电的基本概念.ppt

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1、第一章 电的基本概念,第一节 物质的带电,第二节 电场强度与库仑定律,第三节 电流与电流密度,第四节 电压与电位,第五节 电阻与电导,第六节 电路、电动势,电工与电子技术基础,第一节 物质的带电,第一章 电的基本概念,第一节 物质的带电,一、电 荷,二、电 量,正负电荷的概念,第一节 物质的带电,第一章 电的基本概念,一、电荷,电是物质的一种属性,一切物质都是由分子组成，分子由原子组成，原子又是由原子核和围绕着原子核旋转的电子组成。,氢原子结构,铝原子结构,物质的电属性，在物理学和电工学中称做物质带有”电荷”。,第一节 物质的带电,第一章 电的基本概念,规定:,原子核的电性质为“正电性”具有“

2、正电荷”,电子的电性质为”负电性”具有“负电荷”,一般情况下，原子核的正电荷和它周围的电子所带的负电荷数值相等。所以物质对外界一般不显带电的性质。,如果由于某种原因使物质得到或失去电子，该物质显示出带电的性质。,得到电子的物质显示负电性；失去电子的物质显示正电性。,第一节 物质的带电,第一章 电的基本概念,例如:,摩擦生电、光电效应、热电效应、感应带电等。,结论:,1.摩擦可以使物质带电，即产生电荷；,2.电荷有正、负两种；,3.电荷与电荷之间有相互作用力，同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引；,电荷守恒:,电荷是一种客观存在的物质，既不能创造，也不能消失，只能从一个物体转移到另一个物体。,物体

3、失去电子后，便带正电荷，获得电子后，便带负电荷。,所谓物质带电是指该物质有了多余的正电荷或负电荷。,第一节 物质的带电,第一章 电的基本概念,二、电量,物质带电荷多少的量。,用Q表示，单位是库仑(C)。,电荷之间存在着“静电力”，即“排斥力”和“吸引力”。,同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。,第一节 物质的带电,第一章 电的基本概念,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,第二节 电场强度与库仑定律,一、电场和电力线,二、电场强度,三、库仑定律,第二节 电场强度与库仑定律,一、电场和电力线,静电力并不是两个电荷之间的直接作用，而是电场对电荷作用的结果。,电场:,是电荷周围存在的一种

4、特殊的物质，它具有传递静电力和电能的特性。,电场和电荷是一个不可分割的整体，只要有电荷存在，它周围的空间里就一定有电场的存在。,第一章 电的基本概念,带电体形成的电场能使放入电场的电荷受到力的作用。,如：把微小的正电荷 q 放入正电荷Q 形成的电场中，q 将受到Q 的排斥力。,电场这种物质，是看不见，摸不着，但又是客观真实存在的物质。,电场依据它与电荷的作用而表现它的特性。,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,电力线:,微小的正电荷在电场中各点受力的切线方向。,电力线的性质：,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

5、力的方向；,3.电力线彼此不能相交。,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,两个异性带电球体合成电场的电力线:,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,孤立带电球体的电力线图：,两块面积很大、距离很近、带异性电荷平行板中间部分电场的电力线。,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,二、电场强度,试验电荷在电场某一点所受的电场力F 与试验电荷电量Q 的比值，定义为电场强度。,电场强度,电场力,电荷量,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,均匀电场：,电场中各点的电场强度大小相等、方向一致或电力线相互平行、均匀分布的电场。,第二节 电场强度与库仑定律,第

6、一章 电的基本概念,三、库仑定律,定律内容:,在真空中两个点电荷间的作用力与它们的电量的乘积成正比，与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。,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,用公式表达库仑定律：,静电力,比例常数,点电荷1的电量,点电荷2的电量,点电荷间的距离,如果两个电荷为同性，则F为正；表示两电荷相互排斥；,如果两个电荷为异性，则F为负；表示两电荷相互吸引；,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,如果两个电荷处于真空中，则,为便于计算，常将K 写成：,则库仑定律为：,电介质的介电系数,真空的介电系数：,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基

7、本概念,某一物质的介电系数与真空介电系数的比值叫相对介电系数，用 表示，即,库仑定律可另写成:,几种常用物质的相对介电系数,相对介电系数,电介质,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,例题：,解,根据库仑定律：,答：这两个电荷相互排斥力为0.9牛顿。,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,例题:,解,由库仑定律可得到,因为,所以,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,则:,第二节 电场强度与库仑定律,第一章 电的基本概念,又因为,第三节 电流与电流密度,第一章 电的基本概念,第三节 电流与电流密度,一、导体中的电流,二、电流密度,一、导体中的电流,电流:,电

8、子有规则地定向移动。,1.电流的定义,单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，称为电流强度，简称为电流(I)。,电流(A),电量(C),时间(s),电流的单位:,第三节 电流与电流密度,第一章 电的基本概念,单位换算:,2.电流的方向:,规定正电荷移动的方向为电流的正方向。,电流的方向,图中正电荷由A到B，则IAB为正、IBA为负。,IAB=-IBA,电流的正方向选定以后，就要按此方向进行计算，结果如果是正值，则说明假定方向与实际方向相同，否则，说明实际方向与假定方向相反。,第三节 电流与电流密度,第一章 电的基本概念,直流电:,电流的方向不随时间的变化而变化的电流。,脉动直流电:,交流电:,I

9、,i,电流的方向不变，大小有节奏地变化的电流。,电流的方向随时间的变化而变化。,正弦交流电:,电流的大小和方向随时间按正弦规律变化。,第三节 电流与电流密度,第一章 电的基本概念,二、电流密度,导体单位截面通过的电流叫做电流密度。,电流强度(安),导体截面积(平方毫米),电流密度(安/平方毫米),同一电流通过导体，导体截面积越小，则电流密度越大。,导体的电流密度越大，则导体产生的热量就越大。,第三节 电流与电流密度,第一章 电的基本概念,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,第四节 电压与电位,一、电压,二、电位,三、等位体与静电屏蔽,第四节 电压与电位,直流电压与电动势,第一章 电的基本

10、概念,电荷在均匀电场中的移动,一、电压,电荷在电场力的作用下，电荷沿着力的方向移动一段距离，那么电场力就对电荷做了功。,电荷在电场中要受到电场力的作用。,在电场力的作用下，电荷Q沿着电力线的方向从C点移到D点，这时电场力做的功为：,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,电场力移动电荷从C点到D点所做的功,C、D点两点之间的距离,当电场强度一定时，电荷量Q越大，把它从C点移到D点所做的功WCD就越大。,电压:,单位正电荷在电场力的作用下，从电场的一点移动到另一点时电场力所做的功，叫做这两点间的电压。,电场中C、D两点间的电压,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,电压的单位:,单位换算:

11、,电场强度的单位:,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,二、电位,指定一点O为参考点，而把电场中任意点A与参考点之间的电压UAO称为该点的电位，用字母VA表示。,参考点的电位为零。参考点可以任意选取。但在同一系统中，只能选一个参考点。,在工程技术上，一般选大地作为参考点。在汽车和工程机械上一般选公共搭铁端作为参考点。,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,高于参考点的电位是正电位，低于参考点的电位是负电位。单位与电压相同，也是V。,电路中任意两点间的电压就等于两点间的电位之差，所以电压又称为电位差。,计算电位时，对于电阻而言，顺着电流的方向电位降低，逆着电流的方向电位升高;,对于电动

12、势，顺着电动势的方向，电位升高，逆着电动势的方向电位降低。,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,结论一：,参考点改变，各点的电位随之改变，即各点的电位与参考点的选择有关。,结论二：,不管参考点如何变化，两点间的电压（电位差）是不变的，即电位差与参考点的选择无关。,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,例题:,在图示中，设UCO=3V，UCD=2V。如分别取C点和O点作参考电位点，求C、D、O三点的电位。,解,(1)取O点为参考点电位。即VO=0,因为,UCO=VC-VO,所以,VC=UCO+VO=UCO+0=UCO=3V,又因为,UCD=VC-VD,所以,VD=VC-UCD=3-2=

13、1V,(2)取C点为参考点电位，即VC=0,因为,UCO=VC-VO,所以,VO=VC-UCO=0-UCO=-3V,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,又因为,UCD=VC-VD,所以,VD=VC-UCD=0-2=-2V,可见，参考点改变了，各点的电位值也改变，但在静电场中，不管参考点如何改变，任意两点间的电位差是不变的。,如求UDO的值:,当以O点为参考点时,UDO=VD-VO=1-0=1V,当以C点为参考点时,UDO=VD-VO=-2-(-3)=1V,电位是相对值，随参考点的改变而改变；电位差是绝对值,不随参考点的改变而改变。,结论,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,三、等位

14、体与静电屏蔽,图a为一个具有电场强度为 的静电场。,将一段金属导体放入电场中。,金属导体的左边感应出负电荷(自由电子移向左边)，而右边则出现等量的正电荷，这样产生了相反的电场。,因为金属内部有大量的自由电子，这个因感应而出现的反电场，最终能把原电场“抵消”，而达到静电平衡。,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,因此，在金属内部电场的作用就消失了。金属导体把原电场分成了两部分。,处在静电场中的金属导体内部无电场。,由于导体中不存在电场，则任意两点之间就不会有电位差，所以金属导体是一个等位体。,在静电平衡状态下，导体内部无电场，该原理对空腔导体同样适用。,第四节 电压与电位,第一章 电的基本

15、概念,(c),静电屏蔽:,导体挖成空心柱体放入电场，柱体内部不会受到外电场影响的现象。,在实际生活中，经常应用静电屏蔽的原理使某一设备免受外来电场的影响。,如将电器放在金属壳内，外电场便作用不到这个电器。在房间内设置静电屏蔽，手机便失去与外界的信号传输。,由于金属壳在电场中有一定电位，为防止外电场变动时，金属壳的电位发生变动，须将金属壳接地。,第四节 电压与电位,第一章 电的基本概念,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,第五节 电阻与电导,一、电阻,二、电导,三、电阻与温度的关系,第五节 电阻与电导,电阻,第一章 电的基本概念,电阻器,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,一、电阻,

16、换算关系：,电流流过电阻时受到的阻力，称之为导体的电阻。（R或r）单位：欧姆（）,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,电阻的计算：,导体的电阻（欧姆）,导体的截面积（平方米）,导体的电阻系数（电阻率）（欧.米）,导体的长度（米）,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,在 时长1米而截面积是1平方毫米的导线的电阻值。,几种常用材料的电阻系数,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,例题:,解,查表得,时铜的电阻系数,由已知的导线直径可求出它的面积,再由计算电阻的公式求出导线的长度,今有一台三相感应电动机，它的定子绕组采用直径为1.16毫米的漆包线制成，每相绕组在 时的电阻值为1.64

17、欧，问每相绕组的导线长度是多少米？,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,例题:,解,有一条直流线路，长500米，原来用截面积为20平方毫米的橡皮绝缘铜线进行连接，若打算以铝线代替铜线，但导线的电阻值不能改变，试求铝导线的截面积。,先计算出原来铜线的电阻值,改用铝线后,根据标准线径，可以选 的铝线。,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,二、电导,导体的电阻越小，电导就越大。电导大说明导体的导电性能良好。,但事实上，电阻和电导是同一事物的两种表示方法，并不是导体在本质上起了什么变化。,单位：西门子，简称西(S),电阻系数的倒数叫做电导系数().,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念

18、,三、电阻与温度的关系,导体的电阻不但与长度、截面积、材料有关，而且与导体的温度有关。,一般金属材料，当导体的温度升高时，电阻值增加；,碳、电解液及大多数半导体，随温度升高，电阻值下降；,康铜、锰铜等电阻温度系数很小的合金材料，其电阻值,随温度的升高变化不大。,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,温度 为t1时导体的电阻(欧姆),温度为t 2时导体的电阻(欧姆),电阻温度系数(1/度),第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,电阻温度系数():,电阻值为1 的导体材料，温度变化1 其电阻的变化值。,查表得到康铜的电阻温度系数,依据公式:,得,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,例

19、题:,有一台电动机，绕组为铜线，在室温为26 时测得电阻为1.25欧，加额定负载运转3小时后，测得的电阻增加到1.5欧，问此时电动机绕组线圈的温度是多少？,解,由题目可知,由于超导体内没有电阻，有极良好的导电性能，可以认为没有电能的发热损耗，所以电流产生之后，虽然没有外加电场，电流也能长时间维持下去。但当电流强度达到一定极限时，超导性能就要消失，所以超导现象不仅与临界温度有关，而且还与临界电流等因素有关。,超导是一门新兴技术，其理论和实践还处于研究开发阶段。,第五节 电阻与电导,第一章 电的基本概念,某些金属材料的电阻随着温度的下降而不断地减小，当温度降到一定值(称为临界温度)以下时，其电阻值

20、突然为零。这种现象叫做超导(电)现象。电阻为零的导体称为超导体。其中铅、铝、锡、水银和钶属于超导物质。,第六节 电路.电动势,第一章 电的基本概念,第六节 电路、电动势,一、电路的概念,二、电动势,第六节 电路.电动势,直流电压与电动势,第一章 电的基本概念,一、电路的概念,电路就是电流所流经的路径。,组成,电源:,把其他形式的能转换成电能的装置。,(如发电机、电池等),负载:,把电能转换成其他能量的设备。,(如电炉、电动机等),联接导线:,传输电能、连接电路中的器件。,辅助设备:,控制电路中的电气设备。,(开关、保险装置、接线端子等),电路:,第六节 电路.电动势,第一章 电的基本概念,电路

21、图:,用国家或国际电工技术标准统一规定的图形符号绘制的图形。,电路图只反映电路中各电器元件在电气方面相互联接的实际情况。不反映电路的几何尺寸，也不反映设备的具体结构和位置。,电路中有持续的电流须具备两个条件：,1.电路要形成闭合回路；,2.电源两端要有电压。,第六节 电路.电动势,第一章 电的基本概念,二、电动势,电动势:,在电源力的作用下，单位正电荷从电源的负极经过电源内部移到正极所做的功。(E)单位：伏特(V),在电源力作用下，自由电子从C端向D端移动，D端聚集负电荷，C端聚集正电荷；,在电源力的作用下，正负电荷分离，在电源内部产生电场，电子除受电源力作用外，还受电场力的作用。,+,第六节

22、 电路.电动势,第一章 电的基本概念,+,+,开始时，电源力大于电场力，自由电子不断移动，当两端电荷积累到一定程度时，电场力FD 增加到与电源力FW 相等时，自由电子停止定向移动，两端电荷的积累处于稳定状态。,第六节 电路.电动势,第一章 电的基本概念,电场力的方向与电源力的方向相反，从而对自由电子的继续移动起阻碍作用。,第一章 电的基本概念,电动势的方向规定为：在电源内部由负极指向正极，即电位升高的方向。,而电压的方向规定为：在电路中，由正极指向负极，即电位降低的方向。,复习思考题,第一章 电的基本概念,1.为什么说金属导体内部没有静电场？,2.静电屏蔽是怎么回事？怎样消除外来静电场的影响？

23、,3.在真空中有两个带着同性电荷的点电荷,库仑,库仑，二者的距离是10cm，试求它们的相互作用力。,4.电流的方向和电子流动的方向有什么区别？,5.电压、电位、电动势有什么异同？,6.绝缘体是否绝对不导电？,第一章 电的基本概念,7.在真空中有两个固定的点电荷，它们带的电量分别是 库仑,库仑，二者的距离是15cm，现在再引入第三个带正电的点电荷，应该把它放到什么地方，它才能处于平衡。,8.用于室内照明时，220V40W的灯泡显然比的手电筒小电珠要亮得多。是不是220V40W的灯泡比小电珠的电流大？,9.今有一盘10 的铜线，不知它有多长，但接在12V电池上测得的电流为2A，求该盘电线的长度。,10.分别由铜线和康铜线绕成的两只线圈，当温度从 上升到 时，电阻增加的百分数各为多少？,