搜索
第一节电气基础知识一、电工学基础知识1、电的基本概念物理学研究发现，原子是由质子或者质子和中子组成的原子核及围绕原子核旋转的电子构成的。原子核是相对稳定的，而电子是不停地运动的。并规定原子核所带的电为正电(+)，电子所带的电为负电(一)。由于在原子里质子和电子的数目是相等的，正负电处于平衡状态，所以原子不显出带电的性质，所组成的物质也不带电。由于某种原因，原子可能失去部分电子，或者得到部分电子，这种平衡就被破坏，使原子带电，物质也就带电了。习惯上称带电的微粒叫电荷，物体带电就是说物体带上了电荷；其中最小的电荷就是电子和质子。电荷的多少可用电量来表示，它是衡量物体带电多少的标志，用字母9表示，其单位是库仑，简称库(c)。2、静电和动电一些电荷堆积在一起，不产生持续流动的带电现象称为静电。静电一般具有较高的电压，释放出来的时候产生强大的瞬时功率，控制不好时会产生破坏作用。自然界的雷电灾害就是静电危害的一种。在有易燃、易爆物质的场所，要十分小心避免产生静电。电荷有持续流动的带电现象称为动电。动电根据电压的高低具有不同的强度，人们根据生产和生活的需要想出了很多控制动电的方法。当然，静电和动电只是个相对的概念，它们也是互相联系、互相依存的。静电在释放的瞬间是动电，切断动电流动的路径就产生了静电。3、电场、电压和电流(1)电场电荷与电荷之间具有力的作用。实验证明，带有相同极性电的电荷互相排斥，带有不同极性电的电荷互相吸引。这就是平常所说的“同性相斥、异性相吸”。但是，电荷之间力的作用并不需要它们接触、碰撞才发生，它是靠着一种被称为电场的物质传递的。电荷之间的作用力叫作电场力。电场是无形的，与自然界里的绝大多数物质不同，它不是由原子和分子组成的，但它是客观存在的，能够传递力的作用。(2)电压电荷在电场中处于不同的位置会具有不同的能量，电荷在电场中能量大小的标志称为电位。对一个特定的电场来说，为了衡量电荷电位的高低，都规定一个参考点，正如规定海平面作为空间高度的参考点一样，这个电位的参考点就是零电位点。在一般应用中，认为大地是理想的零电位点，所以习惯上把电路中的零电位参考点也称为“地”。在直流电源中，比如电池或直流稳压电源，通常将电源的负极作为零电位点。电荷就以它在电场中相对于零电位点具有的能量大小确定它的电位的高低。电位用字母u表示。电位的单位是伏特，简称伏，用字母V表示。在计量单位里，电量的单位是库仑，能量的单位是焦耳(J)，电位的单位就是伏特。即：1伏特(V)=1焦耳(J)／l库仑(c)电荷在电场中的一个位置相对于另一个位置的电位差叫作这两点的电压。电压用大写字母u表示，单位也是伏特。例如，我们平时所用的交流电中，其火线与地之间的电压为220v；一节普通干电池的正负极之间的电压为1．5V。实际应用中，经常要用到比伏特大或小的单位，常用的比伏特大的单位是千伏特，简称为千伏，用符号kV表示，比伏特小的单位有毫伏和微伏，用符号mv和¨v表示。1V=103mV=106肌V1mV=103汕V电位和电压都是能量的概念，它表示电荷能够做功的能力，正是由于电位和电压的存在，电荷才会发生运动和变化。(3)电流电荷的定向移动形成电流。产生电流要有电位差和电的通路，这就是电压和电路。电流的大小用电流强度来衡量。它是以单位时间内通过导体横截面电量的多少来确定的。通常用字母，表示电流强度，即：l=Q／t在国际单位制中，电流强度的单位是安培，简称安，用字母A表示，也就是说，如果每秒钟通过导体横截面的电量是1c，那么这时的电流强度就是1A。常用的电流强度单位还有毫安(mA)和微安(仙A)，它们的关系是：1A=103mA=106“A1mA=103斗A4、导体、绝缘体和半导体自然界的物质能够通过电流的能力是不同的，按照物质允许电流通过的难易程度，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体是指那些容易让电流通过的物质。大多数的金属，酸、碱、盐的水溶液，碳素类材料等，都是电的优良导体。绝缘体是指那些不容易让电流通过的物质。大多数非金属物质、有机材料、纯水以及空气等，都是电的绝缘体。应该指出，绝缘体并不是绝对不导电的，当绝缘体受到强大的电场作用，或在过高的温度下，都可能发生击穿，使绝缘体丧失绝缘性能而变成导体。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，半导体有许多奇妙的性质，使它们成为现代电子技术领域中的主角。5、电阻和电阻率在一般情况下，任何物质在电流通过的时候，对电流都具有阻碍作用。这种阻碍电流通过的性质叫作电阻，用R表示，在国际单位制中，电阻的单位是欧姆，简称为欧，符号为Q。通常用电阻率表示材料电阻大小的性质。用一种材料做成长1m、截面积为1mm2的导体的电阻值，称为这种材料的电阻率，用字母p表示，其单位是Q·mm2／m。金属导体的电阻率很小，如铜的电阻率0.0175Q·mm2／m；而绝缘体的电阻率相当大。根据电阻率的概念可以知道，长度为￡、横截面积为s的某种材料的电阻为：R=pL／s对于不同的材料来说，其电阻率也各不相同。6、直流电直流电（directcurrent）是大小和方向都不随时间变化的电流。又称恒定电流。所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该电路中，形成恒定的电场，在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。在比较简单的直流电路中，电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括节点电流方程和回路电压方程两部分，前者指出，对于任一节点（3个或3个以上支路的交点），流入和流出节点的各电流的代数和为零，这是恒定条件的要求，后者指出，对于任一闭合回路（网格），各部分电压降的代数和为零，这是静电场环路定理的结果，两者构成了完备的方程组。测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有电流计，安培计，伏特计，电桥，电势差计等。直流电源有化学电池，燃料电池，温差电池，太阳能电池，直流发电机等。直流电主要应用于各种电子仪器，电解，电镀，直流电力拖动等方面。在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距离传输，直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来，由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。7、交流电有了电的发现与了解，十八世纪研究电的科学家们又发现不同的金属释放电子的能力不同，将能力高（如锌）与能力低（如铜）的两种金属，用适当的溶液及导线相连，则会产生持续性的电流，这种电流便是“直流电流”，而类似的装置即为今日常用电池的基本构造。直流电的发明为当时的生活带来许多便利，但以今日的科技水准观之，却有不易大量生产以及持续性不够久的缺点。幸而在十九世纪中科学家发现了磁场，同时也发现导线在磁埸中移动会产生电流，更因此而发明了便宜又好用的交流电，丰富了人类的生活。所谓交流电即是随时间而改变方向的电流，因导线在磁场中无法永远在同一方向移动，而必须做周期性的往返运动，因此其产生的电流也会定期改变方向，就像我们的呼吸一样，吸饱气时必须呼气才能吸一下口气，而我们肺部也就跟着做氧气与二氧化碳的周期性交换动作。上图是一个简单的交流发电机原理示意图，图中环状导线借着连接其上的转轴不断旋转，并与南北两磁极连成的磁力线相交而产生交流电，转轴前端的电刷则将导线所产生的电流引出送到输配电系统，再送到工厂或家中使用。简而言之，我们只要想办法让一组环状导电线圈在磁场中持续转动，原则上就可以得到电力。8、电流电流是指电荷的定向移动。电流的大小称为电流强度（简称电流，符号为I），是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过一库仑的电量称为一“安培”（A）。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。除了安培（A），常用的单位有毫安（mA）及微安(μA)。它们之间的换算关系是：1A=1000mA1mA=1000μA电流的微观表达式为I=nesv。式中的n表示单位体积内的自由电荷数，e是电子的电量，s为导体横截面积，v为自由电子定向移动的速率。1）、电流的基本计算式I=C/T（电量/时间）=U/R（电压/电阻）2）、电流的方向物理上规定电流的方向是正电子的流动方向或者负电子的流动的反方向。一般情况下，电子指的是负电子，除非特别说明是正电子。3）、电流形成的原因电压是使电路中电荷定向移动形成电流的原因。4）、电流产生的条件（1）必须具有能够自由移动的电荷。（2）导体两端存在电压（要使闭合回路中得到持续电流，必须要有电源）。5）、电流的单位——安培电流单位安培，简称安，符号是：A。它的定义是：安培是一恒定电流，若保持在处于真空中相距1米的两条无限长而圆截面可忽略的平行直导线内，则两条导线之间产生的力在每米长度上等于2×10-7牛顿。该定义在1948年第九届国际计量大会上得到批准，1960年第十一届国际计量大会上，安培被正式采用为国际单位制的基本单位之一。6）、电流的测量－电流表电流表的符号：-A-电流表的使用方法：（1）电流表要串联在电路中。（2）正负接线柱的接法要正确：电流从正接线柱流入，从负接线柱流出。（3）被测电流不要超过电流表的量程。（4）绝对不允许不经过用电器而把电流表直接连到电源的两极上（5）确认目前使用的电流表的量程（6）确认每个大格和每个小格所代表的电流值。先试触，出现问题时先解决：①指针不偏转；②指针偏转过激，电流表会爆掉；③指针偏转很小；④指针反向偏转。7）、电流的三大效应（1）热效应。（2）磁效应（3）化学效应8）、额定电流额定电流是指电气设备等在额定输出时的电流。电气设备标出的电流值称为额定电流。设计时已考虑到其电流线圈允许长期通过的最大电流为额定电流的2倍（近几年生产的电度表电流线圈允许长期通过的最大电流为额定电流的4倍）如熔断器的熔体都有两个参数：额定电流与熔断电流。所谓额定电流是指长时间通过熔体而不熔断的电流。熔断电流一般是额定电流的两倍。9、电压大家都知道，水在管中所以能流动，是因为有着高水位和低水位之间的差别而产生的一种压力，水才能从高处流向低处。城市中使用的自来水，所以能够一打开水龙头就能从管中流出来，也是因为自来水的贮水塔比地面高，或者是由于用水泵推动水产生压力差的缘故。电也是如此，电流所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电位和低电位之间的差别。这种差别叫电位差，也叫电压。换句话说，在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。电源是提供电压的装置。电压用符号“U”表示。电压的高低，一般是用单位“伏特”表示，简称伏，用符号“V”表示。高电压可以用千伏（kV）表示，低电压可以用毫伏（mV）表示。它们之间的换算关系是：1千伏（kV）=1000伏（V）1伏（V）=1000毫伏（mV）1）、电压的基本计算式U=I×R（电流×电阻）=I×I×R×T（电流平方×电阻×通电时间）2）、电压表的使用电压的大小用电压表测量。（1）使用前，先校零。（2）电压表必须并联在被测电路中。（3）使电流从电压表的“＋”接线柱流入，“－”接线柱流出。（4）所测电压不允许超过它的量程。（5）在不知电压大小的情况下，可用快速试触最大量程的方法。（6）电压表可以直接接在电源的两端。10、电阻导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。电阻器简称电阻（Resistor，通常用“R”表示）是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可以说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“Ω”表示。欧姆是这样定义的：当在一个电阻器的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值