电工技术基础第一章(刘志平)电路基本知识

1、电工基础 （第2版）主编：刘志平、苏永昌电工基础n第一章 电路基础知识n第二章 直流电路n第三章 电容器n第四章 磁与电磁感应n第五章 正弦交流电路n第六章 三相交流电路和电动机n第七章* 变压器n第八章* 瞬态过程绪论 自从自从19世纪以电力发明及其广泛应用为世纪以电力发明及其广泛应用为标志的第二次科技革命以来，人类生活进入标志的第二次科技革命以来，人类生活进入了电气时代。了电气时代。 小至生活照明，大到现代化大工业生产小至生活照明，大到现代化大工业生产,电能在现代工业、农业、科学技术以及国民电能在现代工业、农业、科学技术以及国民经济等各个领域有着广泛的应用。经济等各个领域有着广泛的应用。

2、电能的广泛应用与其特点息息相关电能的广泛应用与其特点息息相关 。绪论n电能的应用电能的应用n一是进行能量的传输、分配和转换；一是进行能量的传输、分配和转换；n二是进行信息的传递、处理和运算。二是进行信息的传递、处理和运算。绪论n二、电能的优越性n 1便于转换；便于转换；n 2便于输送和分配；便于输送和分配；n 3便于控制。便于控制。n三、电能的缺点三、电能的缺点n 1. 不便于存储。不便于存储。绪论n四、如何学好本门课程四、如何学好本门课程n1抓住概念、理解记忆、加强实践、抓住概念、理解记忆、加强实践、掌握理论。掌握理论。n2勤于思考、认真解题、灵活运用、勤于思考、认真解题、灵活运用、多做练习

3、。多做练习。 n3重视实验、巩固知识。重视实验、巩固知识。第一章 电路基本知识第一节 库仑定律第二节 电场和电场强度第三节 电流 本章讲述电子学基本物理量，介绍库仑定律、欧姆定律及电路基本工作状态。本章是全书的理论基础。第四节 电压和电位第六节 电阻和电阻定律第七节 电路和欧姆定律第八节 电能和电功率第九节 电源的最大输出功率第五节 电源和电动势1-1 库仑定律电荷：电荷： 自然界中存在两种电自然界中存在两种电荷，即正电荷和负电荷。荷，即正电荷和负电荷。电荷间相互作用：电荷间相互作用： 同性相斥，异性相吸。同性相斥，异性相吸。电荷量的单位：电荷量的单位： 库库仑仑，用字母，用字母C表示。表示。

4、 库仑定律 在真空中两个电荷间作用力跟它们的电量的乘在真空中两个电荷间作用力跟它们的电量的乘积成正比，跟它们间的距离的平方成反比，作用积成正比，跟它们间的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。静止电荷之间的这种力的方向在它们的连线上。静止电荷之间的这种作用力就叫做静电力或库仑力。作用力就叫做静电力或库仑力。221rqqkF 库仑定律 的公式表示式中式中 q1，q2点电荷电荷量，单位是点电荷电荷量，单位是C； r 两点电荷间的举例，单位是两点电荷间的举例，单位是m； k 静电恒量，静电恒量，k9109 m2/C2; F 静电力，单位是静电力，单位是N.221rqqkF 例题例题1 1 两

5、个点电荷电荷量两个点电荷电荷量q1q14 410106C6C，q2q21.21.210106C6C，在真空中的距离，在真空中的距离r r0.4m,0.4m,求两个点电求两个点电荷间作用力的大小及方向。荷间作用力的大小及方向。解：解：NNrqqkF27. 04 . 0102 . 11041092669221 作用力的作用力的方向方向在两个点电荷的连线上。因在两个点电荷的连线上。因为是为是同种电荷同种电荷，所以作用力为斥力。，所以作用力为斥力。应用库仑定律求解应用库仑定律求解注意事项：n库仑定律只适用于计算两个点电荷间的相互作用力，非点电荷间的相互作用力，库仑定律不适用。n应用库仑定律求点电荷间相

6、互作用力时，不用把表示正、负电荷的“”、“”符号带入公式中，计算过程中可用绝对值计算，其结果可根据电荷的正、负确定作用力为引力或斥力以及作用力的方向。 1-2 电场和电场强度一、电场：一、电场： 存在于电荷周围空间，对电荷有作用力的存在于电荷周围空间，对电荷有作用力的特殊物质，叫做电场。特殊物质，叫做电场。 电场的两个重要特性：电场的两个重要特性： 1、位于电场中的任何带电体，都受到电场位于电场中的任何带电体，都受到电场力的作用。力的作用。 2、位于带电体在电场中受到电场力的作用位于带电体在电场中受到电场力的作用而移动时，电场力对电场做功，这说明电场具而移动时，电场力对电场做功，这说明电场具有

7、能量。有能量。二、电场强度定义：定义：检验电荷在电场中某一点所受电场力检验电荷在电场中某一点所受电场力F与检验与检验 电荷的电荷量电荷的电荷量q的比值叫做该点的的比值叫做该点的电电场强度场强度，简称场强，用符号，简称场强，用符号E表示。表示。 qFE 电场强度的计算公式qFE 式中：式中：F检验电荷所受电场力，单位为牛顿，符号 为N； q检验电荷的电荷量，单位是库仑，符号为 C； E电场强度，单位是伏特每米，符号为 V/m。 注意：n（1）电场强度单位：NCn（2）大小：电场中某点的场强在数值上等于单位电荷在该点受到的电场力。n（3）方向：规定电场中某点场强的方向为正电荷在该点受到的电场力的方

8、向。 如图如图12，计算，计算A点点的场强。的场强。22AAAArQkqrqQkqFE 由此可知由此可知，EA与与FA方向相同，方向相同， EA的大小的大小之和之和Q、rA有关，与检验电荷电荷量有关，与检验电荷电荷量q无关。无关。三、电力线电力线图示法描述电场： 在电场中画出一系列从正电荷出发到负电荷终止的曲线，使曲线上每一点的切线方向都和该点的电场强度方向一致，这些曲线叫做电力线。 几种常见电力线如图1-3（教材）所示。1-3 电流一、电流一、电流 电荷的定向运动形成电流。电荷的定向运动形成电流。 电流方向：电流方向：规定为正电荷流动的方向规定为正电荷流动的方向(或负电荷流动的反方或负电荷流

9、动的反方 向向)电流大小：电流大小：等于在单位时间内通过导体横截面的电量，称为等于在单位时间内通过导体横截面的电量，称为 电流强度电流强度(简称简称电流电流)，用符号，用符号 I 或或 i(t)表示，讨论表示，讨论 一般电流时可用符号一般电流时可用符号 i 。tqI 式中，式中，t 为通过电荷量为通过电荷量 q 所用的时间，时间的国际单位制所用的时间，时间的国际单位制为秒为秒(s)，电量，电量 q 的国际单位制为库仑的国际单位制为库仑 (C)。电流。电流 I 的国际单位的国际单位制为安培制为安培 (A) 。常用的电流单位还有毫安常用的电流单位还有毫安 （mA）、微安（、微安（ A）、千安、千安

10、 （kA） 等，它们与安培的换算关系为等，它们与安培的换算关系为1 mA = 10-3A； 1 A = 10-6 A； 1 kA = 103 A电流强度的计算规定：规定：正电荷定向运动的方向为电流方向。正电荷定向运动的方向为电流方向。电流的方向参考方向参考方向:为计算方便，通常在无法确定电流方向时，为计算方便，通常在无法确定电流方向时， 先假定一个电流方向，叫做参考方向。先假定一个电流方向，叫做参考方向。注意注意:电流的计算结果为电流的计算结果为 “+” 电流真实方向与参考方向电流真实方向与参考方向一致一致； “ ”电流真实方向与参考方向电流真实方向与参考方向相反相反。 电流强度是一个标量，电

11、流方向只表明电荷的定电流强度是一个标量，电流方向只表明电荷的定向运动方向。向运动方向。 按照电流的大小、方向变化与时间的关系，电按照电流的大小、方向变化与时间的关系，电流可以分为以下三类：（如图流可以分为以下三类：（如图1-4教材）所示；教材）所示； 1、电流的大小和方向都不随时间变化，这样、电流的大小和方向都不随时间变化，这样的电流叫的电流叫直流电流直流电流或或稳恒电流稳恒电流，如图，如图1-4a所示；所示； 2、如果电流的大小随时间变化，但方向不随、如果电流的大小随时间变化，但方向不随时间变化的电流叫时间变化的电流叫脉动电流脉动电流，如图，如图1-4b所示；所示； 3、如果电流的大小和方向

12、都时间变化，这样、如果电流的大小和方向都时间变化，这样的电流叫的电流叫交流电流交流电流，如图，如图1-4c所示。所示。电流的方向分类1-4 电压和电位一、电压一、电压 A,B两点间的电压两点间的电压UAB在数值上等于电场力把电在数值上等于电场力把电荷由荷由A移动到移动到B所做的功所做的功W与被移动电荷电荷量与被移动电荷电荷量q的比的比值，可用下式表示：值，可用下式表示： qWUABAB电压的国际单位制为伏特电压的国际单位制为伏特( (V) )，常用的单位还有毫伏，常用的单位还有毫伏( (mV) )、微伏微伏( ( V) )、千伏、千伏( (kV) )等，它们与等，它们与 V 的换算关系为的换算

13、关系为1 mV = 103 V；1 V =106 V；1 kV = 103 V。1-4 电压和电位二、电位二、电位 正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电正电荷在电路中某点所具有的能量与电荷所带电量的比叫做量的比叫做该点的电位该点的电位。 注意：讨论电位问题时，首先要选定参考点（假定讨论电位问题时，首先要选定参考点（假定该点电位为零）。该点电位为零）。 其它点的电位等于该点与参考点间的电压。比其它点的电位等于该点与参考点间的电压。比参考点高的电位为参考点高的电位为正正，反之为，反之为负负。 可见，电路中各点的电位是相对的，与参考点可见，电路中各点的电位是相对的，与参考点的选择有关。的选择有

14、关。 电压方向的确定电位的国际单位制为伏特电位的国际单位制为伏特( (V) )，与电压相同。，与电压相同。1 mV = 103 V；1 V =106 V；1 kV = 103 V。 规定规定电压的方向电压的方向有高电位指向低电位，即电位降低的方有高电位指向低电位，即电位降低的方向。电压的方向可以用高电位指向低电位的箭头表示，也可向。电压的方向可以用高电位指向低电位的箭头表示，也可以用高电位表以用高电位表“+”，低电位标，低电位标“-”来表示。来表示。 在电路中在电路中a，b两点间的电压等于两点间的电压等于a，b两点间的电位之差。两点间的电位之差。即即BAABVVU 两点间的电压也叫两点间电位差

15、。两点间的电压也叫两点间电位差。 电压参考方向的选择 与电流相似，在电路计算时，事先无法确与电流相似，在电路计算时，事先无法确定电压的真实方向，常事先选定参考方向，用定电压的真实方向，常事先选定参考方向，用“+、-”标在电路图中。标在电路图中。 如果计算结果电压为如果计算结果电压为正值正值，那么电压的这，那么电压的这个真实方向与参考方向一致；如果计算结果电个真实方向与参考方向一致；如果计算结果电压为压为负值负值，那么电压的真实方向和参考方向相，那么电压的真实方向和参考方向相反。反。1-5 电源和电动势一、电源一、电源定义：定义：电源是把其它形式的能转换成电能的装电源是把其它形式的能转换成电能的

16、装 置。置。 种类：种类：干电池或蓄电池把化学能转换成电能；干电池或蓄电池把化学能转换成电能； 光电池把太阳的光能转化成电能；发光电池把太阳的光能转化成电能；发 电机把机械能转化成个电能等等。电机把机械能转化成个电能等等。 二、电源电动势 在电源内部，电源力把正电荷从低电位点（负极板）在电源内部，电源力把正电荷从低电位点（负极板）移动到高电位点（正极板）反抗电场力所做的功与被移动移动到高电位点（正极板）反抗电场力所做的功与被移动电荷的电荷量之比，叫做电源的电动势。用公式表示为：电荷的电荷量之比，叫做电源的电动势。用公式表示为： qWE 式中式中W电源力移动正电荷所做的功，单位为焦电源力移动正电

17、荷所做的功，单位为焦耳耳， 符号为符号为J；Q电源力移动的电荷量，单位是库电源力移动的电荷量，单位是库仑仑，符号为，符号为C；E电源电动势，单位是伏电源电动势，单位是伏特特，符号为，符号为V。电源电动势的方向规定：规定： 由电源的负极（低电位点）指向正极由电源的负极（低电位点）指向正极（高电位电）。（高电位电）。 在电源内部的电路中，电源力移动正电荷在电源内部的电路中，电源力移动正电荷形成电流，电流的方向是从负极指向正极；形成电流，电流的方向是从负极指向正极； 在电源外部电路中，电场力移动正电荷形在电源外部电路中，电场力移动正电荷形成电流，电流方向是从电源正极流向电源负极。成电流，电流方向是从

18、电源正极流向电源负极。 1-6 电阻和电阻定律一、电阻一、电阻定义：定义：表示物质对带电粒子定向运动存在阻碍表示物质对带电粒子定向运动存在阻碍 作用的物理量。作用的物理量。 经常用的电阻单位还有千欧经常用的电阻单位还有千欧 ( (k ) 、兆欧、兆欧 ( (M ) )1 k = 103 ；1 M = 106 一、电阻 在一般条件下，任何物质都存在分子热运动，在一般条件下，任何物质都存在分子热运动，所以所以任何物体都有电阻任何物体都有电阻。当有电流流过时，都要消耗。当有电流流过时，都要消耗一定的能量。一定的能量。 几种常见电阻的外形。几种常见电阻的外形。 本质：本质：导体中的自由电子在电场力的作

19、用下定向运导体中的自由电子在电场力的作用下定向运动。作定向运动的自由电子，要与在平衡位置附近不动。作定向运动的自由电子，要与在平衡位置附近不断振动的原子核发生碰撞，阻碍了自由电子的定向运断振动的原子核发生碰撞，阻碍了自由电子的定向运动。这种阻碍作用使自由电子定向运动的平均速度降动。这种阻碍作用使自由电子定向运动的平均速度降低，自由电子的一部分动能转换成分子热能。低，自由电子的一部分动能转换成分子热能。 二、电阻定律 经实验证明，在温度不变时，一定材料制成的导体的经实验证明，在温度不变时，一定材料制成的导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的截面积成反比电阻跟它的长度成正比，跟它的截面积成反比。这个实

20、验。这个实验规律叫做电阻定律。规律叫做电阻定律。 均匀导体的电阻可用公式表示为均匀导体的电阻可用公式表示为 SLR式中式中电阻率，其值由导体材料的性质决定，单位是欧电阻率，其值由导体材料的性质决定，单位是欧 姆姆米，符号为米，符号为m，可查表，可查表1-1（教材）；（教材）；L导体的长度，单位是米，符号为导体的长度，单位是米，符号为m；S导体的截面积，单位是平方米，符号为导体的截面积，单位是平方米，符号为；R导体的电阻，单位是欧导体的电阻，单位是欧姆姆，符号为，符号为。三、电阻与温度的关系电阻随温度的变化关系可表示为电阻随温度的变化关系可表示为 )(1 1212ttRR式中式中R1导体在温度导

21、体在温度t1时的电阻；时的电阻；R2导体在温度导体在温度t2时的电阻；时的电阻；导体的温度系数，单位为导体的温度系数，单位为1/ 一般说来，随着温度升高，金属导体电阻电阻增加，某一般说来，随着温度升高，金属导体电阻电阻增加，某些半导体电阻减少。这都是分子热运动强度随温度升高有所些半导体电阻减少。这都是分子热运动强度随温度升高有所变化的缘故。变化的缘故。1-7 电路和欧姆定律一、电路一、电路 在日常生活中，我们会广泛接触到各种电路。手在日常生活中，我们会广泛接触到各种电路。手电筒就是一中非常简单的电路。电筒就是一中非常简单的电路。 电路：电路：由电源、负载、连接导线、控制和保护装置四部分由电源、

22、负载、连接导线、控制和保护装置四部分 组成。组成。 2电路的基本组成电路的基本组成 电路的基本组成包括以下四个部分：电路的基本组成包括以下四个部分：( (1) )电源电源( (供能元件供能元件) )：为电路提供电能的设备和器件为电路提供电能的设备和器件( (如电池、发电机等如电池、发电机等) )。 图图1-20模拟手电筒电路模拟手电筒电路 图图1-20模拟手电筒电路模拟手电筒电路( (2) )负载负载( (耗能元件耗能元件):):使用使用( (消耗消耗) )电能的设备和电能的设备和器件器件( (如灯泡等用电器如灯泡等用电器) )。 控制电路工作状态的器件或设备控制电路工作状态的器件或设备( (

23、如如开关等开关等) )。将电器设备和元器件按一定方式连接将电器设备和元器件按一定方式连接起来起来( (如各种铜、铝电缆线等如各种铜、铝电缆线等) )。( (4) )控制器件：控制器件：(3)(3)连接导线：连接导线：电路图部分常用符号二、欧姆定律部分电路欧姆定律 在电阻一定时，导体中的电流跟这段导体两端的电压在电阻一定时，导体中的电流跟这段导体两端的电压成正比，在电压不变的情况下，导体中的电流跟导体的电成正比，在电压不变的情况下，导体中的电流跟导体的电阻成反比。把以上实验结果综合起来得出结论，即欧姆定阻成反比。把以上实验结果综合起来得出结论，即欧姆定律。律。 RUI 电阻电阻R上的电压参考方向

24、与电流参考方向是一致时（称上的电压参考方向与电流参考方向是一致时（称为关联参考方向为关联参考方向 ），部分电路欧姆定律可用公式表述为，部分电路欧姆定律可用公式表述为 部分电路欧姆定律注意：注意： （1）当）当U、I见为见为非关联非关联参考方向（参考方向（U、I参考方向相反）时，欧姆定律应写成参考方向相反）时，欧姆定律应写成 ，式中式中“-”号切不可漏掉；号切不可漏掉； RUI （2）电阻值不随电压、电流变化而变化的电）电阻值不随电压、电流变化而变化的电阻叫做阻叫做线性电阻线性电阻，由线性电阻组成的电路叫线性，由线性电阻组成的电路叫线性电路。阻值随电压、电流的变化而改变的电阻，电路。阻值随电压、

25、电流的变化而改变的电阻，叫叫非线性电阻非线性电阻，含有非线性电阻的电路叫非线性，含有非线性电阻的电路叫非线性电路。电路。二、欧姆定律全电路欧姆定律 全电路是一个由电源和负载组成的闭合电路，全电路是一个由电源和负载组成的闭合电路，如图如图1-22所示。对全电路进行分析研究时，必须考所示。对全电路进行分析研究时，必须考虑电源的内阻。如图虑电源的内阻。如图R为负载的电阻、为负载的电阻、E为电源电为电源电动势、动势、r为电源的内阻。为电源的内阻。0RREI 关联方向下，全电路欧姆定律可用公式表述为关联方向下，全电路欧姆定律可用公式表述为 全电路欧姆定律式中： E电源电动势，单位是伏电源电动势，单位是伏

26、特特，符号为，符号为V； R负载电阻，单位是欧负载电阻，单位是欧姆姆，符号为，符号为； R0电源内阻，单位是欧电源内阻，单位是欧姆姆，符号为，符号为； I闭合电路中的电流，单位是安闭合电路中的电流，单位是安培培，符号为，符号为A。 0RREI 闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律说明说明：闭合电路中的电流与电源电动：闭合电路中的电流与电源电动势成正比，与电路的总电阻（内电路电阻与外电路电阻之和）势成正比，与电路的总电阻（内电路电阻与外电路电阻之和）成反比。成反比。1-8 电能和电功率一、电能一、电能 电能电能是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电是指在一定的时间内电路元件或设备吸收或发出的电能量，用符号能量，用符号W表示，其国际单位制为焦耳表示，其国际单位制为焦耳(J)，电能的计算，电能的计算公式为公式为式中式中 U加在导体两端的电压，单位是伏加在导体两端的电压，单位是伏特特，符号，符号 为为V；I导体中的电流，单位是安导体中的电流，单位是安培培，符号为，符号为A；t通电时间，单位是秒，符号为通电时间，单位是秒，符号为s； W电能，单位是焦电能，单位是焦耳耳，符号为，符号为J。 UItUqW一、电能 上式表明，电流在一段电路上所做的上式表明，电流在一段电路上所做的功功，与与这段电路这段电路两端的两端的电压、电路中的电流和通电时间成正比电压、电路中的电流和通电时