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1、1,電工基礎(chǔ) (第2版),2,電工基礎(chǔ),第一章 電路基礎(chǔ)知識(shí)第二章 直流電路第三章 電容器第四章 磁與電磁感應(yīng)第五章 正弦交流電路第六章 三相交流電路和電動(dòng)機(jī)第七章** 變壓器第八章* 瞬態(tài)過(guò)程,3,緒論,自從19世紀(jì)以電力發(fā)明及其廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的第二次科技革命以來(lái),人類生活進(jìn)入了電氣時(shí)代。 小至生活照明,大到現(xiàn)代化大工業(yè)生產(chǎn),電能在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
2、 電能的廣泛應(yīng)用與其特點(diǎn)息息相關(guān) 。,4,緒論,電能的應(yīng)用一是進(jìn)行能量的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換;二是進(jìn)行信息的傳遞、處理和運(yùn)算。,5,緒論,二、電能的優(yōu)越性 1.便于轉(zhuǎn)換; 2.便于輸送和分配; 3.便于控制。,三、電能的缺點(diǎn) 1. 不便于存儲(chǔ)。,6,緒論,四、如何學(xué)好本門課程1.抓住概念、理解記憶、加強(qiáng)實(shí)踐、掌握理論。2.勤于思考、認(rèn)真解題、靈活運(yùn)用、多做練習(xí)。 3.重視實(shí)驗(yàn)、鞏固知識(shí)。,7,第一章 電
3、路基本知識(shí),第一節(jié) 庫(kù)侖定律,第二節(jié) 電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度,第三節(jié) 電流,本章講述電子學(xué)基本物理量,介紹庫(kù)侖定律、歐姆定律及電路基本工作狀態(tài)。本章是全書的理論基礎(chǔ)。,第四節(jié) 電壓和電位,第六節(jié) 電阻和電阻定律,第七節(jié) 電路和歐姆定律,第八節(jié) 電能和電功率,第九節(jié) 電源的最大輸出功率,第五節(jié) 電源和電動(dòng)勢(shì),8,§1-1 庫(kù)侖定律,電荷: 自然界中存在兩種電荷,即正電荷和負(fù)電荷。,電荷間相互作用: 同
4、性相斥,異性相吸。,電荷量的單位: 庫(kù)[侖],用字母C表示。,9,庫(kù)侖定律,在真空中兩個(gè)電荷間作用力跟它們的電量的乘積成正比,跟它們間的距離的平方成反比,作用力的方向在它們的連線上。靜止電荷之間的這種作用力就叫做靜電力或庫(kù)侖力。,10,庫(kù)侖定律 的公式表示,式中 q1,q2—點(diǎn)電荷電荷量,單位是C; r —兩點(diǎn)電荷間的舉例,單位是m; k —靜電恒量
5、,k=9×109 m2/C2; F —靜電力,單位是N.,11,例題1 兩個(gè)點(diǎn)電荷電荷量q1=-4×10-6C,q2=-1.2×10-6C,在真空中的距離r=0.4m,求兩個(gè)點(diǎn)電荷間作用力的大小及方向。,解:,作用力的方向在兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線上。因?yàn)槭峭N電荷,所以作用力為斥力。,應(yīng)用庫(kù)侖定律求解,12,注意事項(xiàng):,庫(kù)侖定律只適用于計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)電荷間的相互作用力,非點(diǎn)電荷間的
6、相互作用力,庫(kù)侖定律不適用。應(yīng)用庫(kù)侖定律求點(diǎn)電荷間相互作用力時(shí),不用把表示正、負(fù)電荷的“+”、“-”符號(hào)帶入公式中,計(jì)算過(guò)程中可用絕對(duì)值計(jì)算,其結(jié)果可根據(jù)電荷的正、負(fù)確定作用力為引力或斥力以及作用力的方向。,13,§1-2 電場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度,一、電場(chǎng): 存在于電荷周圍空間,對(duì)電荷有作用力的特殊物質(zhì),叫做電場(chǎng)。,電場(chǎng)的兩個(gè)重要特性: 1、位于電場(chǎng)中的任何帶電體,都受到電場(chǎng)力的作用。 2、位于
7、帶電體在電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用而移動(dòng)時(shí),電場(chǎng)力對(duì)電場(chǎng)做功,這說(shuō)明電場(chǎng)具有能量。,14,二、電場(chǎng)強(qiáng)度,定義:檢驗(yàn)電荷在電場(chǎng)中某一點(diǎn)所受電場(chǎng)力F與檢驗(yàn) 電荷的電荷量q的比值叫做該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng),用符號(hào)E表示。,15,電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算公式,式中:F—檢驗(yàn)電荷所受電場(chǎng)力,單位為牛[頓],符號(hào) 為N; q—檢驗(yàn)電荷的電荷量,單位是庫(kù)[侖],符號(hào)為 C;
8、 E—電場(chǎng)強(qiáng)度,單位是伏[特]每米,符號(hào)為 V/m。,16,注意:,(1)電場(chǎng)強(qiáng)度單位:N/C(2)大小:電場(chǎng)中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)在數(shù)值上等于單位電荷在該點(diǎn)受到的電場(chǎng)力。(3)方向:規(guī)定電場(chǎng)中某點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的方向?yàn)檎姾稍谠擖c(diǎn)受到的電場(chǎng)力的方向。,17,如圖1-2,計(jì)算A點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。,由此可知,EA與FA方向相同, EA的大小之和Q、rA有關(guān),與檢驗(yàn)電荷電荷量q無(wú)關(guān)。,18,三、電力線,電力線
9、圖示法描述電場(chǎng): 在電場(chǎng)中畫出一系列從正電荷出發(fā)到負(fù)電荷終止的曲線,使曲線上每一點(diǎn)的切線方向都和該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向一致,這些曲線叫做電力線。 幾種常見電力線如圖1-3(教材)所示。,19,§1-3 電流,一、電流 電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流。,電流方向:規(guī)定為正電荷流動(dòng)的方向(或負(fù)電荷流動(dòng)的反方 向)電流大?。旱扔谠趩挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的
10、電量,稱為 電流強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱電流),用符號(hào) I 或 i(t)表示,討論 一般電流時(shí)可用符號(hào) i 。,20,式中,t 為通過(guò)電荷量 q 所用的時(shí)間,時(shí)間的國(guó)際單位制為秒(s),電量 q 的國(guó)際單位制為庫(kù)侖 (C)。電流 I 的國(guó)際單位制為安培 (A) 。,常用的電流單位還有毫安 (mA)、微安( ?A)、千安 (kA) 等,它們與安培的換算關(guān)系為,1 mA
11、= 10-3A; 1 ?A = 10-6 A; 1 kA = 103 A,電流強(qiáng)度的計(jì)算,21,規(guī)定:正電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较颉?電流的方向,參考方向:為計(jì)算方便,通常在無(wú)法確定電流方向時(shí), 先假定一個(gè)電流方向,叫做參考方向。,注意:電流的計(jì)算結(jié)果為 “+” ——電流真實(shí)方向與參考方向一致; “ – ”——電流真實(shí)方向與參考方向相反。 電流
12、強(qiáng)度是一個(gè)標(biāo)量,電流方向只表明電荷的定向運(yùn)動(dòng)方向。,22,按照電流的大小、方向變化與時(shí)間的關(guān)系,電流可以分為以下三類:(如圖1-4教材)所示; 1、電流的大小和方向都不隨時(shí)間變化,這樣的電流叫直流電流或穩(wěn)恒電流,如圖1-4a所示; 2、如果電流的大小隨時(shí)間變化,但方向不隨時(shí)間變化的電流叫脈動(dòng)電流,如圖1-4b所示; 3、如果電流的大小和方向都時(shí)間變化,這樣的電流叫交流電流,如圖1-4c所示
13、。,電流的方向-分類,23,§1-4 電壓和電位,一、電壓 A,B兩點(diǎn)間的電壓UAB在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把電荷由A移動(dòng)到B所做的功W與被移動(dòng)電荷電荷量q的比值,可用下式表示:,電壓的國(guó)際單位制為伏特(V),常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(?V)、千伏(kV)等,它們與 V 的換算關(guān)系為,1 mV = 10-3 V; 1 ?V =10-6 V; 1 kV = 103 V。,24,§1-4 電壓和電位,二
14、、電位 正電荷在電路中某點(diǎn)所具有的能量與電荷所帶電量的比叫做該點(diǎn)的電位。,注意:討論電位問(wèn)題時(shí),首先要選定參考點(diǎn)(假定該點(diǎn)電位為零)。,其它點(diǎn)的電位等于該點(diǎn)與參考點(diǎn)間的電壓。比參考點(diǎn)高的電位為正,反之為負(fù)。 可見,電路中各點(diǎn)的電位是相對(duì)的,與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)。,25,電壓方向的確定,電位的國(guó)際單位制為伏特(V),與電壓相同。,1 mV = 10-3 V; 1 ?V =10-6 V; 1 kV = 103 V
15、。,規(guī)定電壓的方向有高電位指向低電位,即電位降低的方向。電壓的方向可以用高電位指向低電位的箭頭表示,也可以用高電位表“+”,低電位標(biāo)“-”來(lái)表示。,在電路中a,b兩點(diǎn)間的電壓等于a,b兩點(diǎn)間的電位之差。即,兩點(diǎn)間的電壓也叫兩點(diǎn)間電位差。,26,電壓參考方向的選擇,與電流相似,在電路計(jì)算時(shí),事先無(wú)法確定電壓的真實(shí)方向,常事先選定參考方向,用“+、-”標(biāo)在電路圖中。 如果計(jì)算結(jié)果電壓為正值,那么電壓的這個(gè)真實(shí)方向與參考方向一
16、致;如果計(jì)算結(jié)果電壓為負(fù)值,那么電壓的真實(shí)方向和參考方向相反。,27,§1-5 電源和電動(dòng)勢(shì),一、電源定義:電源是把其它形式的能轉(zhuǎn)換成電能的裝 置。 種類:干電池或蓄電池把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能; 光電池把太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)化成電能;發(fā) 電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成個(gè)電能等等。,28,二、電源電動(dòng)勢(shì),在電源內(nèi)部,電源力把正電荷從低電位點(diǎn)(負(fù)極板)移動(dòng)到高電位點(diǎn)
17、(正極板)反抗電場(chǎng)力所做的功與被移動(dòng)電荷的電荷量之比,叫做電源的電動(dòng)勢(shì)。用公式表示為:,,式中W—電源力移動(dòng)正電荷所做的功,單位為焦[耳], 符號(hào)為J;Q—電源力移動(dòng)的電荷量,單位是庫(kù)[侖],符號(hào)為C;E——電源電動(dòng)勢(shì),單位是伏[特],符號(hào)為V。,29,電源電動(dòng)勢(shì)的方向,規(guī)定: 由電源的負(fù)極(低電位點(diǎn))指向正極(高電位電)。 在電源內(nèi)部的電
18、路中,電源力移動(dòng)正電荷形成電流,電流的方向是從負(fù)極指向正極; 在電源外部電路中,電場(chǎng)力移動(dòng)正電荷形成電流,電流方向是從電源正極流向電源負(fù)極。,30,§1-6 電阻和電阻定律,一、電阻定義:表示物質(zhì)對(duì)帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)存在阻礙 作用的物理量。,經(jīng)常用的電阻單位還有千歐 (k?) 、兆歐 (M?),1 k? = 103 ?; 1 M? = 106 ?,31,一、電阻,在一般條件下,任何物質(zhì)
19、都存在分子熱運(yùn)動(dòng),所以任何物體都有電阻。當(dāng)有電流流過(guò)時(shí),都要消耗一定的能量。,幾種常見電阻的外形。,本質(zhì):導(dǎo)體中的自由電子在電場(chǎng)力的作用下定向運(yùn)動(dòng)。作定向運(yùn)動(dòng)的自由電子,要與在平衡位置附近不斷振動(dòng)的原子核發(fā)生碰撞,阻礙了自由電子的定向運(yùn)動(dòng)。這種阻礙作用使自由電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速度降低,自由電子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成分子熱能。,32,二、電阻定律,經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,在溫度不變時(shí),一定材料制成的導(dǎo)體的電阻跟它的長(zhǎng)度成正比,跟它的截面積成反比。這個(gè)實(shí)驗(yàn)
20、規(guī)律叫做電阻定律。 均勻?qū)w的電阻可用公式表示為,,式中ρ—電阻率,其值由導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定,單位是歐 [姆]米,符號(hào)為Ω·m,可查表1-1(教材);L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度,單位是米,符號(hào)為m;S——導(dǎo)體的截面積,單位是平方米,符號(hào)為㎡;R——導(dǎo)體的電阻,單位是歐[姆],符號(hào)為Ω。,33,三、電阻與溫度的關(guān)系,電阻隨溫度的變化關(guān)系可表示為,,式中R1——導(dǎo)體在溫度t1時(shí)的電阻;
21、R2——導(dǎo)體在溫度t2時(shí)的電阻;α——導(dǎo)體的溫度系數(shù),單位為1/℃,一般說(shuō)來(lái),隨著溫度升高,金屬導(dǎo)體電阻電阻增加,某些半導(dǎo)體電阻減少。這都是分子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨溫度升高有所變化的緣故。,34,§1-7 電路和歐姆定律,一、電路 在日常生活中,我們會(huì)廣泛接觸到各種電路。手電筒就是一中非常簡(jiǎn)單的電路。,電路:由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線、控制和保護(hù)裝置四部分 組成。,35,2.電路的基本組
22、成,電路的基本組成包括以下四個(gè)部分:,(1)電源(供能元件):,為電路提供電能的設(shè)備和器件(如電池、發(fā)電機(jī)等)。,,圖1-20 模擬手電筒電路,,,36,圖1-20 模擬手電筒電路,(2)負(fù)載(耗能元件):,使用(消耗)電能的設(shè)備和器件(如燈泡等用電器)。,控制電路工作狀態(tài)的器件或設(shè)備(如開關(guān)等)。,將電器設(shè)備和元器件按一定方式連接起來(lái)(如各種銅、鋁電纜線等)。,(4)控制器件:,(3)連接導(dǎo)線:,37,電路圖部分常用符號(hào),38,二、歐
23、姆定律-部分電路歐姆定律,在電阻一定時(shí),導(dǎo)體中的電流跟這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比,在電壓不變的情況下,導(dǎo)體中的電流跟導(dǎo)體的電阻成反比。把以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合起來(lái)得出結(jié)論,即歐姆定律。,,電阻R上的電壓參考方向與電流參考方向是一致時(shí)(稱為關(guān)聯(lián)參考方向 ),部分電路歐姆定律可用公式表述為,39,部分電路歐姆定律,注意:,,(1)當(dāng)U、I見為非關(guān)聯(lián)參考方向(U、I參考方向相反)時(shí),歐姆定律應(yīng)寫成 ,式中“-”號(hào)切不可漏掉;,,
24、(2)電阻值不隨電壓、電流變化而變化的電阻叫做線性電阻,由線性電阻組成的電路叫線性電路。阻值隨電壓、電流的變化而改變的電阻,叫非線性電阻,含有非線性電阻的電路叫非線性電路。,40,二、歐姆定律-全電路歐姆定律,全電路是一個(gè)由電源和負(fù)載組成的閉合電路,如圖1-22所示。對(duì)全電路進(jìn)行分析研究時(shí),必須考慮電源的內(nèi)阻。如圖R為負(fù)載的電阻、E為電源電動(dòng)勢(shì)、r為電源的內(nèi)阻。,,關(guān)聯(lián)方向下,全電路歐姆定律可用公式表述為,41,全電路歐姆定律,式中:
25、E——電源電動(dòng)勢(shì),單位是伏[特],符號(hào)為V; R——負(fù)載電阻,單位是歐[姆],符號(hào)為Ω; R0——電源內(nèi)阻,單位是歐[姆],符號(hào)為Ω; I——閉合電路中的電流,單位是安[培],符號(hào)為A。,,閉合電路歐姆定律說(shuō)明:閉合電路中的電流與電源電動(dòng)勢(shì)成正比,與電路的總電阻(內(nèi)電路電阻與外電路電阻之和)成反比。,42,§1-8 電能和電功率,一、電能 電能是指在一定的時(shí)間內(nèi)電路元件或設(shè)備吸收或發(fā)出的電能量,
26、用符號(hào)W表示,其國(guó)際單位制為焦耳(J),電能的計(jì)算公式為,式中U—加在導(dǎo)體兩端的電壓,單位是伏[特],符號(hào) 為V;I—導(dǎo)體中的電流,單位是安[培],符號(hào)為A;t—通電時(shí)間,單位是秒,符號(hào)為s; W——電能,單位是焦[耳],符號(hào)為J。,43,一、電能,上式表明,電流在一段電路上所做的功,與這段電路兩端的電壓、電路中的電流和通電時(shí)間成正比。,對(duì)于純電阻電路,歐姆定律成立,電能也
27、可由下式計(jì)算。,44,二、電功率,電流在單位時(shí)間內(nèi)所做的功叫做電功率。它是描述電流做功快慢的物理量。 電功率的計(jì)算公式為,式中W——電流所做的功(即電能),單位是焦[耳],符 號(hào)為J;t ——完成這些功所用的時(shí)間,單位是秒,符號(hào)為s;P——電功率,單位是瓦[特],符號(hào)為W.,45,二、電功率,在直流情況下,且電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向是,電功率有如下表示形式:,如果電
28、流、電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向,式1-13前面應(yīng)加“-”。 在這個(gè)規(guī)定下,P>0說(shuō)明電路元件在消耗(吸收)電能;反之P<0則為發(fā)出(供出)電能。,46,二、電功率,對(duì)于線性電阻元件而言,電功率公式還可以寫成,在一個(gè)閉合回路中,根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)化定律,電源電動(dòng)勢(shì)發(fā)出的功率,等于負(fù)載電阻和電源內(nèi)阻消耗的功率。即,三、電路中的功率平衡,47,§1-9 電源的最大輸出功率,一、最大輸出功率定理
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