第一章电工基础知识课件.ppt

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1、第一章 电工基础知识,主要内容： 直流电路及基本物理量 磁场及电磁感应 正弦交流电路和三相交流电路,第一节 直流电路,1、电场： 电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。 电荷之间的相互作用是通过电场发生的。只要有电荷存在，电荷的周围就存在着电场，电场的基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用，这种力就叫做电场力。 如果电荷的多少和位置都不变化，则其电场也不变化，这种电场称为静电场。,一、电场、电位及电压,2、电位 当一个物体带有电荷时，这物体就具有一定的电位能，这种电位能叫做电位。 电场中某点A的电位等于单位正电荷在该点所具有的电位能，用VA表示。 规定：参考点的电位等于零。

2、通常，选取无穷远处为零电位点，工程实际中则常选取大地为参考点。 所以电位是相对的，电路中某点电位的大小，与参考点的选择有关，如参考点选择不同，电路中各点电位的大小和正负也不同。 电位的单位：伏特(v）。,3、电压(电位差） 在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。通常用字母U代表电压。A、B两点的电压用UAB表示，UAB=VA-VB。 电位差是产生电流的原因。电流之所以能够在导线中流动，也是因为在电流中有着高电势和低电势之间的差别。这种差别叫电势差，也叫电压。 电压的单位：伏特(v）。,二、电流和电流密度1、电流 电荷的定向移动形成电流。（1）电流的方向：规定是正电荷定向移动的方向。（

3、2）电流的大小：取决于在一定时间内通过导体横截面的电荷量，通常规定：1s内通过导体某一截面的电荷量，称为电流强度，符号为I。如果在t时间内通过导体横截面的电荷量为Q，则电流强度I=Q/t。 （3）电流的单位：安培（A）除了A，常用的单位有毫安（mA）、微安(A) 。,（4）电流分类：交流电流和直流电流。 交流电流：大小和方向都发生变化。 直流电流：方向不随时间发生改变。 脉动直流电流：是方向不变,但是电流的大小脉动的变化。 （5）电流的测量：电流表电流表的使用注意： .测量时将电流表串联在电路中。 .正负接线柱的接法要正确：使电流从正接线柱流入，从负接线柱流出，俗称正进负出。 .被测电流不要超

4、过电流表的量程。（否则会烧坏电流表）,2、电流密度 (1)定义：电流密度是指电流的密集程度，电流I在导体的横截面S上均匀分布时，该电流I与导体横截面积S的比值，用J表示，即：J=I/S（2）单位：A/mm2（3）计算：直流电路中，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。 导线允许通过的电流密度随导体的横截面不同而不同。例如：S=1mm2，I=6A，则J=6A/mm2； S=2.5mm2，J=6A/mm2 ，则I=15A，通过导线的电流如果超过允许电流值，容易加速老化或烧坏。,三、电源与电动势（1）定义：电源是把其它形式的能量转换为电能的装置。电动势是衡量电源将其它形式能量转换为电能的本领大小的物理

5、量。（2）单位：电动势和电压使用同样的单位，V;（3）方向：电动势的方向规定是电源力（非电场力）推动正电荷运动的方向，即从低电位点指向高电位点，也就是电位升高的方向。（4）与电压的区别：电压方向即从高电位点指向低电位点，电动势的方向与电压的方向是相反的。,四、电阻与电导1、电阻（1）定义：表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大，导电能力越小。我们把导体对电流的阻碍作用称为电阻。用R表示。（2）单位：电阻的单位是欧姆，符号是； 比较大的单位有千欧（k）、兆欧（M）（兆=百万，即100万）。 K（千欧）， M（兆欧），,（3）计算：电阻的大小与导体的尺寸（比如导

6、线的横截面）和导体的材料是密切相的，计算公式如下： 公式中， L导电的导线长度，单位是米（m）； S导体的面积，单位是平方毫米（mm）； 导体的电阻率或者电阻系数，单位为mm/m，,2、电导（1）定义：表示某一种导体传输电流能力强 弱程度,（2）单位是西门子，简称西，符号S。（3）与电阻关系：对于纯电阻线路，电导与电阻的关系方程为G=1/R， 导体的电阻越小，电导就越大，数值上等于电阻的倒数.,五、欧姆定律1、部分电路欧姆定律： 在一段不包含电源的电路中，导体中的电流I与导体两端的电压U成正比，而与这段电路的电阻R成反比，这就是部分电路欧姆定律。 欧姆定律公式为：,2、全电路欧姆定律,电源两极

7、以外的部分称之为外电路。 电源两极之内的部分称之为内电路。 外电路和内电路组成的完整电路称为闭合电路。内电路对电流的阻碍作用用内阻r表示。,这个规律叫做闭合（全）电路欧姆定律。,适用范围：纯电阻电路,例、电源的电动势为3V，内阻r=0.5，外电路的电阻R=9.5，求电路中的电流I，电阻电压U。,解：根据全电路欧姆定律，电路中的电流为,电阻电压为,六、电路连接（串联、并联、混联）,（1）电 流：各电阻顺序连接，流过同一电流 ；（2）总电压：等于各串联电阻的电压之和 。,（3）等效电阻：等于各分电阻之和。 Req = R1+ R2 +Rk+ Rn,1、电阻的串联,2、电阻的并联,（1）电 压：各电

8、阻端电压相等；（2）总电流：等于流过各并联电阻的电流之和 。,i = i1+ i2+ + ik+ +in,（3）等效电导：等于并联的各电导之和 Geq=G1+G2+Gk+Gn,3、 电阻的混联,弄清楚串、并联的概念。,例1.,七、电路与电路的三种状态电路有三种工作状态：通路、断路和短路状态 。,（1）通路：开关闭合，电路成闭合，电路中有电流通过；（2）断路：开关打开，电路被切断，电路中没有电流通过；（3）短路：电路某一部分原来存在电压的两端意外变为0V，叫做短路。短路可能损坏电源装置和元器件，是危险的状态，必须加以避免。,八、电能与电功率1、电能 （1)意义：电能是指在一定的时间内电路元件或设

9、备吸收或发出的电能量，用符号W表示， （2）单位：焦耳（J)； 工作中电能的常用单位是“度”，它的学名叫做千瓦时，KWh。（3）计算公式：直流电路中：,2、电功率（1）定义：电场力在单位时间内做的功。用P表示。（2）单位：瓦特，简称瓦，符号W.，其它KW、mW。（3）计算公式：,第二节 电与磁,一、磁现象（一）磁体与磁极1.磁性：能够吸引铁、镍、钴等物质的性质2.磁体：具有磁性的物体叫磁体。3.磁极：磁体上磁性最强的部分叫磁极。 小磁针静止时指南的磁极叫做南极，又叫S极；指北的磁极叫做北极，又叫N极。4.变无磁性物体为有磁性物体叫磁化，变有磁性物体为无磁性物体叫退磁 5.磁极间的相互作用:同名

10、磁极相斥，异名磁极相吸。,（二）磁场与磁力线（1）磁场：磁场和电场一样是一种特殊的物质，它看不见也摸不着，但的确存在。 磁体周围存在的磁力作用的空间称为磁场，互不接触的两个磁体之间相互作用的力是由磁场传递的。,（2）磁力线：磁场的磁力用磁力线表示。磁力线是闭合的。 磁力线的方向：规定在磁体的外部，磁力线由N极指向S极，在磁体内部则是由S极指向N极，磁力线的方向可以用来表示磁场方向。 在磁极附近磁力线最密，表示磁场最强；在磁体中间磁力线最稀，表示磁场最弱。用磁力线的多少来表征磁场的强弱。,（三）通电导体产生的磁场 电流磁场：电流周围存在磁场。磁场总是伴随着电流而存在，电流永远被磁场所包围。1、直

11、导线电流磁场：通电直导线的周围存在磁场， 判断这一磁场方向用右手螺旋定则，具体方法是：让右手握住直的导线，并将大拇指指向电流流动的方向，四指所指的方向就是磁场方向。,2、环形电流磁场： 通电线圈周围存在磁场，此时的磁场方向也是用右手螺旋定则来判断， 具体方法是：右手握住螺线管，让四指指向线圈中的电流流动方向，大拇指所指方向为磁场方向。,二、磁场的基本物理量,（一）磁通 （1）定义:垂直穿过某一截面积S的磁力线总数。 用符号表示。 （2）单位：Wb（韦伯）工程上有时用麦克斯韦(Mx)。 1Wb108Mx。,（二）磁感应强度 （1）定义：磁感应强度B是表征磁场中某点的磁场强弱和方向的物理量。符号：

12、B 磁感应强度B的方向就是该点磁力线的切线方向。 如果磁场中各处的磁感应强度B相同，则这样的磁场成为均匀磁场。在均匀磁场中，磁感应强度可用下式表示：,在均匀磁场中，磁感应强度B等于单位面积的磁通量。如果通过单位面积的磁通越多，则磁场越强。所以磁感应强度有时又称磁通密度。（2）单位：特斯拉(T)，工程上常采用高(Gs)。1Gs =10-4T。,（三）磁导率1、定义：磁导率是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量,也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。,2、真空中的磁导率：是一个常数，用0表示，即 0410-7H/m,3、相对磁导率：其他任一媒质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率，用 r表示，即,

13、或,4、材料分类：根据相对磁导率不同，把材料分成三大类：第一类： r略小于1，称为反磁材料，如铜、银等第二类： r略大于1，如各类气体、非金属材料、 铝等，这两类的相对磁导率r约等于1，所以常统称为非铁磁性材料；第三类为铁磁性物质，如铁、钴、镍及其合金等，它们的磁导率很高，相对磁导率r远远大于1，可达几百到上万，所以电气设备如变压器、电机都将绕组套装在用铁磁性材料制成的铁心上。,（四）磁场强度H 磁场强度H也是磁场的一个基本物理量。磁场内某点的磁场强度H等于该点磁感应强度B除以该点的磁导率,H的单位为安米(Am)。较大的单位是奥斯特，简称奥，换算关系：1奥斯特=80安/米,三、电磁感应,1、电

14、磁感应现象：当导体相对于磁场运动而切割磁力线或线圈中磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感生电动势，若将此导体或线圈闭合成一回路，则导体或线圈中就有感应电流产生，这种现象称为电磁感应。,2、方向判断：右手定则：伸开右手，让大拇指跟其余四指垂直，并与手掌在同一平面内，让磁感线垂直(或斜着)穿过掌心，大拇指指向导体运动的方向，其余四指所指的方向就是感应电动势（电流）的方向.,对于在磁场中切割磁力线直导体来说，感应电动势可用下列公式计算 e=BvLsinB-磁感应强度（Wb/m2）v-导体切割磁力线速度（m/s）L-导体在磁场中的有效长度（m）-导体运动方向与磁力线的夹角。当=0o时，导线运动方向

15、和磁力线平行，e=0；当=90o时，导体垂直于磁力线运动方向，这时切割磁力线最大，感应电动势e也最大，e=BvL。,当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势，且感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值.,（一）法拉第电磁感应定律线圈感应电动势的大小,如果闭合回路由 N 匝密绕线圈组成,2022/12/5,（二） 楞次定律感应电动势的方向,闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化。 楞次定律也可简练地表述为：感应电流的效果，总是阻碍引起感应电流的原因。,四、磁场对通电导体的作用,IB，且为匀强磁场，此时电流所受的安培力最大,当导线方

16、向与磁场方向一致时(即IB)，电流所受的安培力最小，等于零；,当导线方向与磁场方向斜交时，所受安培力介于最大值和最小值之间：,1、大小：当导线方向与磁场方向垂直时，通电导线在磁场中受到的安培力的大小，既与导线的长度成正比，又与导线中的电流I成正比，即与I和L的乘积成正比。,计算公式：F=BIL,条件：,F安=BILsin,B,B,2、方向：左手定则：伸开左手，使拇指与四指在同一平面内并跟四指垂直，让磁感线垂直穿入手心，四指指向电流的方向，这时拇指所指的就是通电导体所受安培力的方向。,五、自感与互感现象1、自感现象: 是指导体本身电流发生变化而产生的电磁感应现象，自感电动势的大小与线圈中的电流的

17、变化率成正比.,2、互感现象：当一个线圈中的电流变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生电磁感应。这种现象叫互感。产生的感应电动势叫互感电动势。,第三节 交流电路,一、单相交流电路（一）概述 直流电路中，电动势、电压、电流的大小和方向都不随时间变化而变化；而交流电路中这些量的大小和方向都随时间作周期性变化，它的最基本的形式是正弦交流电。,1、描述交流电大小的物理量（1）瞬时值：交流电在某一瞬时的值，称为瞬时值，用小写字母表示，如i、u、e等。（2）最大值：交流电的最大瞬时值，称为最大值。用大写字母加下标m表示，如Im、Um、Em、 （3）有效值：根据电流的热效应来规定，让交流电流和直流

18、电流分别通过大小相同电阻，如果在交流的一个周期内它们产生的热量相等，我们就把这直流I、U叫做这个交流电的有效值。用大写字母表示，如I、U、E。,（4）平均值：交流电正半周内，其瞬时值的平均数称为交流电的平均值。用大写字母加下标p表示，如Ip、Up、Ep,4个物理量的关系： （1）正弦交变电流的最大值为有效值的倍。（2）平均值是最大值的0.637倍。,2、描述交流电快慢的物理量,4、关系：,2、频率f：交变电流一秒内完成周期性变化的次数。单位为Hz,1、 周期T：交变电完成一次周期性变化所需的时间。 单位为S,3、角频率 ：每秒变化的角度(弧度)， 反映正弦量变化快慢。,3、正弦交流电的初相角、

19、相位、相位差：,（1）初相角： 当t=0时，相位角故称为初相角。它表示了正弦量的起点。 （2）相位角： ( t+ )表示正弦量随时间变化的进程,称之为相位角。它的大小决定该时刻正弦量的值。（3）同频率正弦量的相位差：即相位角之差。反映2个正弦量在时间上的先后顺序。,正弦量的瞬时值表达式：i(t)=Imsin( t+ ),4、趋肤效应 对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象称为趋肤效应。 随着电流频率的提高，趋肤效应使导体的电阻增大，电感减小。 例如导线内部实际上电流很小,电流集中在临近导线外表的一薄层。结果使它的电阻增加。导线电阻的增加,使它的损耗功率也增加。

20、这一现象就是趋肤效应。,（二）纯电阻电路特点：1、电流、电压之间的数值关系： U=I*R2、电流、电压之间的相位关系： 同相位。3、有功功率计算：瞬时功率在一个周期平均值， 称为有功功率，实际为电阻消耗的功率。 单位W、KW。 P=UI= I2R=U2/R,（三）纯电感电路特点：1、电流、电压之间的数值关系： UL=XL*IL=L*IL2、电流、电压之间的相位关系： 电压超前电流9003、无功功率计算：电感线圈与电源交换功率的大小，称为无功功率。 单位var、Kvar。 Q=I2XL=U2/XL,（三）纯电容电路特点：1、电流、电压之间的数值关系： 2、电流、电压之间的相位关系： 电流超前电压

21、9003、无功功率计算： 电容与与电源交换功率的大小，称为无功功率。 单位 var、Kvar。 Q=I2XC=U2/XC,（五）电阻、电感、电容串联电路特点,1、总阻抗和阻抗三角形,2、阻抗性质,XL XC ， j 0，电路为感性，电压超前电流；,XL XC ， j 0，电路为容性，电压落后电流；,XL=XC ， j =0，电路为阻性，电压与电流同相。,3、总电流及阻抗角,4、功率（1）有功功率P：反映电阻消耗的功率，单位:W、KW（2）无功功率Q：反映电感、电容与电源交换规模的的功率， 单位:var、Kvar（3）视在功率S:反映电路中总的功率情况，单位:VA、KVA,(4)功率间关系：,（

22、六） RL串联再与C并联的电路及功率因数的提高,1、功率因数低带来的问题：（1）设备不能充分利用，电流到了额定值，但功率容量还有； (2) 当输出相同的有功功率时，线路上电流大，线路压降损耗大。,2、提高功率因数的方法： 感性负载两端并联电容。,3、结果：并联电容后，（1）电源向负载输送的有功不变，负载吸收的无功功率由电容来补偿，电源向负载输送的无功功率减少了，设备容量充分利用。（2）电流减小了，线路损耗降低了。（3）负载本身的工作状态并未改变，它的功率因数、有功功率、无功功率都没有改变。（4）提高了线路末端电压，提高了供用电的可靠性。,二、三相交流电路（一）概述1、三相交流电的特点（1）相同

23、的条件下，能输送更多的电能。（2）三相互成120角，能产生旋转磁场，大大简化了电动机的结构，降低了生产成本和维护成本.（3）在输送同样功率的情况下，三相输电线较单相输电线，可节省有色金属25%，而且电能损耗较单相输电时少。,2、三相正弦交流电动势的产生,由三相交流发电机产生的，主要有定子和转子构成。,（1）定子： 定子安装有三个完全相同的线圈(绕组)，分别称为AX、BY和CZ线圈，其中A、B、C是线圈的始端，X、Y、Z是线圈的末端，每个线圈是一相，三个线圈在空间位置上彼此相隔120。 （2）转子： 当转子(磁极)以匀速顺时针方向转动时，由于穿过三个线圈的磁通发生变化，在三个线圈中将产生感应电动

24、势和感应电压。,3、三相正弦交流电动势的表示方法,4、 相序： 各相电源经过同一值(如正最大值)的先后顺序。 正序(顺序)：U(黄）V（绿）W（红）U 负序(逆序)：UWVU,1、星形连接相线（火线）中线（零线）三相四线制：,(二）三相电源绕组的连接：星形和三角形连接,（1）相电压Up：火线对零线间的电压。（2）线电压Ul：火线对火线间的电压。（3）二者关系：数值：线电压是相电压的 倍； 相位：线电压超前相电压300,2、三角接法：,特点：线电压=相电压,U,V,W,N,Z,Z,Z,（三相负载的连接）1、星形接法特点,(1)相电流=线电流,(2)线电压= 相电压 ，线电压超前相电压30。,2、

25、三角形接法的特点,(1)相电压=线电压,(2)线电流= 相电流 ，线电流落后相电流30。,负载对称时：即各相负载阻抗完全相等。,（四） 三相电路的功率,注意： （1）三相三线制适用于高压输电。（2）在380V/220V低压配电系统中，各相负载不能保证完全对称，所以绝对不能采用三相三相制供电，而且必须保证零线可靠。中线的作用在于，使星形连接的不对称负载得到相等的相电压。为了确保零线在运行中不断开，其上不允许接保险丝也不允许接刀闸。,例1-4 某对称三相负载接成Y形，每相负载的R=4，XL=3 。接在380V（线电压）电网上。请计算三相功率P、Q、S。,解：每相阻抗：,相电压,相电流,例1-5 某对称三相负载接成三角形，接在线电压为380V的电源上，取用的三相总功率为3kW，每相功率因数为0.8。请计算负载的相电流和线电流。,解：,线电流,相电流,