维修电工技能大赛培训教案

第一部分电工基础知识第一章直流电路本章主要研究直流电路的基本概念、基本定律和分析电路的方法，它是进一步认识其他电路的基础，学习时，既要弄清各物理量的意义，又要学会灵活运用电路的基本定律，以解决电路中的具体问题。第一节电路基础一、电路的概念•电路是电流经过的路径，一个完整的电路一般由四部分组成。•（1）、电源：是把其它能量转换成电能的设备，例如发电机（把机械能转变成电能）、蓄电池（把化学能转换成电能）等。•（2）、负载：是一种把电能转变成其它能量的设备，例如电炉（把电能转换成热能）、电动机（把电能转换成机械能）等。（3）、连接导线：是传输电能的，例如把电源产生的电能输送给负载。（4）、辅助设备：是用来控制电路的电气设备，例如开关、接线端子等，如图1－1就是一个由电池（电源）、灯泡（负载）、连接导线和开关（辅助设备）组成的简单电路。电路图并不反映电路的实际尺寸和设备的具体结构，也不反映它的真实位置，也不要求按比例绘制。它只反映电路中在电气方面相互联系的实际情况，便于对电路进行分析和计算。它与机械图和电气装配图不同。二、电路图为了研究和绘制电路的方便，在电工技术中，国家统一规定了一些符号来代替实物。如图1－2是几种常见的电气设备的图形符号。用图形符号绘制的图称为电路图。图1－1就是利用电工符号绘成的电路图虽说电路是电流通过的道路，但要使电路中通过持续电流，还需要有两个条件：一是电路形成闭合回路；二是电源两端要有电压。如果图1－1中的开关不闭合，灯泡就会不亮，因为电路没有形成闭合回路，电路中无电流。若图1－1中的开关是闭合的，也就是具有了闭合回路，但电源两端如果没有电压（电位差），电路中也是不会有电流的，例如电池的电用完了就是这种情况。三、电场大家知道，一切物质都是由分子和原子组成，儿原子是带正电的原子核和带负电的电子组成。在正常情况下，二者正负电量相等，所以，物体对外界不显示任何电性。当人们用摩擦或感应等方法使物体失掉一些电子或获得一些电子时，就显示出电性了。失掉电子则显正电性，获得电子则显负电性，称这种物体为带电体。人们发现，在带电体的周围存在着一种特殊形态的物质――电场。电场的主要特征就是对置于电场内的电荷（很小的带电体），有电场力的作用。通过实验可以看到，带电体形成的静电场，能使放入静电场中的电荷受到力的作用。如图1－3所示，把微小的正电荷q放入正电荷Q形成的电场中，根据同性相斥的原则，q要受道Q的排斥。为了直观而形象地描绘静电场，人们把极微小的正电荷在电场中各点受力的方向作为切线方向而描绘出来的线称为电力线。因此，电力线具有以下性质：（1）、电力线的方向：由正电荷起到负电荷止；（2）、电力线上任何一点的切线方向，都是在该点放一个正电荷所受静电场力的方向。（3）、电力线彼此不能相交。图1－4a和图1－4b绘出了孤立带电球体的电力线；图1－4c是两个异性带电球体形成电场的电力线；图1－4d是两块板面很大、距离很近、带异性电荷平行板中间部分电场的电力线。上面我们对静电场的性质进行了分析，下面在对它作定量分析。1.电场长度我们把带电量很微小、尺寸很微小的电荷防在静电场中（这样的电荷称为试验电荷。它小到放入所研究的电场中，不会改变这个点场的分布），我们发现，同一试验电荷在不同的电场内或同一电场的一个固定点上进行试验，会发现一个引人注意的特性，那就是：改变试验电荷的电量，受力的大小也随着改变，且受力大小与实验电荷所带电量成正比，或者说，它们的比值是一个固定的数值。可见，这个比值反映了电场某一点的特性。于是，我们把试验电荷在电场某一点所受的电场力F与实验电荷量Q的比值，定义为电场强度，即:E＝F/Q（1－1）式中：E――电场强度F――电场力Q――电荷量电场强度是反映电场对单位电荷作用力强弱程度的一小量，它不仅有大小且有方向，是一个矢量。它的方向规定为正试验电荷在该点的受力方向。也可把电力线叫电场强度线。电力线任一点的切线方向和该点电场强度的方向是一致的。从图1－4可以看到，如果按电力线的作图规则，从正电荷指向负电荷（中途不能增减或中断），而且不能交叉，电力线分布的疏密程度也不一定相同。如带电球体的电场，越是靠近球体则电力线越密，这说明越是靠近球体，电场强度越强。所以，还可以用电力线的密度来表示电场强度的强弱。我们把电场中各点的电场强度大小一样、方向一致，或电力线互相平行、均匀分布的电场称为均匀电场。图1－4a、b、c是不均匀电场，图1－4d为均匀电场。2.库仑定律上面我们介绍了一个带电体的周围形成电场，并指出了在电场某一点上单位电荷所受的力，就是这一点的电场强度。下面讨论两个点电荷之间的作用力问题。什么是点电荷呢？如果两带电体，当它们尺寸的大小和它们之间的距离相比小到可以忽略不计时，这种带电体可以认为是点电荷。试验证明，两个点电荷之间的作用力，和这两个点电荷电荷量的乘积成正比，和它们之间的距离的平方成反比。如图1－5两电荷之间的作用力可以写成：F∝Q1Q2/r2写成等式为F＝KQ1Q2/r2式中K――为比例常数，它的数值与电场所在的空间的介质（如空气、矿物油、云母等）有关。在实用单位制中K＝1/4πε将K代入F式中可得F＝Q1Q2/4πεr2（1－2）公式（1－2）就是库仑定律的表达式。注意：库仑定律的表达式只适用于计算点电荷之间的作用力，而任意形状的两个带电体之间作用力不能直接应用这个公式。3.介电系数按照公式（1－2），在给定Q1和Q2以及r的情况下，通过实验可以测出F力的大小，因而可以计算出在各种介质情况下的介电系数值。例如在真空中做实验，可以求出真空中的介电系数。其它介质中的介电系数与真空中的介电系数的比值称做相对介质系数，用εr表示，即εr＝ε/ε0或ε＝εr*ε0εr――相对介电系数ε0――真空介电系数，C/Vmε――介质的绝对介电系数4.关于单位制上面讲的电场中的几个计算公式，在进行定量运算时，必须采用一定的计量单位制。本书采用国际单位制。由于在我国当前实际使用的一些技术资料中仍有个别单位为非国际制单位，如磁感应强度的单位用高斯GS化为国际单位制：1GS＝10－4T，电阻系数的单位用欧.毫米2/米Ω.mm2/m等，本书引用的有关数据和例题中亦暂时使用此种单位。国际单位制规定：长度用米作单位；质量用公斤作单位；时间用秒作单位；电流用安培作单位等。利用这些基本单位就可以导出其它各物理量的单位。第二节电路的基本物理量一、电流由第一章第一节中知道，原子是由原子核和围绕它运行的电子所构成。对金属来说，原子核外围的电子与原子核的结合力很弱，容易脱离原子核的引力而在金属内部自由移动。这些电子称为自由电子。在一般情况下，自由电子的运动是杂乱的。电解液中的正负离子，也是在液体中自由移动，它们的运动也是杂乱的。当把导体接到电源上形成闭合电路后，电源就会在导体中形成电场，在电场力的作用下，金属内部的自由电子或电解液中的正负离子，便沿电场力的方向做有规则的运动，形成电流。我们所指的电流，就是指做定向有规则运动的电子流。我们所指的导体，就是指在电场力的作用下容易使其自由电子或离子做有规则的定向运动的导电物体。1.电流的大小用单位时间内通过导体某一横截面的电荷量多少来衡量电流的大小用单位时间内通过导体某一横截面的电荷量多少来衡量电流的大小，称作电流强度，简称电流，用I表示，即:I=Q/t;式中I――电流，AQ――电量，CT――时间，S由1－3式可以导出电流的单位：（I）＝［Q/T］=库仑（C）/秒（S）＝安培（A）1秒钟内通过1库仑的电荷量时的电流强度为1安培。计算微量电流时常用毫秒（mA）、微安（μA）为单位，而计量大电流时则采用千安（kA）。1A=1000mA1mA=1000μA1kA＝1000A测量电流的仪表称为电流表，由于量程不同，分别有安培表、毫安表。由定义可以看出，电流这一名词，即表示一种物理现象，又表示一种物理量。究竟指哪种，结合实际情况是不难领会的。2.电流的方向由于历史的原因，在习惯上将正电荷运动的方向作为电流的方向。在图1－6中因为场强E是表示正电荷受力的方向的，故知电流的方向是和导体中场强E的方向是一致的。3.电流密度同一电流通过不同的截面，其电流密度不同。单位截面内通过的电流称作电流密度。在直流电路中电流时均匀分布在导体的横截面上，电流密度可以用下式表示：δ＝I/S（1－4）式中δ――电流密度A/mm2I――电流AS――导体截面，mm2•二、电压和电位•1、电压•大家知道，电路中的电流大小与导体中电场强弱有关。尽管如此，通常很少直接应用电场强度E来说明电路的工作状态，而多采用电压来描述电路的工作情况。因为两点间的电压可以很方便地使用仪表进行测量。•图1－7表示长度为LAB的一段导体，其中有电场在作用，场强为E，设在电场力F的作用下正电荷Q由A移到B，移动距离为LAB,则电场力将做功:•A＝F*LAB•从物理学中知道电场力移动单位正电荷Q由A移到B点所作的功，定义为A、B两点间的电压就是1伏特，简称伏，用V表示。•测量电压的仪表叫电压表。•计量低电压时还可以采用毫伏（mV）、微伏（μV）作单位，而计量高电压时则采用千伏(kv)作单位。•1mV＝10－3V1μV＝10－6V1kv＝103V•在均匀电场中A＝F*LAB，代入（1－5）式中，可得到匀强磁场中的电压：•UAB＝F*LAB/Q=（F*/Q）LAB＝ELAB(1－6)•即对同一长度的导体来说，电压与电场强度成正比。在实践中我们发现导体两端电压越高，电流就越大，导体中的电场就越强。2、电位除电压外，在电工技术中还经常用电位这个物理量，并把电压叫做电位差。那么，什么是电位呢？下面我们就来研究这个问题。在电场中，我们指定点“0”作参考点，而把电场中任意点A与参考点之间的电压UA0称为该点的电位，用Ψ表示。如A点的电位可以写成ΨA。电位参考点（指盯电位是零的点）是可以任意选择的。在工程技术上常选用“大地”为电位参考点，而把某点对低电压的大小看成该点电位的高低。当没有明确接地点时，也可以再任选一点为电位参考点。但必须指出，在同一系统中，只能选一个参考点。比参考点高的电位为正电位，比参考点低的电位为负电位。要比较同一电场中的两个点的电位高低，应把它们分别与参考点比较之后才能判断。如A点比参考点高2V，B点比参考点高3V，就可知道B点比A点高1V，可见，不确定参考点是无法确定某一点电位的。还应指出，当电位参考点选定以后，电路中各点的电位，只有一个固定的单一数值，叫做电位单值性原理。电位和电压是什么关系呢？下面我们来讨论电场中任意两点A和B的电位(ΨA和ΨB)与这两点间的电压UAB的关系。仍然取0点为电位参考点，则ΨA=UA0ΨB＝UB0。两点电位之差为：UA0+UB0=UAB或UAB=ΨA－ΨB所以说，电场中A，B两点间的电压就等于A、B两点的电位之差。电压用两个字母标注其下角，电位用一个字母标注下角。电位和电压的单位都是伏（V）电压与电位都是表示电场力推动单位正电荷做功多少的物理量，这是相同之处。它们的区别是电路中某两点间电压的大小是绝对的，而某点电位的大小是相对的。电压的方向是从高电位点到低电位点，即电位降的方向（习惯上称为电压降）。为了计算和研究问题方便，电压和电流都可以选定一个正方向。当电压的方向与所选定的正方向一致时，电压为正值，反之为负值。三、电动势在电路中,如仅仅存在电场力是不可能维持恒定电流的.这是由于电场力在推动电荷做功的同时,电场力本身也在逐渐减少.为了维持在电路中流过恒定的电流,就必须设法不断地向线路补充能量.只有使电路两端维持恒定的电场力,通过负载的恒定电流才能实现.这种向电路补充能量的装置叫电源.现以发电机为例,当原动机(汽轮机、内燃机)带动，使发电机内的导体在磁场中运动时，导体中的每个自由电子，都要受到一种磁场力的作用（详见第二章），而磁场力和电场力的性质完全不同。把它叫做电源力（或局外力），用Fy表示。在电源内部的自由电子受到电源力Fy的作用从而从A端移