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1、电工基础知识,主要内容,第一节 直流电路第二节 交流电路第三节 磁与磁路感应第四节 电子技术基础,第一节直流电路,直流电路基本概念直流电路基本定理电阻、电感、电容的串并联复杂电路的分析和计算,1.1 直流电路基本概念,1、电流：导体中的自由电子在电场力的作用下，作有规则的定向运动，称谓电流，数值上等于单位时间内通过导体任一横截面的电量。2、电压：电场力将单位正电荷从一点移动到另一点所做的功，称为两点之间的电压。电压的大小与电荷移动的路径无关，电压的实际方向为电场力移动正电荷做功的方向。3、电位：在电路中任选一点作为参考点，电路中某点的电位就是该点到参考点的电压。电位实际上就是电压，所以电位也有
2、正负之分。4、电动势：电势是电源内部的电源力，在数值上等于单位正电荷从电源负极移至正极时所做的功。既有大小又有方向的物理量。方向规定从低电位指向高电位，即从电源负极指向电源正极。,1.1 直流电路基本概念,5、电阻：在电场力的作用下，电流在导体中流动时所受到的阻力，称谓电阻。6、电阻率：在20时，长度为1m，横截面积为1mm2的某种材料导线的电阻值，称为这种材料的电阻率；电阻率越小，导电性能越好；电阻率的单位是mm2/m。7、电功率：单位时间内电场力所做的功，称为电功率；电功率与时间的乘积，称为电能；功率的单位为kW，电能的单位为kWh。,习题29,习题26,1.2 直流电路基本定理,一、部分
3、电路欧姆定理在一段电路中，流过电阻R的电流I与电阻两端的电压U成正比，而与这段电路的电阻R成反比。,电阻的倒数称为电导，用G表示，欧姆定律还可以表示为：,二全电路的欧姆定律包含电源的闭合电路叫全电路，全电路的欧姆定律指出，电流的大小与电源的电动势成正比，而与电源内部r0电阻与负载电阻（R）之和（r0+R）成反比E=I(r0+R)=U+I r0 或者 I=E/(r0+R),1.2 电阻串并联,一、电阻的串联所有电阻流过的电流相等；串联电路的总电压等于各串联电阻的电压之和；,1.2 电阻的串并联,二、电阻的并联所有电阻承受的电压相等；并联电路的总电流等于各并联电阻的电流之和；,1.3 直流电路基本
4、定理,二、基尔霍夫第一定律在电路中，汇聚于某节点的所有支路电流的代数和等于零。定义支路电流的正方向，例如：定义流入节点电流为正，流出为负。第一定律说明流入节点的电流等于流出节点的电流，其实质上是电荷不灭定律。,1.3 直流电路基本定理,三、基尔霍夫第二定律在闭合回路中，所有电势的代数和等于回路中所有电压降的代数和。定义回路电流的正方向，例如：定义顺时针方向为正，逆时针方向为负。,第二节交流电路,正弦交流电的三要素交流电的有效值交流电的平均值正弦交流电的向量表示法交流电路中的电阻元件交流电路中的纯电感元件交流电路中的纯电容元件RLC串联电路的分析与计算,线圈与电容并联电路电路的谐振,2.1 正弦
5、交流电的三要素,一、正弦交流电的产生大小和方向都随时间作周期变化的电流，叫做周期电流；在一个周期内，平均值等于零的周期电流，叫做交变电流，也称交流；按正弦规律变化的交流，叫做正弦交流。要得到正弦交流，就必须有正弦电动势作用在电路上，在电力系统中，这个正弦电动势是由交流发电机产生也就是利用电磁感应原理产生的。假设在 t=0 时，发电机的定子和转子的轴线相差 角，则考虑到交流电动势随时间的变化，则,2.1 正弦交流电的三要素,二、正弦交流电的三要素1、最大值（Em）：又称幅值，是瞬时值中最大的值；2、周期、频率和角频率（）：周期：交流电每交变一次（或一周）所需时间。用T表示频率：每秒内交流电的周期
6、数或次数，用f表示角频率表示正弦量相位角的变化速度，即一秒钟内发电机的转子旋转多少电角度，单位是弧度/秒（rad/s）；3、初相位（）：表示 t=0 时正弦量的相位角，它确定了正弦量在 t=0 时的瞬时值（即初始值）。4有效值 实际应用中常用等效的直流电流值来表示交变电流动大小,电流I单位A 最大值Im电压U 单位 v 最大值Um电阻 R 单位电动势E 最大值Em,2.5 交流电路中的电阻元件,假设交流电压 u 和交流电流 i 的参考方向一致，则因此，电压与电流满足欧姆定律，且两者相位相同。电阻元件的功率关系：通常，各电气设备上所标的功率就是指平均功率，也就是有功功率。,2.6 交流电路中的纯
7、电感元件,一、电压与电流的关系根据电磁感应原理，当线圈中通以交流电时，线圈中将会产生阻碍线圈电流变化的自感电动势，假设则转换成向量表示：其中感抗，它只是线圈上电压和电流的有效值之比，而不是瞬时值之比。由此可见，线圈上的电压在相位上超前电流90。,3.6 交流电路中的纯电感元件,二、功率关系无功功率等于瞬时功率中去除有功功率后剩余功率的最大值，它表示能量交换的能力。,2.7 交流电路中的纯电容元件,一、电压与电流的关系根据电流的定义和电容器所带电荷量 得假设则转换成向量表示：其中感抗，它只是线圈上电压和电流的有效值之比，而不是瞬时值之比。由此可见，线圈上的电压在相位上滞后电流90。,2.7 交流
8、电路中的纯电容元件,二、功率关系无功功率等于瞬时功率中去除有功功率后剩余功率的最大值，它表示能量交换的能力。,五 三相交流电,一、三相交流电路的定义将三个频率和最大值相同，相位互差120的正弦电动势（或电压），按照一定的方式连接起来构成三相交流电源，再与一定的三相输电线路和三相负载连接，就构成三相交流电路。三相交流电路与单相交流电路相比，具有一下优点：1、在相同尺寸下，三相发电机的输出功率比单相发电机要大；2、在相同电压下，输送功率和距离一定时，采用三相输电比单相输电节省导线材料等，比较经济；3、三相电动机比单相电动机结构简单，性能好，成本低，运行可靠，维护和使用较方便。,5.1 概述,二、基
9、本概念火线：由每相绕组或负载始端引出的导线叫做端线，也叫火线；零线：在星形连接中从中点引出的导线叫做中性线，也叫零线；相电压：每相绕组或负载始端和末端之间的电压叫做相电压；线电压：三相绕组或负载端线与端线之间的电压叫做线电压；相电流：流过每相绕组或负载的电流叫做相电流；线电流：流过端线（或火线）的电流叫做线电流；零线电流：流过中性线（或零线）的电流叫做零线电流。,5.2 三相正弦交流电的表示方法,按照正相序A-B-C的要求，三相正弦交流电动势可表示为：三相对称电动势在任一时刻的代数和等于零，其向量之和也等于零，即。,5.3 三相交流电路的星形连接,将三相绕组或负载的末端连接在一起，成为一个公共
10、点，始端分别用导线引出，这种连接方式叫做星形连接。因此，当三相绕组或负载接成星形时，线电压有效值等于相电压有效值的 倍，各线电压在相位上超前相应的相电压30；同时，各线电流在大小和相位上等于相应的相电流，即,5.4 三相交流电路的三角形连接,将三相绕组或负载的始端和末端依次连接，构成一个闭合三角形回路，然后从三个连接点分别引出导线，这种连接方式叫做三角形连接。因此，当三相绕组或负载接成三角形时，线电流有效值等于相电流有效值的 倍，各线电流在相位上滞后相应的相电流30；同时，各线电压在大小和相位上等于相应的相电压，即,5.5 三相交流电路的功率,一、有功功率无论三相对称电路中的电源和负载是接成星
11、形还是三角形，其总的有功功率的计算公式是相同的。二、无功功率三、视在功率,第三节磁与磁路感应,一磁的基本概念1磁场磁场是一种看不见摸不着，存在于电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间的一种特殊形态的物质。磁场的存在表现为：进入场域内的磁针、磁体发生偏转或取向；对磁场内的运动电荷施加作用力，即电流在磁场中受到力的作用。磁场的强度用磁感应强度表示（B）。磁感应强度的大小为单位长度（L）的单位直流电（I）在均匀磁场中所受到的作用力（F）F=BIL,磁力线,为了直观地描述磁场，可以像电力线描述电场一样，用磁力线来描述磁场。磁力线的特点：1、磁铁的外部，磁力线从N极到S极，磁铁的内部，磁力线从S极到N极
12、，从而构成一条闭合曲线；2、磁场的强弱由磁力线的疏密来表示；3、磁力线不能相互交叉；4、空间某点磁场的方向就是磁力线上该点的切线方向。,小磁针的北极所指方向为磁力线方向,均匀磁场：内部磁场方向和强弱处处相同,通常使用的是磁介质的相对磁导率，其定义为磁导率r与真空磁导率0之比，即=/0。真空磁导率 0=1比1略大的材料称为顺磁性材料如白金、空气等；比1略小的材料称为反磁性材料如银、铜、水等。,2 磁导率表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力、其公式=B/H、其中H=磁场强度、B=磁感应强度，常用符号表示，为介质的磁导率，
13、或称绝对磁导率。,4 磁通：在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通量，用符合 表示。它是磁场中一个面上磁场情况的物理量。磁通不是向量，而是标量。磁通的单位是韦伯（简称韦），用Wb表示。由=BS可知，磁感应强度为B=/S所以在数值上，磁感应强度B可以看成是与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通量，故磁感应强度B可认为是该面积中的磁通密度,二磁路和磁性材料,1磁路-磁通的闭合回路N表示载流线圈的匝数，i表示导线通过的电流，NI的乘积称为磁动势。磁动势在磁路中会遇到阻力称为磁阻用Rm表示。Rm=l/s。Ls分别表示导磁体的长度和截面积。其中表示材料的磁导率在磁
14、路中，当磁阻大小不变时，磁通与磁动势成正比表示为NI=Rm,三电磁感应,1法拉第电磁感应定律线圈中磁通的变化，将会在线圈两端产生感应电动势。法拉第电磁感应定律：线圈中感应电动势的大小与穿过线圈的磁通变化率和线圈的匝数成正比。楞次定律：当穿过线圈的磁通变化时，感应电动势的方向总是企图使它的感应电流所产生的磁通阻止原有磁通的变化。以右手螺旋关系确定感应电动势和穿过回路的磁通的参考方向，则在任何情况下，线圈中的感应电动势等于磁通变化率的负值。,自感、互感和涡流,一、自感由于线圈本身电流的变化而引起感应电动势的现象叫做自感现象。由自感现象而产生的感应电动势叫做自感电动势。在线性电路中，线圈的自感磁链和
15、电流成正比，线圈的自感磁链与电流的比值叫做自感系数，简称自感，也叫电感，用L表示。L的数值与线圈的匝数、形状和大小有关。,自感、互感和涡流,二、互感由于一个线圈电流的变化，使另一个线圈产生感应电动势的现象叫做互感现象。由互感现象而产生的感应电动势叫做互感电动势。在线性电路中，线圈2的互感磁链和线圈1中的电流成正比，它们的比值叫做互感系数，简称互感，用M表示。M的数值除了与线圈的匝数、形状、大小和介质种类有关以外，还和线圈的相对位置有关。,自感、互感和涡流,三、涡流当整块导体在磁场中运动或者将它放在变化的磁场中，导体内便产生感应电动势，从而在整个导体内形成自成回路的环形电流，这种环形电流叫做涡流
16、。涡流会使电气设备中的铁芯发热，消耗电功率，造成涡流损失，同时，涡流还会使磁场削弱，降低设备的利用率。减少涡流的方法是采用很薄的硅钢片或其他更优越的导磁材料叠加成铁芯，每片硅钢片之间再涂上绝缘物，使涡流被限制在很小的范围内，且硅钢具有较大的电阻率，从而使涡流大为减少。,3.左手定则和右手螺旋定则,1左手定则载流导体在磁场中将会受到磁场力的作用。力是既有大小有有方向的物理量。力的大小与磁感应强度、通过导体的电流、导体长度成正比,F=BIlF为导体受到的作用，单位为N；B为磁感应强度，单位为T;I为通过导体的电流单位为A;l为导体有效长度，单位为m,2安培定则（右手螺旋定则）通电直导线中的安培定则
17、（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。,第四节电子技术基础,PN结及其单向导电性晶体二级管晶体三级管,4.1 PN结及其单向导电性,一、PN结的形成P型半导体：在本征半导体硅中掺入少量三价元素硼，从而形成大量的空穴，导电能力大大提高，也称之为空穴型半导体；N型半导体：在本征半导体硅中掺入少量五价元素磷，从而形成大量的自由电子，导电能力大大提高，也称之为电子型半导体。通过一定的工艺，将P型半导体和N型半导体结合在一
18、起，N区的自由电子会向P区的空穴进行扩散运动，从而形成空间电荷区（内电场），内电场阻碍这种扩散运动，但却促进少数载流子的漂移运动，当多数载流子的扩散运动和少数载流子的漂移运动到达动态平衡时，交界处所形成的空间电荷区薄层就叫做PN结。,4.1 PN结及其单向导电性,二、PN结的单向导电性1、正向导通在PN结两端加一个适当大小的正向电压，使PN结正向偏置。此时，外加电压削弱了内电场，使空间电荷区变窄，有利于扩散运动不断地进行下去，从而形成较大的正向电流。这表明，PN结加正向电压时，呈现很小的电阻，PN结处于正向导通状态。,5.1 PN结及其单向导电性,2、反向截止在PN结两端加反向电压，使PN结反
19、向偏置。此时，外加电压加强了内电场，使空间电荷区变宽，不利于扩散运动的进行，有利于少数载流子的漂移运动，但少数载流子的数量很少，只能形成很小的反向电流。这表明，PN结加反向电压时，呈现很大的电阻，PN结处于反向截止状态。,4.2 晶体二极管,晶体二极管是由一个PN结封装在管壳内，并引出两个金属电极构成的。P区引出的电极叫正极，N区引出的电极叫负极。一、晶体二极管的伏安特性表明加在二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系的曲线，叫做二极管的伏安特性曲线。1、正向特性2、反向特性3、反向击穿特性,5.2 晶体二极管,二、晶体二极管的主要参数1、最大整流电流最大整流电流是指在一定温度条件下，允许
20、长期通过二极管的最大平均电流。它由PN结的面积和散热条件决定。2、最高反向工作电压最高反向工作电压是指允许加在二极管上反向电压的最大值，它反映二极管反向工作的耐压程度。一般手册上给出的最高反向工作电压通常是击穿电压的一半。,稳压二极管,稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。利用pn结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。1 此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压
21、管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更高的稳定电压。2,4.3 晶体三极管,一、概述晶体三极管是由两种类型的三块半导体按照一定的组合方式构成两个PN结，并分别从三个半导体上引出三个电极，最后用金属或塑料管壳封装而成。根据三块半导体的组合方式的不同，晶体三极管可分为NPN型和PNP型两种类型，两者的工作原理完全相同，只是使用时电源极性接法不同。,4.3 晶体三极管,二、晶体三极管的电流放大作用1、现象：，基极电流的微小变化能引起集电极电流很大的变化。2、分析：对于NPN管来说，当发射结正偏，集电结反偏时，电流放大作用是由三极管内部的
22、载流子运动规律所决定的。,3、结论：晶体管的电流放大作用是利用自由电子在基极中的扩散和复合这一对矛盾运动，并使扩散运动大大超过复合运动而获得的。当管子制成后，扩散到集电极的自由电子与被复合的自由电子数目的比是一定的，所以，可以通过基极电流的大小控制集电极电流。,4.4场效应晶体管,场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。主要有两种类型（junction FETJFET)和金属-氧化物半导体场效应管（metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET）。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器
23、件。具有输入电阻高（1071015）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。FET 英文为Field Effect Transistor，简写成FET。1,练 习,1、在磁场中，通电导体将承受一个力的作用，它的方向与电流的方向和磁场的方向有关。三者的关系可以用来确定，即伸开手，让磁力线从手心穿过，指向电流的方向，这时，所指的方向就是它的方向。答案：电磁，左手定则，
24、左，四指，拇指,练 习,2、直导体作切割磁力线运动，导体内的电荷受电磁力的作用而分离，从而产生。它的方向可由确定。即伸出手，让磁力线垂直穿过手心，则所指的方向就是感应电动势的方向，指向导体运动方向。答案：感应电动势，右手定则，右，四指，拇指,练 习,3、大小和方向都随时间作周期变化的电流，叫做周期电流；在一个周期内，平均值等于的周期电流，叫做交变电流，也称交流；按正弦规律变化的交流，叫做。答案：零，正弦交流,练 习,4、有效值的定义：在阻值相同的两个电阻元件中，分别通入直流电流I和交流电流i，如果在相同的时间里，这两个电流所产生的相同，则电流的有效值就等于电流的大小。答案：热量，交流，直流,练
25、 习,5、在RLC串联电路中，当XLXC时，总电压电流，电路呈；当XL=XC时，总电压与电流，电路呈；当XLXC时，总电压电流，电路呈。答案：超前，感性，同相位，纯电阻性，滞后，容性,练 习,6、功率因数是用电设备的一个重要技术指标。一般负载的功率因数在0.70.9之间，有时会更低，功率因数低对系统运行有不利影响，常用的方法提高用户的功率因数。答案：并联电容器,练 习,7、只要有()存在，其周围必然有磁场。(A)电压；(B)电流；(C)电阻；(D)电容。答案：B,练 习,8、导线切割磁力线运动时，导线中会产生()。(A)感应电动势；(B)感应电流；(C)磁力线；(D)感应磁场。答案：A,练 习
26、,9、把长度一定的导线的直径减为原来的一半，其电阻值为原来()。(A)2倍；(B)1/2倍；(C)4倍；(D)1/4倍。答案：C,练 习,10、按正弦规律变化的交流电的三个要素是()。(A)电压值、电流值、频率；(B)最大值、角频率、相位；(C)最大值、角频率、初相角；(D)有效值、频率、相位。答案：C,练 习,11、将一个100W的白炽灯泡分别接入220V交流电源上或220V直流电源上，灯泡的亮度()。(A)前者比后者亮；(B)一样亮；(C)后者比前者亮；(D)不能确定。答案：B,练 习,12、三相对称负载的功率，其中 角是()的相位角。(A)线电压与线电流之间；(B)相电压与对应相电流之间
27、；(C)线电压与相电流之间；(D)相电压与线电流之间。答案：B,练 习,13、线圈中自感电动势的方向是()。(A)与原电流方向相反；(B)与原电流方向相同；(C)阻止原磁通的变化；(D)加强原磁通的变化。答案：C,练 习,14、电场是一种殊特物质。()答案：,练 习,15、载流导体在磁场中要受到力的作用。()答案：,练 习,16、在电路中只要没有电流通过，就一定没有电压。()答案：,练 习,17、三相四线制中的中性线也应装设熔断器。()答案：,练 习,18、磁力线是在磁体的外部，由N极到S极，而在磁体的内部，由S极到N极的闭合曲线。()答案：,练 习,19、根据电功率P=I2R可知，在并联电路中各电阻消耗的电功率与它的电阻值成正比。()答案：,练 习,20、电位是相对的，离开参考点谈电位没有意义。()答案：,
