电工基础教案.docx
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电工基础教案
第一章直流电路
第一节直流电路的基本概念
一、电路的组成：
由电源、负载、开关和导线等按照一定的方式连接起来的闭合回路，称为电路。
S
E
R
1、电源：
在电路中提供电能的，如干电池，蓄电池，交直流发电机等。
2、负载（用电器）：
消耗能量的设备，如电灯、电炉和电动机等。
3、开关：
用来实现对电路进行控制和保护作用等。
如：
刀闸开关、熔断器等。
4、导线；用来联接电路的，为电路提供通路的。
在电路中起输送电能的作用。
常用铜、铝等材料制作。
二、电流
1、电流：
导体中自由电子在电场力的作用下作定向移动，形成电流。
2、方向：
通常，我们把正电荷定向移动的方向定为电流的方向，而电子移动的方向和电流的方向正好相反。
3、电流的大小：
在数值上等于单位时间内通过导体横截面的电量的多少。
用符号I表示
I=Q/t
式中I——电流（A）；
Q——电荷量（C）；
t——时间（s）。
4、电流的测量：
常用电流表。
注意：
a、量称b、极性c、与被测电路串连。
例一、P4如果3s内通过导体横截面的电量是12C，求通过导体的电流是多少？
如果通过导体的电流是0.3A，那么3s内将有多少电量通过导体截面？
解：
公式I=Q/t
三、电位、电压、电动势
1、电位（V）：
1）、电位：
把正电荷在某点具有的能量，称为该点的电位。
正电荷从高电位流向低电位；负电荷恰好相反
2）、参考点：
通常将大地作为参考点，且电位为零。
3）、电位的正负：
正电位——某点电位高于参考点的电位。
负电位——与正电位相反。
4）、不同的参考点，电位不同，即电位的大小与参考点有关。
例：
P6求：
VA，VB，VC
A3VB6VCA3VB6vC
2、电压
1）、电压（U）：
电路中某两点的电位差，叫做该两点间的电压。
2）、方向：
由高点位指向低电位。
3）、单位：
伏特（V）
4）、测量：
电压表
注意：
a、并列在被测电路中b、极性c、量称
3、电动势（E）
1）、电动势：
电源正负极间存在电位差，导线中便存在着电场，自由电子在电场力的作用下，沿导线由负极移向正极，而电源力（非电场力）再把负电荷由正极送到负极，因而做功W’。
电动势E=W’/qq——电荷量（C）
2）、方向：
由电源的负极经由内电路指向电源的正极。
四、电阻
1、电阻（R）：
导体中的自由电子在运动过程中，自由电子间的碰撞及自由电子与原子间的碰撞，阻碍了电子的移动，称其为电阻。
2、单位：
欧姆（Ω）、KΩ、MΩ
3、导体的电阻：
R=ρL/Sρ——导体的材料（Ω.M）；
L——导体的长度（M）；
S——导体的界面（M2）。
例2P12
第二节欧姆定律
一、部分电路的欧姆定律
部分电路：
电路中的一部分，叫做部分电路。
IR
U=RII=U/R
例P14
二、全电路欧姆定律SI
E
r－U+
R
全电路：
由内电路和外电路组成的闭合回路的整体。
全电路欧姆定律：
I=E/（R+r）
U=E-Ir
注意两种特殊状态：
1、开路2、短路
第三节电阻的串联、并联和混联
一、电阻的串联
1、串联：
各个电阻首尾相联，称为电阻的串联。
R1R2
2、特点：
1）、电流：
相等。
2）、总电压：
等于各个电阻上分电压之和。
3）、总电阻：
等于各分电阻之和。
R=R1+R2。
4）、每个电阻上的电压与总电压之间的关系为：
U1=（R1/R）UU2=（R2/R）U
可见，每个电阻上分得的电压大小和电阻成正比。
3、应用：
1）、分压器2）、扩充电压表的量程。
例12P23
二、电阻的并联
1、并联：
各个电阻首首相联，尾尾相联。
R1
R2
2、特点：
1）、并联支路两端电压相等
2）、总电流：
等于各个支路电流之和
3）、总电阻：
总电阻的倒数等于各个电阻的倒数之和
1/R=1/R1+1/R2
4）、每一个电阻上流过的电流和电阻成反比
I1=（R/R1）I
3、应用：
1）、可获得小电阻（总电阻小于任何一个并联电阻）
2）、电压相同的负载并列使用，互不影响
3）、扩大电流表的量程
三、电阻的混联：
既有串联又有并联的连接方式叫做混联。
P24
第四节电功和电功率
一、电功
1、电功（电场力做的功）：
电场力把电荷从一点移到另一点，对电荷所做的功，称为电功。
2、大小：
W=qu
而q=It
所以W=uIt
对电阻电路U=RIW=I2Rt=U2/Rt
其中w——功率，焦耳J
I——电流，安培A；
u——电压，伏特V。
3、单位：
国际单位焦耳（J），常用单位度（千瓦小时）
1KW.h=3.6X106J
二、电功率
1、电功率：
电场力在单位时间内所做的功
2、大小：
P=w/t=ui
P——电功率，瓦特w。
3、单位：
W、KW
注意：
电器上通常标注的功率和电压，即为设备的额定功率和额定电压。
三、焦耳—楞次定律
电流通过导体会发热，Q=I2Rt
例17例18
第五节电容器
一、电容器与电容
1、电容器：
任意两块非常接近的金属导体（极板），中间隔以绝缘介质（空气、云母和陶瓷等），形成一个电容器。
2、电压与电量的关系：
Q=CUC—电容器的电容量
C=Q/U
3、C的意义：
在一定电压下，电容器储存电荷量的大小。
C的单位：
法拉（F）、微法（μF），皮法（μμF）
1F=106μF=1012PF
二、电容器的种类：
P36见图
三、电容器的串联和并联
1、串联：
1）、电容器的串联：
两个或两个以上的电容器依次首尾相联。
C1C2
2）、串联的特点：
a、每个电容器上的电荷量都相等，等于等效电容上的电荷量，Q1=Q2=Q
b、总电压等于各个电容上的电压之和。
U=U1+U2
3）、等效电容：
经过推导知：
总电容的倒数等于各个电容的倒数和。
1/C=1/C1+1/C2
2、电容器的并联
1）、并联：
多个电容器首首相联，尾尾相联。
C1
C2
2）、特点：
a、电压相等
b、总电荷量等于各电容电荷量之和，Q=Q1+Q2
c、总电容等于各个并联电容之和，C=C1+C2
第二章磁与电磁
第一节磁场的基本概念
一、磁场和磁力线
1、磁场：
磁铁周围存在着一个肉眼看不见的特殊物质，这种物质称为磁场。
2、磁力线：
用来描述磁场中某点磁场的大小和方向的概念。
1）、磁力线在磁铁外部总是丛N极出，S极入；在磁铁内部则相反。
2）、磁场的大小用磁力线的疏密程度表示；磁场的方向即为磁力线在该点的切线方向。
3）、磁力线是一些封闭的曲线。
二、电流的磁场
1、通电直导线的磁场
是以通电直导线为中心的一组同心圆，方向满足右手螺旋定则，四个弯曲手指指向磁场方向，大拇指指向为电流的方向。
I
例：
P51学员判断
2、通电线圈的磁场
右手螺旋定则同时适合螺线管线圈，四个弯曲手指为电流的方向，大拇指方向线圈磁场的N极。
i
例：
P51学员判断
三、磁场的基本物理量
1、磁感应强度（B）：
1）、作用：
描述磁场中各点磁场强弱和方向的物理量。
2）、大小：
磁感应强度在数值上等于与磁场方向相垂直的单位长度的导体，通过单位电流时所受的作用力。
匀强磁场中：
F=BLIB=F/LI
××I×××××
×××××××
×××××××
其中B——磁感应强度，T；
L——导体的有效长度，M；
F——导体所受的作用力，N。
3）、单位：
特斯拉（T）
2、磁通
磁通（Ф）：
磁感应强度B与垂直与磁场方向的面积S的乘积。
Ф=B×S
B=Ф/S
磁感应强度B（磁密）：
单位面积上磁力线条数。
3、磁场强度（H）：
用来确定磁场和电流间关系的物理量。
大小：
H=IN/L
1）、磁导率：
表示磁场中媒介质的导磁性能的物理量。
2）、真空的磁导率为ц0=4π×10-7亨利/米（H/M）
3）、相对磁导率：
任一媒介质磁导率ц与真空磁导率ц0的比值。
цr=ц/ц0
4）、磁感应强度B与磁场强度H的关系
B=цH
第二节铁磁物质的磁化和分类（省略）
媒介质的分类：
根据цr的大小分为铁磁性物质和非铁磁性物质。
非铁磁性物质：
如空气、木材等。
铁磁性物质：
如铸铁、硅钢片等，可用来制作所有电磁设备铁芯。
1）、磁场强度（H）：
表示磁场性质的物理量。
大小为磁场中某点的磁感应强度（B）与媒介质的磁导率（ц）的比值。
H=B/ц
一、铁磁性物质的磁化
物质的磁化：
本来不带磁性的物质，由于受磁场的作用而具有了磁性的现象（只有铁磁性物质才能被磁化）。
原因：
铁磁性物质有许多磁畴组成，每一个磁畴相当于一个小磁铁。
在外磁场作用下，磁场会沿着磁场方向取向排列，形成附加磁场从而磁场显著增强
有些铁磁性物质，在去掉外磁场后，磁畴的一部分或大部分仍保持取向一致，对外仍是显磁性，从而形成了永久性磁铁。
应用：
广泛使用在电子和电气设备中，如使变压器，电机在同容量下体积小，重量轻。
1、磁化曲线：
为了具体分析研究某种材料的导磁性能，用实验的方法测试磁感应强度B和磁场强度H的关系曲线。
2、磁滞回线：
铁质性物质经过多次磁化，退磁的循环，得到一个封闭对称于原点的闭合曲线。
基本磁化曲线：
铁磁性材料，在反复交变磁化中，可得到一系列大小不一的磁滞回线，连接各条对称的磁滞回线的顶点，得到一条曲线叫基本磁滞回线。
剩磁和矫顽磁力越大的铁磁性物质，磁滞损耗就越大。
铁磁性物质的分类
根据磁滞回线形状：
软磁性物质，硬磁性物质和矩磁性物质。
1）、软磁性物质：
磁滞回线窄而陡，包围面积小，损耗小，易磁化。
2）、硬磁性物质：
与软磁铁相反。
3）、矩磁性物质：
是一种具有矩形磁滞回线的铁磁性物质。
第三节磁场对电流的作用
一、通电导线在磁场中受力
1、磁场对通电直导体的作用
1）、实验过程：
P65图2—18
2）、结果：
通电导体在磁场中受力
3）、力的方向：
左手定则；力的大小：
F=IBL（条件：
电流与磁场垂直）
4）、例：
P66图2—20
2、磁场对载流线圈的作用
1）、大小：
F=IBS（条件：
S平面与B间的夹角为零）
2）、方向：
由右手螺旋定则确定。
3）、应用：
电机及各种仪表的工作原理。
二、通电导体间的相互作用
两根并行的通电导体，那么一根导体就处在另一根导体的磁场中，电流在磁场中受力，因此，两导体间相互作用。
1、若I1、I2同方向，则相吸；反之，相斥。
2、力的大小：
F=0.2I1I2L/a×10-6（N）
3、应用：
架空线路间的线间距以及短路的危害。
第四节电磁感应
一、电磁感应现象
产生感生电动势的条件：
1）、导体切割磁力线运动时，导体两端将产生感生电动势，若将导体连接成闭合回路，则有电流通过。
2）、穿过任一回路内的磁通量发生变化时，闭合回路中产生感生电动势和感生电流。
二、导体切割磁力线产生感生电势
1、感生电动势的方向（发电）：
右手定则。
大拇指为导体运动的方向；四个手指为感生电动势的方向。
2、感生电动势的大小：
e=BLVSinαα—运动方向和B的夹角
三、线圈磁通变化产生感应电动势
1、楞次定律：
当闭合回路中磁通量发生变化时，在回路中就有感生电动势产生。
线圈中感应电流的方向，总是使它产生的磁场阻碍闭合回路中原来磁通量的变化，这个规律，称为楞次定律。
方向：
由右手定则确定。
大小：
e=-NdΦ/dt
具体：
1）、判断回路原磁场的方向和变化趋势。
2）、感生电流的方向总是阻碍原磁通的变化。
2、法拉第电磁感应定律
楞次定律：
给出了回路中磁通量变化时感生电势的方向
法拉第电磁感应定律：
计算感生电势的大小，e=-NdΦ/dt
第五节自感与互感
一、自感现象与电感
自感现象：
由于线圈中本身电流的变化，在线圈中产生感生电动势的现象，所产生的感生电动势叫自感电动势。
e=-Ldi/dt
二、互感现象
把两个线圈靠近，若在一个线圈中通有电流并产生磁通，此磁通不仅穿过本线圈，且有一部分磁通穿过另一线圈。
互感现象：
由相邻线圈中电流变化而引起感生电动势的现象。
注意：
同名端的意义——规定了同名端，就可以较方便的标出互感线圈的电流和互感电动势的参考方向。
1、互感电动势的大小
线圈1的电流i1在线圈2中产生的感生电动势为e12=-M12di2/dt
线圈2的电流i2在线圈1中产生的感生电动势为e21=-M21di1/dt
因M12=M21所以e12=-Mdi2/dt
e21=-Mdi1/dt
2、互感电动势的方向
与磁通的变化及线圈的绕向有关。
在制造时，用符号“。
”来表示线圈的绕向。
这样，只要知道电流的方向和变化趋势，就会判断出感生电动势的方向。
1）、举例：
I增大，则4、5的绕向一致，均为正，即1、4、5为同名端。
123456
可见：
线圈只要绕向一致，其感生电动势的极性便是相同的，而与电流的变化无关。
2）、同名端：
把绕向一致，感生电势极性保持一致的线圈端子称为之。
3）、判断方法：
根据原线圈中外同电流的变化趋势，可知其自感电势的极性，再根据同名端，即可知其它线圈的极性。
第三章交流电路的基础知识
第一节单相交流电
一、交流电和直流电的区别
1、一般指大小和方向都不随时间变化的电流（或电压）。
2、交流电：
按正弦规律变化的交流电。
3、正弦交流电：
大小和方向都随时间按正弦规律变化的交流电。
二、正弦交流电势的产生：
有交流发电机产生
三、正弦交流电的概念
1、特点：
1）、瞬时性2）、周期性3）、规律性
2、正弦量的三要素：
正弦交流电的表达式为u=UmSin（ωt+φi）
i=ImSin（ωt+φu）
1）、最大值（振幅）Um、Im：
正弦交流电上下变化的幅度，即可能达到的最大值。
2）频率f：
正弦交流电每秒钟变化的次数。
角频率ω反应了相位角变化的快慢。
ω=2π/T=2πf（rad/s）
f=ω/2π（Hz）
周期：
正弦交流电每变化一次所需要的时间，T=1/f（s）
3）初相位：
相角在t=0时的角。
它表示正弦波起点与原点间间隔的角度。
3、正弦交流电的有效值
1）、有效值：
把交流电和直流电分别通入相同的电阻中，在相同的时间内，产生的热量相同，则把该直流电定义为此交流电的有效值。
2）、关系为：
I=IM/√2IM=√2I
注意：
各电工仪表所测量的值，设备名牌上所标柱的值，均为有效值。
4、正弦交流电的表示法：
解析法、图形法和相量法。
1）、解析法：
用正弦函数来表示正弦量的方法。
u=UmSin（ωt+ψi）
2）、图形法：
把解析描绘成正弦曲线的方法。
常用五点法。
3）、相量法：
将正弦交流电用有效植与初相角表示的形式。
相量图：
同频率的几个正弦量的相量可以画在同一图上，这样的图、称为相量图。
例如：
u=60Sin（ωt+60o）
i=30Sin（ωt+30o）
U
I
四、电阻、电感和电容在交、直流电路中的作用
1、电阻在交、直流电路中的作用
（电阻在直流电路中的作用已经讲过）
iR
若i=ImSin（ωt+φi）则u=RImSin（ωt+φi）
Um=RIm
电阻元件其电压和电流是同相位的
2、纯电感电路（在直流中相当于短路）
L
若u=UmSin（ωt+φi）i=ImSin（ωt+φu）
由u=Ldi/dt得
U=IωLφu=φi+90o
电感元件电压与电流的关系为：
电压等于电流与角频率和电感系数的乘积；电压的相角超前电流相角90度。
3、纯电容电路（在直流中相当于断路）
C
若u=UmSin（ωt+φi）i=ImSin（ωt+φu）
由i=Ldu/dt得
I=UωCφu=φi-90o
电容元件电压与电流的关系为:
电流等于电压与角频率和电容系数的乘积；电压的相角滞后电流相角90度
4、电阻、电感串联在交流电路中的作用
1）、电压间的关系
RL
端电压的大小为U=√UR2+UL2
阻抗角的大小为φ=arctyωL/R
串联电路的电压相量图为
U
UL
UR
作用：
大多数用电器，如日光灯、变压器、电动机等同时具有电阻和电感，且电阻和电感在结构上不能分离。
因此，讨论电阻和电感的串联在实际上是有意义的。
2）、电路的功率
正弦交流电路的功率
平均功率（有功功率）：
P=UICOSφW
COSφ——功率因数
无功功率：
Q=UISINφVAR
视在功率：
S=UIVASQ
且三者间满足功率三角形
P
第二节三相交流电
一、三相交流电的产生
1）、三相交流发电机产生的eA=EmSinωt
eB=EmSin（ωt-120o）
eC=EmSin（ωt+120o）
2）、相量图：
EC
EA
EB
二．三相电源和负载的的联接方式
1．星形连接
1）、星形连接：
将发电机三相绕组的末端连接在一起，由另外三个端子引出三根端线的接线方式，称为星接。
2）、线电压和相电压相量图为
ECEA
3）、量间的关系线电压=√3相电压；线电流=相电流
2．三角形连接
1）、三角形连接：
将发电机三相绕组的首末端连接在一起，由节点处引出三根端线的接线方式，称为三角形接线。
2）线电流和相电流间的相量图为
3）量间的关系线电压=相电压；线电流=√3相电流
三．三相电路的功率
1、平均功率（有功功率）：
P=√3UICOSφW
COSφ——功率因数
2、无功功率：
Q=√3UISINφVAR
3、视在功率：
S=√3UIVA
第四章晶体二极管、三极管整流电路
第一节晶体二极管
一、半导体的基础知识
1、本征半导体：
纯净的半导体
半导体二极管
构成：
由两个PN结加上引出线和管壳制成，有两个极，一个正极（也叫阳极，由P端引出），一个负极（也叫阴极，由N端引出）。
分类：
根据内部结够的不同，分为点接触型（用于开关管）和面接触型（用于整流）。
2、特点：
利用二极管的单向导电性
1）、单相半波整流电路
电压在正半轴时，二极管导通；电源电压在负半轴时，二极管截止。
输出电压常用一个周期平均值来表示其大小为UL=0.45U2
二极管承受的最大反向电压为：
Uvm=√2U2
2）、单向全波整流电路
UL=0.45U2
ID=IL=0.45U2/RL
UDMAX=3.14U2
3）、单向桥式整流电路
四个二极管组成电桥形式，始终有两个二极管导通，两个二极管截止，因而输出电压为为单相全波脉冲电压，其平均值为
最大反向截止电压为
3、滤波电路
作用：
整流输出电压为脉冲电压，含有较大的交流成分，为得到平滑的直流电压和直流电流，须采用滤波电路。
常用的滤波电路有；电容滤波电路，电感滤波电路极其组合滤波电路。
三极管略
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