电工常识第一章.docx

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电工常识第一章

第一章电场及性质

教学目标：

1、了解摩擦起电和电量的概念

2、了解导体和绝缘体

3、了解静电感应和静电屏蔽

4、了解电场的概念．

5、理解电场强度的概念．

6、掌握电场强度的简单计算

7、了解什么是电力线

8、了解静电危害和静电防护措施

9、了解雷电的种类和危害

10、了解建筑物及用电设备防雷措施

11、掌握人身防雷知识

教学重点：

1、理解电场强度的概念，掌握电场强度的简单计算

2、掌握人身防雷知识

第一节基本电现象

一、带电现象

物体有吸引轻小物体的性质，就说它带了电，或有了电荷。

带电的物体叫带电体。

使物体带电叫起电。

用摩擦方法使物体带电叫做摩擦起电。

自然界只存在两种电荷：

正电荷和负电荷，且同种电荷相排斥异种电荷相吸引。

1、摩擦起电

用摩擦的方法使物体带电的现象，叫摩擦起电（或两种不同的物体相互摩擦后,一种物体带正电,另一种物体带负电的现象）。

摩擦起电是电子由一个物体转移到另一个物体的结果。

因此原来不带电的两个物体摩擦起电时，它们所带的电量在数值上必然相等。

两种电荷：

自然界中只存在两种电荷。

规定绸子摩擦过的玻璃棒带的电荷叫正电荷，用毛皮摩擦过的橡胶棒带的电荷叫负电荷。

电荷间的相互作用：

同种电荷互相推斥，异种电荷互相吸引。

2、电量

电量的定义:

物体所带电荷数量的多少。

电量的单位为库仑。

测量电量的仪器是验电器。

库仑定律

库仑定律：

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，作用力的方向沿着这两个点电荷的联线,同好电荷相斥，异号电荷相吸。

二、导体、绝缘体及应用

根据导电性的不同,材料还可分为导体、半导体及绝缘体三大类.

（1）导体：

电荷能从产生的地方迅速转移或传导到其它部分的那种物体叫做导体。

金，银，铜，铁等金属材料是导电性能较好的良导体。

（2）绝缘体：

电荷几乎只停留在产生的地方的那种物体叫绝缘体。

绝缘体的电阻很大，电流几乎不能通过，因此绝缘体常常被用来隔离带电物体。

（3）半导体：

半导体是介于导体与绝缘体之间的物体，而且对温度，光照，杂质，压力，电磁场等外加条件极为敏感。

半导体材料的导电性介于导体与绝缘体之间，具有一些特殊的物理性质。

三、静电感应与静电屏蔽

1、静电感应

金属导体中存在着大量的自由电子，在一般情况下，自由电子均匀分布在导体内部，导体不显出任何带电现象．

若把导体放入电场中，导体内的自由电子受到电场力的作用，要向着和电场相反的方向移动．例如，把一导体B放入带正电的导体A所激发的电场中，导体B中的自由电子就会从左向右运动，自由电子定向运动的结果，使导体B的左端电子逐渐减少，因而显出带正电；同时，导体B的右端电子逐渐增多，因而显出带有等量的负电（由电量守恒知）

这种导体内的正、负电荷因受外电场作用而重新分布的现象叫做“静电感应”

2、静电屏蔽

根据静电平衡知识，电场中的导体，不管是实心的还是中空的，由于静电感应而使电荷在导体的表面重新分布，当达到静电平衡后，导体内部（包括导体空腔内）任意一点的场强为零．装了金属外壳后，可以使处在金属外壳内部的任何电器设备、实验仪器不再受外电场的影响，保持静电平衡状态．

如用电力统表示仪器金属外壳的屏蔽作用．壳外的带电体能使金属外壳感应带电，但电力线不能穿入壳内．

另一种情况是使带电体的电场不对外界产生影响．这可以把带电体A放在一个金属壳B内．同样，由于静电感应，在壳的内外表面分别带有等量异号的电荷，待壳达静电平衡时，壳内场强处处为零，并无净电荷．当壳外表面存在电荷时，壳外就有电场，这样还不能起到屏蔽的作用．如果我们把金属外壳接地，，则壳外表面上的感应正电荷就由于接地而被中和．于是，金属壳内带电体的电场对外就不产生影响了．

综合上述两种情况可得如下结论：

屏蔽壳内的物体不受外电场的影响；而接地的屏蔽壳内部的电场也不会影响外部，这种现象叫做“静电屏蔽”

四、尖端放电现象及避雷针的防雷原理

尖端放电避雷针的工作原理

在强电场作用下，物体曲率大的地方（如尖锐、细小的顶端，弯曲很厉害处）附近，等电位面密，电场强度剧增，致使这里空气被电离而产生气体放电现象，称为电晕放电．而尖端放电为电晕放电的一种，专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象．

当雷雨云过境时，云的中下部是强大负电荷中心，云下的下垫面是正电荷中心，于是在云与地面间形成强电场．在地面凸出物如建筑物尖顶、树木、山顶草、林木、岩石等尖端附近，等电位面就会很密集，这里电场强度极大，空气发生电离，因而形成从地表向大气的尖端放电．

第二节电场及电场强度

任何力的作用都离不开物质，脚踢球，脚对球的力直接作用在球上；狗拉雪橇，狗对雪橇的拉力是通过绳子作用的；地球对地表附近物质的作用力是通过重力场——物质，作用的；地球与月亮间有万有引力作用力也是因有万有引力场——物质；两电荷间相互作用时不直接接触，它们之间的相互作用也是通过别的物质作用的，这就是电场．

一、电场与电场力

（一）电场

1．电场是客观存在的一种特殊物质形态，它跟由分子、原子组成的物质不同，几个电场可以同时占有同一个空间．

2．电场的基本性质，对放入其中的电荷有力的作用，这种力叫做电场力．

（1）电场的这种性质称之为电场具有力的性质．

（2）电荷间的作用通过电场发生，是相互的．

A电荷的电场对B电荷产生电场力作用，即B电荷在A电荷的电场中受到电场力作用，反之亦然．

（二）电场力

近代物理学的发展告诉我们：

凡是有电荷的地方，四周就存在电场，即任何电荷都在自己周围的空间激发电场；而电场的基本性质是，它对于处在其中的任何其他电荷都有力的作用，成为电场力。

因此电荷与电荷之间是通过电场发生相互作用的。

二、电场强度

1．对电场的研究，试探电荷的引入．

　如图所示，在电荷Q的电场中，放入试探电荷q．

结论：

在Q的电场中，放入试探电荷q在不同点，F/Q一般是不同的，在同一点F/Q是相同的，表明F/Q反映了由Q产生的电场的特性．

2．电场强度

（1）定义：

放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度，简称场强，用公式表示：

（2）电场强度是矢量，在物理学中规定电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受的电场力方向相同．

　　负电荷在电场中某点所受的电场力的方向跟该点的场强方向相反．

（3）场强的单位：

牛/库，符号是N/C．

　　　注意：

场强的单位也可以用伏／米（V/m），1V/m＝1N/C．

（4）场强是反映电场本身特性的物理量，与是否存在试探电荷、试探电荷的正或负均无关．

（5）电场力F=qE

三、电力线

　　1、电场线是假想的：

　　电场线是人们用来形象的描述电场的分布而画出的一簇曲线，虽然实验模拟了这簇曲线的形状，但是实验没有正是电场线的真是存在，电场线是假想的．

　　2、电场线不是闭合曲线：

在静电场中，电场线起始于正电荷，终止于负电荷，不形成闭合曲线．

　　3、电场线的每一点的切线方向都跟该点的场强方向一致．

　　4、电场线的疏密与电场强弱的关系：

电场线的疏密程度与场强大小有关，电场线密处电场强，电场线疏处电场弱．

　　5、电场线在空间不相交．

　　注意：

在最后归纳相互电场线表达的意义，特别要强调电场线上每一点的切线方向，就是该电的场强方向，强调电场线的疏密与场强大小的关系．

第三节防雷与防静电安全措施

一、静电危害及防护

1、静电危害及实例

一．何谓静电

静电就是静止的电荷。

当两种不同性质的物体相互摩擦或紧密接触后迅速剥离时，由于它们对电子的吸引力大小各不相同，就会发生电子转移。

一物失去部分电子而带正电，另一物获得部分电子而带负电。

如果该物体与大地绝缘，则电荷无法泄漏，停留在物体的内部或表面呈相对静止状态，这种电荷就称静电。

任何两个不同材质的物体接触后再分离，都会产生静电。

静电是由物体间的相互摩擦或感应而产生的。

石油化工生产过程中，气体、液体、粉体的输送、排出，液体的混合、搅拌、过滤、喷涂，固体的粉碎、研磨，粉尘的混合、筛分等，都会产生静电，有时静电电压高达数万伏，对静电防护稍有疏忽，就可能导致火灾、爆炸和人身触电，有时则干扰正常生产和影响产品质量，因此，我们有必要了解静电及可能造成的危害，并采取切实可行的防护措施。

二、静电的危害

（一）静电火花引起燃烧爆炸

　　如果在接地良好的导体上产生静电后，静电会很快泄漏到大地中，但如果是绝缘体上产生静电，则电荷会越聚越多，形成很高的电位。

当带电体与不带电体或静电电位很低的物体接近时，如电位差达到300V以上，就会发生放电现象，并产生火花。

静电放电的火花能量达到或大于周围可燃物的最小点火能量，而且可燃物在空气中的浓度或含量也已在爆炸极限范围以内时，就能立即引起燃烧或爆炸。

（二）电击

人在活动过程中，由于衣着等固体物质的接触和分离及人体接近带电体产生静电感应，均可产生静电。

当人体与其它物体之间发生放电时，人即遭到电击。

因为这种电击是通过放电造成的，所以电击时人的感觉与放电能量有关，也就是说静电电击严重程度决定于人体电容的大小和人体电压的高低。

由于静电能量较小，所以生产过程中产生的静电所引起的电击不会对人体产生直接危害，但人体可能因电击坠落或摔倒而造成所谓的二次事故。

电击还可能使工作人员精神紧张，妨碍工作。

　　（三）妨碍生产

　　在某些生产过程中，如不消除静电，将会妨碍生产或降低产品质量。

　　随着涤纶、腈纶和锦纶等合成纤维的应用，静电问题变得十分突出。

例如，在抽丝过程中，每根丝都要从直径百分之几毫米的小孔挤出，产生较多静电，由于静电电场力的作用，使丝飘动、粘合、纠结等，妨碍工作。

在粉体加工行业，生产过程中产生的静电除带来火灾爆炸危险外，还会降低生产效率，影响产品质量。

例如，粉体筛分时，由于静电电场力的作用而吸附细微的粉末，使筛目变小，降低生产效率。

在塑料和橡胶行业，由于制品和辊轴的摩擦及制品的挤压和拉伸，会产生较多静电，如果不能迅速消散会吸附大量灰尘。

3、静电防护措施

静电最为严重的危害是引起爆炸和火灾。

因此，静电安全防护主要是对爆炸和火灾的防护。

当然，一切防护措施对于防护静电电击和消除影响生产的危害也同样是有效的。

（1）环境危险程度的控制

静电引起爆炸和火灾的条件之一是有爆炸性混合物存在。

为了防止静电的危害，可采取以下控制所在环境爆炸和火灾危险性的措施；

取代易燃介质；

降低爆炸性混合物的浓度；

减少氧化剂含量。

（2）工艺控制

工艺控制是指从工艺上采取适当的措施，限制和避免静电的产生和积累。

工业控制方法很多，应用很广，是消除静电危害的重要方法之一。

材料的选用

在存在摩擦而且容易产生静电的场合，生产设备宜于配备与生产物料相同的材料。

在有静电危险的场所，工作人员不应穿着丝绸、人造纤维或其他高绝缘衣料制作的衣服，以免产生危险静电。

限制摩擦速度或流速

降低摩擦速度或流速等工艺参数可限制静电的产生。

增强静电消散过程

在产生静电的工艺过程中，总是包含着静电产生和静电消散两个区域。

两个区域中电荷交换的规律是不一样的。

在静电产生的区域主要是分离出电量相等而电性相反的电荷，即产生静电；在静电消散的区域，带静电物体上的电荷经泄露或松弛而消散。

基于这一规律，设法增强静电的消散过程，可消除静电的危害。

消除附加静电

工艺过程中产生的附加静电可以设法减轻。

如使注油管头接近罐底以减轻从罐顶注油时的冲击，减少注油时产生的静电等。

（3）接地和屏蔽

导体接地

接地是消除静电危害最常见的方法，它主要是消除导体上的静电。

例如：

危险品运输车辆应用金属链接地就是应用导体接地消除静电的。

屏蔽

屏蔽是用接地导体（即屏蔽导体）靠近带静电体放置，以增大带静电体对地电容，降低带电体静电电位，从而减轻静电放电危险的方法。

此外，屏蔽还能减少可能的放电面积，限制放电能量，防止静电感应。

应当注意的是，屏蔽不能消除静电电荷。

（4）增湿

对于表面容易形成水膜，即对于表面容易被水润湿的绝缘体，如醋酸纤维、硝酸纤维素、纸张、橡胶等，可用增湿的方法消除静电；而对于表面不能形成水膜的绝缘体，是否允许增湿以及允许增加湿度的范围，需根据生产要求确定。

（5）抗静电添加剂

抗静电添加剂是化学药剂，具有良好的导电性和较强的吸湿性。

因此，在容易产生静电的高绝缘材料中，加入抗静电添加剂之后，能降低材料的体积电阻率或表面电阻率，加速静电的泄露，消除静电的危险。

（6）静电中和器

静电中和器又叫静电消除器，是能产生电子和离子的装置。

与抗静电添加剂相比，静电中和器具有不影响产品质量、使用方便等优点。

静电中和器应用很广，种类很多，按照工作原理和结构的不同，大体上可以分为感应式中和器、高压式中和器、放射线式中和器和离子风式中和器等。

二、雷电危害及防护

1、雷电种类及危害实例

（l）雷电种类

雷电分为直击雷、感应雷和球雷。

直击雷是带电积云接近地面至一定程度时，与地面目标之间的强烈放电。

直击雷的每次放电含有先导放电、主放电、余光三个阶段。

大约50％的直击雷有重复放电特征。

每次雷击有三、四个冲击至数十个冲击。

感应雷也称作雷电感应，分为静电感应雷和电磁感应雷。

静电感应雷是由于带电积云在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷，在带电积云与其他客体放电后，感应电荷失去束缚，以大电流、高电压冲击波的形式，沿线路导线或导电凸出物的传播。

电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场在邻近的导体上产生的很高的感应电动势。

球雷是雷电放电时形成的发红光，橙光、白光或其他颜色光的火球。

从电学角度考虑，球雷应当是一团处在特殊状态下的带电气体

此外，直击雷和感应雷都能在架空线路或在空中金属管道上产生沿线路或管道的两个方向迅速传播的雷电冲击渡。

（2）危害

雷电的危害是多方面的，按其破坏因素可归纳为三类。

雷电造成的危害是综合性的，雷击的破坏作用主要有以下三种：

电性质的破坏作用雷电产生的数十万乃至数百万伏冲击电压（或外部过电压），可能损坏电气设备的绝缘，烧断导线或劈裂电杆，造成火灾或爆炸等重大事故。

而直接对人体放电以及对人体的二次放电，可能危及生命。

巨大的雷电流流入地下，可能造成跨步电压或接触电压的触电事故。

热性质的破坏作用巨大的雷电流通过导体，产生大量热能，造成易燃易爆物燃烧和爆炸，或者由于金属熔化飞溅而引起火灾和爆炸事故。

机械性质的破坏作用当雷电流通过被击物时，被击物缝隙中的气体急剧膨胀，水分剧烈蒸发，从而导致被击物爆炸。

此外，雷击时所产生的静电斥力、电磁推力以及雷击时的气浪都有一定的破坏作用。

2、建筑物及用电设备防雷措施

各类建筑物应采取防直击雷和防雷电波侵入的措施。

装有防雷装置的建筑物，在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下，应采取等电位连接。

现代防雷保护包括外部防雷保护（建筑物或设施的直击雷防护）和内部防雷保护（雷电电磁脉冲的防护）两部份，外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及系统操作过电压侵入设备造成的毁坏，这是外部防雷系统无法保证的。

　　防雷是一个很复杂的问题，不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响，必须针对雷害入侵途径，对各类可能产生雷击的因素进行排除，采用综合防治——接闪、均压、屏蔽、接地、分流（保护），才能将雷害减少到最低限度。

（1）、接闪

　　接闪装置就是我们常说的避雷针、避雷带、避雷线或避雷网，接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道，而只能按照人们事先设计的防雷系统的规定通道，将雷电能量泄放到大地中去。

（2）、均压

　　接闪装置在接闪雷电时，引下线立即产生高电位，会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络，并使其电位升高，进而对人员和设备构成危害。

为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将处于地电位的导体等电位连接起来，一直到接地装置。

室内的金属设施、电气装置和电子设备，如果其与防雷系统的导体，特别是接闪装置的距离达不到规定的安全要求时，则应该用较粗的导线把它们与防雷系统进行等电位连接。

这样在闪电电流通过时，室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部件之间不产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电。

完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。

　　为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，就特别需要实行等电位连接，电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接，各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接，并最后与等电位连接母排相连。

（3）、屏蔽

　　屏蔽就是利用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，使雷电电磁脉冲波入侵的通道全部截断。

所有的屏蔽套、壳等均需要接地。

　　屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。

（4）、接地

　　接地就是让已经内入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用，良好的接地才能有效地泄放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生反击。

（5）、分流（保护）

　　这是现代防雷技术迅猛发展的重点，是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。

　　所谓分流就是在一切从室外来的导体（包括电力电源线、数据线、电话线或天馈线等信号线）与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器SPD，当直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时，避雷器的电阻突然降到低值，近于短路状态，雷电电流就由此处分流入地了。

雷电流在分流之后，仍会有少部份沿导线进入设备，这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的，所以对于这类设备在导线进入机壳前，应进行多级分流（即不少于三级防雷保护）。

（6）、躲避

　　在建筑物基建选址时，就应该躲开多雷区或易遭雷击的地点，以免日后增大防雷工程的开支和费用。

　　当雷电发生时，关闭设备，拔掉电源插头。

2、人身防雷常识

（1）室内预防雷击。

①电视机在室外天线在雷雨天要与电视机脱离，而与接地线连接。

②雷雨天应关好门窗，防止球形雷窜入室内造成危害。

③雷暴时，人体最好离开可能传来雷电侵入波的线路和设备1.5m以上。

拔掉电源插头；不要打电话；不要靠近室内的金属设备如暖气片、自来水管、下水管；尽量离开电源线、电话线、广播线，以防止这些线路和设备对人体的二次放电。

另外，不要穿潮湿的衣服，不要靠近潮湿的墙壁。

（2）室外避免雷击。

①要远离建筑物的避雷针及其接地引下线。

②要远离各种天线、电线杆、高塔、烟囱、旗杆，如有条件应进入有宽大金属构架、有防雷设施的建筑物或金属壳的汽车和船只，要远离帆布蓬车和拖拉机、摩托车等。

③应尽量离开山丘、海滨、河边、池旁；尽快离开铁丝网、金属晒衣绳、孤立的树木和没有防雷装置的孤立小建筑等。

④雷雨天气尽量不要在旷野里行走。

如果有急事需要赶路时，要穿塑料等不侵水的雨衣；要走慢点，步子小点；不要骑在牲畜上或自行车上行走；不要用金属杆的雨伞，肩上不要杠带有金属杆的工具如铁锹、锄头。

⑤野外作业遇雷雨时，作业人员应放下手中的金属器具，迅速到安全处所躲避，严禁在大树下、电杆旁或涵洞内躲避。

⑥人在遭受雷击前，会突然有头发竖起或皮肤颤动的感觉，这时应立刻躺倒在地，或选择低洼处蹲下，双脚并拢，双臂抱膝，头部下俯，尽量缩小暴露面即可。

本章小结

1、摩擦起电：

用摩擦的方法使物体带电的现象，叫摩擦起电。

2、电量：

物体所带电荷数量的多少。

3、根据导电性的不同,材料还可分为导体、半导体及绝缘体三大类.

4、静电感应：

导体内的正、负电荷因受外电场作用而重新分布的现象叫做“静电感应”。

5、屏蔽壳内的物体不受外电场的影响；而接地的屏蔽壳内部的电场也不会影响外部，这种现象叫做“静电屏蔽”。

6、电场是客观存在的一种特殊物质形态，电场的基本性质，对放入其中的电荷有力的作用，这种力叫做电场力。

7、电场强度

　放入电场中某点的电荷所受的电场力F跟它的电荷量q的比值，叫做该点的电场强度。

8、电场强度是矢量，在物理学中规定电场中某点的场强方向跟正电荷在该点所受的电场力方向相同．

9、电力线是人们用来形象的描述电场的分布而画出的一簇曲线。

10、静电的危害：

静电火花引起燃烧爆炸；电击；妨碍生产。

11、静电防护措施：

环境危险程度的控制;工艺控制;接地和屏蔽;增湿;抗静电添加剂;静电中和器。

12、雷电种类：

雷电分为直击雷、感应雷和球雷。

13、防雷措施：

接闪、均压、屏蔽、接地、分流。

14、人身防雷常识：

室内预防雷击；室外避免雷击。

复习思考

1、什么叫摩擦起电？

2、什么是物体的电量？

3、根据导电性不同可将物体分为哪几种？

4、什么是静电感应？

静电有哪些危害？

防止静电危害有哪些主要措施？

5、什么是电场？

什么是电场强度？

6、雷电分为哪几种？

5、防雷措施有哪些?

6、人身防雷措施有哪些?

7、雷电有哪些危害?

8、建筑物有哪些防雷措施?