排斥，异名磁极互相吸引。磁极之间相互作用,的磁力，是通过磁极周围的磁场传递的。磁极在自己周围空间里产生的,磁场，对处在它里面的磁极均产生磁场力的作用 。,磁场可以用磁感线来表示,(,磁力线,),，磁感线存在于磁极之间的空间中。磁,感线的方向从北极出来，进入南极，磁感线在磁极处密集，并在该处,产生最大磁场强度，离磁极越远，磁感线越疏。,2,磁场与磁场方向判定,磁铁在自己周围的空间产生磁场，通电导体在其周围的空间也产生磁场。,条形磁铁周围的磁场方向如图,3,2,所示。,通电直导线产生的磁场如图,3,3,所示，磁感线（磁场）方向可用安培定则（也叫右手螺旋法则）来判定。,通电线圈产生的磁场如图,3,4,所示，磁感线是一些围绕线圈的闭合曲线，其方向也可用安培定则来判定。,3,1,1,磁场,图,3,2,条形磁铁的磁感线,3,1,2,磁场中的基本物理量,图,3,3,通电直导线的磁场 图,3,4,通电线圈的磁场,1,磁通,一块磁铁由北极向南极的磁力线组合称为磁通,用符号,(,希腊字母,),表示。磁场中磁力线的数量决定了磁通量的值。磁力线越多，磁通越大，磁场越,强。,磁通量的单位是韦伯（,Wb）。,一韦伯等于,10,8,条磁通线。韦伯是非常大的单位，因此在实际情况中通常用微韦伯（,Wb）,一微韦伯等于,100,条磁通线。,3,磁导率,1,对于不同材料建立磁场的难易程度由材料的磁导率来衡量。磁导率越高，磁场越容易建立。,2,磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量,也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。,磁通量,的单位为韦伯,(Wb),，工程上有时用麦克斯韦,(Mx),。,1Wb,10Mx,。,或,2,磁通量,磁通密度是磁场中垂直于磁力的单位面积中磁通量的大小，符号为,B，,国际单位是特斯拉（,T）。,一特斯拉等于一韦伯每平方米（,Wb/m,2,）。,磁感应强度,B,与垂直于磁场方向的面积,A,的乘积，称为通过该面积的磁,。即,1,磁通密度是磁场中垂直于单位面积中磁通量的大小或可理解一块磁体材中磁力线的紧密成度。,真空中的磁导率是一个常数，用,0,表示，即,0,410,-7,H/m,其他任一媒质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率，,用 表示，即,或,磁阻（,R,）,在材料中建立磁场的阻力称为磁阻。磁阻值与磁力路径（,L）,成正,比，与磁导率,( ),和横截面积,(A),成反比,公式如下,:,磁路的磁阻可以同电路的电阻类比。对于磁阻的单位， 用米，,A,用平方米，,u,用,Wb/At.m,来表示。,At/Wb,：安匝,/,韦伯,3,1,1,磁场,例,10.3,已知长为,0.05,米,横截面积为,0.012m,2,磁导率为,3500uWb/At.m，,求材料的磁阻。,解：,练习：若本例中的,L,加倍，,A,减半，磁阻如何变化？,磁通势（,mmf）,如前所述，电流流过导体产生磁场。产生磁场的力称为磁通势（,mmf）。,磁通势的单位是安匝（,At），,建立在电流流过单回路线圈的基础上。磁通势的公式是：,Fm=NI,Fm,为磁通势，,N,是线圈匝数，,I,是电流安培。,右图所示是围绕磁性材料的一组载流线圈产生,的力建立了通过磁路的磁通线。磁通量的大小取,于磁通势的值以及材料磁阻的值，公式如下：,上述方程称为磁通路中的欧姆定律，因为磁通（,）类比于电流，磁通势,（,Fm）,类比于电压，磁阻（,R）,类比于电阻。,例,：材料磁阻为,28,10,3,At/Wb，,求图,10。12,所示磁路中的,磁通是多少？,解,：,练习：材料磁阻为,810,3,At/Wb，,匝数是,30，,电流是,1.8A,求上图,10.12,所示磁图,中的磁通是多少。,其中。注意磁场强度取决于导线线圈的匝数（）、流过线圈的电流（）以及物质的长度（），而与物质的材料无关。,由于,，因此,增大时磁通量增大，同时磁场强度（）增大。回忆一下磁通密度（）是横截面每单位面积上的磁通量（,），所以和也是成比例的。反映和这两个量关系的曲线叫做曲线或者磁滞曲线。影响和的参数在下图举例说明,1,磁场强度,物质中的磁强度定义为：物质每单位长度（,）,的磁势（,）。用以下方程描述，磁场强度（）的单位为每米上的安培匝数（）,例：,10.5,5,匝线圈中通有,4,安培电流。,（,1）,磁通量是多少？,（,2）,当磁通是,250uW,时，磁阻是多少？,Fm=NI,3,1,2,磁场中的基本物理量,3,2,电磁感应,案例,3,2,现代社会，工农业生产和日常生活中，我们都离不开电能，而我们使用的电能是如何产生的？交流发电机是电能生产的关键部件，而交流发电机就是利用电磁感应原理来发出交流电的。,1,电磁感应现象,在如图,3,5,（,a,）所示的匀强磁场中，放置一根导线,AB,，导线,AB,的两端分别与灵敏电流计的两个接线柱相连接，形成闭合回路。,当,导线,AB,在磁场中垂直磁感线方向运动时，电流计指针发生偏转，表明由感应电动势产生了电流。如图,3,5,（,b,）所示，,将磁铁插入线圈，或从线圈抽出时，同样也会产生感应电流。,也就是说，只要与导线或线圈交链的磁通发生变化（包括方向、大小的,变化），就会在导线或线圈中感应电动势，当感应电动势与外电路相接，形,成闭合回路时，回路中就有电流通过。这种现象称为电磁感应。,3,2,电磁感应,2,感应电动势,如果导线在磁场中，做切割磁感线运动时，就会在导线中感应电动势。其,大小为,当导线运动方向与与导线本身垂直，而与磁感线方向成角时，导线切割磁感线产生的感应电动势的大小为：,感应电动势的方向可用右手定则判定：伸开右手，让拇指与其余四指垂,直，让磁感线垂直穿过手心，拇指指向导体的运动方向，四指所指的就是感,应电动势的方向。如图,3,6,（,a,）所示。,E,电动势,B,磁感线,(,磁力线,),线的长度,.,转速,Sin,相角,例,:,应法拉第定律,3,2,电磁感应,图,3,5,电磁感应实验,3,2,电磁感应,将磁铁插入线圈，或从线圈抽出时，导致磁通的大小发生变化，根,据法拉第定律：当与线圈交链的磁场发生变化时，线圈中将产生感应电,动势，感应电动势的大小与线圈交链的磁通变化率成正比。感应电动势,的大小为,e,是感应电动势，单位为伏（,V,）。,如果线圈有,N,匝，而且磁通全部穿过,N,匝线圈，则与线圈相交链的总磁通为 ，称为磁链，用,“,”,表示，单位还是 。则线圈的感应电动势为,感应电动势的方向与其产生的感应电流方向相同。,3,感应电流,当导体在磁场中切割磁感线运动时，在导体中产生感应电动势，如果导体与外电路形成闭合回路，就会在闭合回路中产生感应电流，感应电流的方向与感应电动势的方向相同，也可用右手定则来判定：感应电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。,3,2,电磁感应,图,3,6,感应电动势、感,应电流方向的判断,3,2,电磁感应,例,3,2,在一个 的匀强磁场里，放一个面积为 的线圈，其匝数为,500,匝。在,0.1s,内，把线圈从平行于磁感线的方向转过 ，变成与磁感线方向垂直。求感应电动势的平均值。,解：在时间,0.1s,里，线圈转过 ，穿过它的磁通是从,0,变成：,在这段时间内，磁通量的平均变化率：,图,3,7,如图,3,6,所示，将磁铁插入线圈，或从线圈抽出时，线圈中将产生感应电流，而感应电流产生的磁通总是阻碍线圈中原磁通的变化。,3,2,电磁感应,例,3,1,在图,3,7,中，设匀强磁场的磁感应强度为,0,1 T,，切割磁感线的导线长度为,40cm,，向右匀速运动的速度为,5 m/s,，整个线框的电阻为,0,5,，求：,（,1,）感应电动势的大小,（,2,）感应电流的大小和方向,解：（,1,）线圈中的感应电动势为,（,2,）线圈中的感应电流为,利用楞次定律或右手定则，可以确定出线圈中感应电流的方向是沿,abcd,方向。,根据电磁感应定律：,3,2,电磁感应,例,3,3,如果将一个线圈按图,3,8,所示，放置在磁铁中，让其在磁场中作切割磁力线运动，试判断线圈中产生的感应电动势的方向。并分析由此可以得出什么结论？,解：根据右手定则判断感应,电动势的方向，如图示。若,将线圈中的感应电动势从线,圈两端引出，我们便获得了,一个交变的电压，这就是发,电机的原理。,图,3.8,3,3,1,自感,根据法拉第电磁感应定律，可以写出自感电动势的表达式为,将 代入，得,即,2,自感现象的应用与危害,自感现象在各种电器设备和无线电技术中有广泛的应用，日光灯的镇,流器就是利用线圈自感现象的一个例子。,自感现象的危害：在大型电动机的定子绕组中，定子绕组的自感系数很大,而且定子绕组中流过的电流又很强，当电路被切断的瞬间，由于电流在很短的时间内发生很大的变化，会产生很高的自感电动势，在断开处形成电弧,这不仅会烧坏开关，甚至危及工作人员的安全。因此，切断这类电路时必须采用特制的安全开关。,3,3,自感与互感,3,3,1,自感,1,自感现象与自感电动势,自感现象是电磁感应现象中的一种特殊情形。,这种由于流过线圈本身电流变化引起感应电动势的现象，称为自感现象。,这个感应电动势称为自感电动势。,当电流流过回路时，在回路内要产生磁通，此磁通称为自感磁通，用符号 表示。当电流流过匝数为,N,的线圈时，线圈的每一匝都有自感磁通穿过，如果穿过线圈每一匝的磁通都一样，那么，这个线圈的自感磁链为,为了表明各个线圈产生自感磁链的能力，将线圈的自感磁链与电流的比值叫做线圈（或回路）的自感系数（或叫自感量），简称电感，用符号,L,表示，即,3,3,2,互感,案例,3,3,：变压器是利用互感现象制成的一种电气设备,在电力系统和,电子线路中广泛应用。大家收录机常用的稳压电源，就是变压器的一种。,1,互感现象,由于一个线圈流过电流所产生的磁通，穿过另一个线圈的现象，叫磁合。,由于此线圈电流变化引起另一线圈产生感应电动势的现象,称为互感现象。,产生的感应电动势叫互感电动势。,2,互感系数,在两个有磁耦合的线圈中，互感磁链与产生此磁链的电流比值，叫做这两个线圈的互感系数（或互感量），简称互感，用符号,M,表示，即,互感系数的单位和自感系数一样，也是,H,。,互感系数取决于两个耦合线圈的几何尺寸、匝数、相对位置和磁介质。,当磁介质为非铁磁性物质时，,M,是常数。,3,3,2,互感,工程上常用耦合系数表示两个线圈磁耦合的紧密程度，耦合系数定义为,显然， 。当,k,近似为,1,时，为强耦合，当,k,接近于零时，为弱耦合，,当,k,1,时，称两个线圈为全耦合，此时自感磁通全部为互感磁通。,3,互感电动势,在图,3,13,（,a,）中，当线圈,中的电流变化时，在线圈,中产生变化,的互感磁链,21,，而,21,的变化将在线圈,中产生互感电动势,e,M2,。如果选,择电流,i,1,与,21,的参考方向以及,e,M2,与,21,的参考方向都符合右手螺旋定则,时，根据电磁感应定律，得,同理，在图,3,13,（,b,）中，当线圈,中的电流,i,2,变化时，在线圈,中也,会产生互感电动势,e,M1,当,i,2,与,12,以及,12,与,e,M1,的参考方向均符合右手螺旋,定则，则有,3,3,2,互感,图,3,13,线圈中的互感电动势,案例,3,4,某变压器的一次绕组由两个匝数相等、绕向一致的绕组组成，如图,3,14,（,a,）中绕组,1,2,和,3,4,。如每个绕组额定电压为,110V,，则当电源电压为,220V,时，应把两个绕组串联起来使用，如（,b,）图所示接法；如电源电压为,110V,时，则应将它们并联起来使用，如（,c,）图接法。当接法正确时，则两个绕组所产生的磁通方向相同，它们在铁心中互相叠加。如接法错误，则两个绕组所产生的磁通就没有感应电动势产生，相当于断路状态，会烧坏变压器，如图,3,15,所示。实际中绕组的绕向是看不到的，而接法的正确与否，与同名端（同极性端）标记直接相关，因此同名端的判别相当重要。,3,4,同名端的意义及其测定,图,3,14,变压器绕组的正确连接,图,3,15,变压器绕组的连接错误,3,4,同名端的意义及其测定,解：根据同名端的定义，图,3,17,（,a,）中，从左边线圈的端点,“,2,”,通入电流，由右手螺旋定则判定磁通方向指向左边；右边两个线圈中通过的电流要产生相同方向的磁通，则电流必须从端点,“,4,”,、端点,“,5,”,流入，因此判定,2,，,4,，,5,为同名端，,1,，,3,，,6,也为同名端。同理,1,，,4,为同名端，,2,，,3,也为同名端。,图,3,17,1,互感线圈的同名端,当两个线圈通入电流，所产生的磁通方向相同时，两个线圈的电流,流入端称为同名端（又称同极性端），反之为异名端。用符号,“,”,标记。,例,3,4,电路如图,3,17,所示，试判断同名端。,2,同名端的实验测定,直流判别法：,依据同名端定义以及互感电动势参考方向标注原则来判定。如图,3,18,所示，两个耦合线圈的绕向未知，当开关,S,合上的瞬间，电流从,1,端流入，此时若电压表指针正偏转，说明,3,端电压为正极性，因此,1,、,3,端为同名端；若电压表指针反偏，说明,4,端电压正极性，则,1,，,4,端为同名端。,交流判别法：,如图,3,19,所示，将两个线圈各取一个接线端联接在一起，如图中的,2,和,4,。并在一个线圈上（图中为线圈）加一个较低的交流电压,再用交流电压表分别测量、各值，如果测量结果为：,则说明、绕组为反极性串联，故,1,和,3,为同名端。如果,则,1,和,4,为同名端。,3,4,同名端的意义及其测定,图,3,18,直流法判定绕组同名端 图,3,19,交流法判定绕组同名端,3,具有互感的线圈串联,将两个有互感的线圈串联起来有两种不同的连接方式。,（,1,）顺向串联：将两个线圈的异名端相连接；（,2,）反向串联：将两个线圈的同名端相连接。,（,1,）顺向串联,如图,3,20(a),所示，设电流从端点,1,经过,2,、,3,流向端点,4,，并且电流是减小的，则在两个线圈中出现四个感应电动势，两个自感电动势,e,L1,、,e,L2,（与电流同方向）和两个互感电动势,e,M1,、,e,M2,（与自感电动势同方向），总的感应电动势为这四个感应电动势之和，即,3,4,同名端的意义及其测定,故顺向串联的等效电感为,(2),反向串联,如图,3,20,（,b,）所示，电流从线圈的异名端流入（或流出）。同理，可推出反向串联的两个线圈的等效电感为,3,4,同名端的意义及其测定,图,3,20,互感线圈的串联,由上述分析可见，当互感线圈顺向串联时，等效电感增加；反向串联,时，等效电感减少，有削弱电感的作用。,第三节 正弦交流电路,一、 正弦交流电的基本概念,t,i,如果在电路中电动势的大小与方向均随时间按正弦规律变化，由此产生的电流、电压大小和方向也是正弦的，这样的电路称为正弦交流电路。,交流电是指大小和方向随时间作周期性变化的电动势（电压或电流）。,1,、,正弦交流电的定义,3,、正弦交流电的三要素,2,、正弦交流电的产生,F,F,N,S,I,I,e=E,m,sint,在两磁极中间，放一个线圈，,让线圈,以,的速度顺时针旋转，根据右手,定则可知，线圈中产生感应电流。,合理设计磁极形状，使磁通按正弦,规律分布，线圈两端便可得到,单相,交流电动势。,i,最大值,角频率（弧度,/,秒）,初相位,三要素,:,最大值,电量名称必须大写,下标加,m,。如：,U,m,、,I,m,用小写字母表示交流瞬时值，如,u,、,i,有效值电量必须大写，如：,U,、,I,有效值概念,交流电流,i,通过电阻,R,在一个周期,T,内产生的热量与一直流电流,I,通过同一电阻在同一时间,T,内产生的热量相等，则称,I,的数值为,i,的有效值,（,1,）瞬时值、最大值、有效值,在工程应用中常用,有效值,表示幅度。,常用交流电表指示的电压、电流读数，就是被测物理量的有效值。标准电压,220,V,，,也是指供电电压的有效值。,问题与讨论,电器, 220V,最高耐压,=300V,若购得一台耐压为,300V,的电器，是否可用于,220V,的线路上,?,该用电器最高耐压低于电源电压的最大值,，所以,不能用,。,有效值,U,= 220V,最大值,U,m,= 220V = 311V,电源电压,已知我国的交流电,f,50 Hz,试求,T,和,。,【,例,3.1,】,（,2,）周期、频率、角频率,周期,T,： 变化一周所需的时间,单位：秒，毫秒。,角频率,： 每秒变化的弧度,单位：弧度,/,秒。,频率,f,： 每秒变化的次数,单位：赫兹，千赫兹,。,i,T,f=1/T =2/T=2f,t,= 0,时的相位，称为,初相位或初相角（,）,。,（,t+,）,正弦波的相位角或相位,两个,同频率,正弦量间的初相之差称相位差（,2-1,）,（,2,）相位、初相位、相位差,e=E,m,sin,（,t+,）,同,相,位,落后于,相,位,领,先,超前于,相,位,落,后,相量,波形图,i,（,3,）正弦波的表示方法,瞬时值表达式,必须,小写,u=U,m,sint,二、 单相正弦交流电路,1.,纯电阻电路,交流负载中只有电阻的交流电路。如电炉、白炽灯等。,u,i,R,t,u,i,U,I,（,1,）电压与电流的关系,设：,u,R,=U,Rm,sin,t,则有：,i=u,R,/R=(U,Rm,/R)sin,t=I,m,sint,在纯电阻电路中，电流,i,和电压,uR,是同频率、同相位的正弦量。,电压与电流最大值的关系：,I,m,=U,Rm,/R,电压与电流有效值的关系：,I=U,R,/R,或,U,R,=IR,（,2,）电路的功率,瞬时功率：瞬时电压与电流的乘积。,有功功率：瞬时功率的平均值。,P=U,R,I=I,2,R=U,R,2,/R,2.,纯电感电路,交流负载中只有电感的交流电路。,（,1,）电压与电流的关系,i,u,i,u,L,U,I,电感线圈中产生自感电动势，阻碍电流的变化，故电流的,变化总是滞后电压的变化。,设：,i=I,m,sin,t,则通过分析有：,u,L,=I,m,Lsin(t+90,o,)=U,m,sin(t+90,o,),那么：电感两端的电压超前电流,90,O,；,电感对电流的阻碍作用用感抗来反映；,X,L,=L=2fL,电压与电流的关系：,I=U,L,/X,L,（,2,）电路的功率和能量转换,电感线圈不消耗有功功率；,无功功率：瞬时功率的最大值；,Q,L,单位：乏尔,Q,L,=U,L,I=I,2,X,L,=U,2,/X,L,3.,纯电容电路,（,1,）电压与电流的关系,交流负载中只有电容的交流电路。,i,u,u,i,C,电容器不断充电和放电，形成电流。,设：,u,C,=U,Cm,sin,t,则通过分析有：,i=CU,Cm,sin(t+90,o,)=I,m,sin(t+90,o,),那么：电容两端的电压滞后电流,90,O,；,电容器对电流的阻碍作用用容抗来反映；,X,C,=1/C=1/2fC,电压与电流的关系：,I=U,C,/X,C,（,2,）电路的功率和能量转换,电容不消耗有功功率；无功功率用,Q,C,表示,单位：乏尔,Q,C,=U,C,I=I,2,X,C,=U,2,/X,C,三、 三相交流电路,三相交流电的优点：,输电时节省电线；三相发电机体积小，质量轻，成本低；三相异步电动机结构简单，性能可靠；,1,、三相对称电动势的产生,U1,U2,V2,W1,V1,W2,S,N,定子中放三个线圈：,U1,U2,V1,V2,W1,W2,首端,末端,三线圈空间位置相差,120,o,转子装有磁极并以,的,速度旋转。三个线圈中便,产生三个单相电动势。,转子,定子,E,m,0,120,240,360,t,120,120,120,注意：,三相对称正弦电动势频率相同，振福相等，,相位相差,120,o,。,e,U,=Emsint,e,V,=Emsin(t-120,o,),e,W,=Emsin(t+120,o,),2,、三相电源的星形联结,三相四线,制供电,火线（相线）,:,U,V,W,中线（零线）：,N,（中线）,（火线）,（火线）,（火线）,U2,V2,W1,V1,W2,N,U1,（,1,）星形联结的方法,（,2,）三相四线制的线电压与相电压,相电压：,火线对零线间的电压。,如：,U,U,、,U,V,、,U,W,120,120,120,U,W,V,N,线电压：,火线间的电压。,注意规定的,正方向,W,U,V,N,30,（,2,）线电压与相电压的关系,线电压为相电压的 倍，同时线电压的相位超前相电压,30,O,U,线,= U,相,鼠笼式,绕线式,他励、异励、串励、复励,电动机的分类,异步机,同步机,交流电动机,电动机,直流电动机,第五节：常用三相异步电动机,三相,单相,电动机有直流电动机和交流电动机两大类，直流电动机不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠。,常用的交流电动机有三相异步电动机（或称感应电动机）和同步电动机。,异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，他是工业中使用得最为广泛的一种电动机。同步电机既可作发电机使用，也可作电动机使用。,一,.,交