电工基础知.docx

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电工基础知

课题一电工基础知识

一、学习内容：

第一节电的基本知识――――――――――――――――――2

第二节直流电路――――――――――――――――――――7

第三节电磁感应――――――――――――――――――――11

第四节单相交流电路――――――――――――――――――17

第五节三相交流电路――――――――――――――――――33

二、学习目标：

1、了解物体带电、导体、绝缘体、电路的概念。

2、了解电场、电阻、电流、电压、电动势、电功率、电能的概念和计量单位。

3、会用欧姆定律计算简单的串联、并联电路。

4、了解磁通、磁通密度、电磁感应、电感、自感的概念，知道有关计量单位。

5、会正确使用右手定则、电动机左手定则、发电机右手定则。

6、熟悉交流电的周期、频率、角频率、瞬时值、最大值、有效值、相位、初相位、相位差等。

7、会使用表达式、相量图正确表示交流电。

8、熟悉电阻、电感、电容元件在交流电流中的特点。

9、会计算常见的简单单相交流电路。

10、理解三相交流电的概念。

11、熟悉三相交流电路的连接方式。

12、会计算简单的对称三相交流电路。

三、学习重点

1、单相交流电路的计算。

2、三相交流电路的计算。

四、学习难点

1、电磁感应

2、电阻、电感、电容在交流电路中的特点。

3、相量图表示交流电。

五、测试方法

通过学员做判断题、选择题、计算题，检测学员是否达到学习目标。

六、时间安排

序号

项目内容

课时

备注

1

电的基本知识

2

2

直流电路

2

3

电磁感应

2

4

单相交流电路

2

5

三相交流电路

2

6

测试

2

第一节电的基本知识

（复习）

一、物体的带电与电场

提问：

举例说明物体带电的现象（化纤衣物摩擦生电、雷电等），物体为什么会带电？

1、物质的结构

电的形成与物质的微观结构有关，物质的结构为：

在正常情况下，原子中正负电荷相等，整个原子不显电性。

中性的原子失去电子，就带正电，成为正离子；获得电子，就带负电，成为负离子。

2、物体的带电

演示：

摩擦生电，使用塑料棒在头发上摩擦，吸引小纸屑。

当一个物体失去或获得电子时，正负电荷就不相等，物体就会带电。

物体所带电荷有正电荷和负电荷两种，失去电子的物体，就带正电；得到电子的物体就带负电。

3、电场

电场存在于带电体周围，它是电荷之间相互作用的媒质。

电场最基本的特性是电场能对位于该电场中的电荷产生作用力。

电场作用在电荷上的力叫电场力。

电场力的大小与电场的强度有关。

电场的强弱与带电体所带的电荷量多少有关。

电场中某点电场强度E的大小等于单位电荷在电场这一点所受到的力的大小，即

（N/C）

式中Q――正试验电荷的电荷量，C（库仑）；

F――Q电荷在电场内某点所受的电场力，N（牛顿）。

电场中某点电场强度的方向也叫电场的方向，就是正电荷在这一点所受电场力的方向。

物体所带正电与带负电产生的电场方向相反，同性电荷相斥，异性电荷相吸。

二、导体和绝缘体

提问：

请举例说明常见的有哪些材料是导体？

哪些材料是绝缘体？

1、导体

导电能力很强的物体称为导体。

导体内部拥有大量的自由电子或离子。

在电场力的作用下，自由电子（或离子）能作有规则的定向运动。

2、绝缘体

几乎不能导电的物体称为绝缘体。

其原子核对其外层电子的束缚力很强，自由电子极少。

三、电路及电路图

1、电路的组成及作用：

电路就是电流流过的路径，一个完整的电路都是由电源、负载（用电设备）、联接导线以及控制电器等四个基本部分组成，如图1－1所示。

电源：

就是产生电能的设备，它的作用是将其它形式的能量转换成电能，并向用电设备供给能量。

负载：

就是用电设备。

它的作用是将电能转换为其它形式的能量。

联接导线：

它把电源和负载连接成一个闭合通路，起着传输和分配电能的作用。

控制电器：

其作用是执行控制任务和保护电器设备。

K

图1－3电路图

2、电路图

用规定的图形符号、文字符号表示的电路。

支路：

一段没有分支的电路。

结点：

凡是三条或三条以上支路相汇合的点。

回路：

自电路中某一点出发，经过一周又回到该点的任意闭合路径。

四、电流和电阻

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就形成了电流。

单位时间内通过导体某一截面的电荷量称为电流强度（简称电流），用符合I表示，计算式为

式中Q――通过导线某一截面的电荷量，C；

t――通过电荷量Q所用的时间，s（秒）。

电流的单位是安培（A），1A=1C/1s。

还有毫安（mA）或微安（μA）。

电流的方向规定为正电荷运动的方向。

举例说明：

闭合回路是形成电流的必要条件。

2、电阻

电流通过导电体时所受到的阻力称为电阻。

金属导体的电阻与它的几何尺寸、材料有关，可用下式表示

式中R――导体的电阻，Ω（欧姆）；

L――导体的长度，m（米）；

S――导体的截面积，mm2（平方毫米）；

ρ――导体的电阻率，指在一定的温度下，长为1米，截面积为1平方毫米的导体所具有的电阻，Ω•mm2/m。

电阻的电位还有兆欧（MΩ）、千欧（kΩ）、毫欧（mΩ）、微欧（μΩ）。

常用导电材料的电阻率，见表1。

表1常用导电材料的电阻率

材料名称

银

铜

铝

低碳钢

铅

铸铁

电阻率

（20℃）

0.0165

0.0175

0.0283

0.13

0.20

0.50

例1－1：

求1km长，截面为25mm2的铝导线在20℃时的电阻。

解：

五、电压、电位、电动势

1、电位

在电场力作用下，单位正电荷由电场中某一点移到参考点（参考点的电位规定为零）所做的功叫做该点的单位，用

表示。

电场中某两点之间的电位差等于这两点间的电压。

比喻：

用水位说明电位、参考点。

2、电压

电场力把单位正电荷由高电位点移到低电位点所做的功叫做这两点间的电压，用U表示。

当电荷量为Q，所做的功为W时，则电压为

式中W――正电荷Q由高电位点移到低电位点时所做的功，J（焦耳）；

Q――正电荷量，C。

电压的电位为伏特（V），还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μA）。

电压的正方向规定为由高电位点指向低电位点，即电位降的方向。

3、电动势

电源将电位正电荷由负极移到正极所做的功叫做电动势，用E表示。

式中W――正电荷Q由负极移到正极时所做的功，J（焦耳）；

Q――正电荷量，C；

E――电动势，V。

电动势的方向由负极指向正极，即电位升的方向。

第二节直流电路

一、欧姆定律

1、电路图的几种表示方法，如图2－1所示。

2、欧姆定律

欧姆定律是反映电压、电流、电阻三者之间关系的基本定律。

在电阻一定的电路中，通过电阻的电流与施加于电阻上的电压成正比。

也可以说成电路中的电流与电压成正比，而与电阻成反比。

其数学表达式为

式中I――电流，A；

U――电压，V；

R――电阻，Ω

上述公式也可以写成：

例2－1有一电热器的电阻为44欧姆，使用时的电流是5安，试求电压的供电电压。

解：

U=IR=5×44＝220（V）

例2－2已知一电阻两端所加电压为220V，测得电路中的电流为0.5A，求该电阻为多少欧姆？

解：

二、串、并联电路

1、串联电路

将几个电阻的首尾依次连接起来，中间没有分支，各电阻流过同一电流，这些电阻的连接叫做串联，如图2－2所示。

U

I

R

U

I

R1

R2

（a）

（b）

图2－2串联电路图

（a）电路图；（b）用等效电阻代替串联电阻

U1

U1

串联电路的特点：

（1）流过各电阻的电流相同；

（2）电路总电压等于各电阻上的电压降之和，即U=U1＋U2；

（3）电路总电阻（等效电阻）等于各电阻阻值之和，即R=R1+R2；

（4）各电阻上的电压与该电阻的阻值成正比；

（5）电路中消耗的功率等于各电阻上消耗的功率之和，即P=P1+P2；

（6）各电阻上消耗的功率与该电阻的阻值成正比。

2、并联电路

将几个电阻的头和尾分别接在一起，使之在电路中承受同一电压，这些电阻的连接叫做并联，如图2－3所示。

并联电路的特点：

（1）电路中各电阻上所承受的电压相同；

（2）电路中的总电流等于各电阻中电流之和，即I=I1+I2；

（3）电路中的总电阻（等效电阻）的倒数等于各电阻的倒数之和，即

3、混联电路

电路中既有相互串联的电阻，又有相互并联的电阻，叫做混联电路。

分析混联电路时，应先合并串联或并联部分，逐步对电路进行等值简化，求出总的等效电阻，然后根据欧姆定律，由总电阻、总电压（或总电流），求出电路中的总电流（或总电压），最后再逐步推算各部分的电压和电流。

三、电功率和电能

1、电功率

单位时间内产生或消耗的电能，叫做电功率（简称功率）。

它表明了电能与非电能相互转换速率的大小。

负荷接受的电功率等于负荷两端的电压与通过负荷的电流的乘积，常用P表示。

P=UI

式中P――电功率，W（瓦特）；

U――负荷端电压，V；

I――负荷电流，A。

同理，电源产生的电功率等于电动势与电流的乘积。

2、电能

电流在一段时间内所做的功叫做电能。

电能的大小不仅与电功率的大小有关，还与作功的时间长短有关。

其表达式为

W=Pt

式中P――电功率

t――时间，h；

W――电能，Wh（瓦·时）或kWh（千瓦·时）。

例2－3已知一个额定电压为220V的灯泡接在220V电源上，通过灯泡的电流为0.454A，问5h内该灯泡所消耗的电能为多少？

解：

灯泡的功率P=UI=220×0.454≈100（W）＝0.1（kW）

5h内灯泡消耗的电能W＝Pt＝0.1×5＝0.5（kWh）

3、电的热效应

电流通过电阻时要发热，其发热量同电流的平方、回路中的电阻及通过电流的时间成正比，即

Q=I2Rt（J）

＝0.24I2Rt（cal）

上式表明了电能转换为热能的关系，称为焦耳－楞次定律。

1J（焦耳）等于0.24cal（卡）。

第三节电磁感应

（复习）

准备指南针2支、条形磁铁2支、U形磁通、电池、通电直导体，演示磁现象。

一、磁

提问：

生产、日常生活中，有哪些物体周围具有磁场？

如地球、指南针等。

1、磁场

在磁体周围空间存在一种特殊物质，它对载流导体或运动的电荷都有力的作用，这一特殊物质叫做磁场。

磁体具有极性，其两端极性强的区域称为磁极，一端为北极（N极），一端为南极（S极）。

同性磁极相互排斥，异性磁极相互吸引。

磁场不仅有方向，而且还有强弱，一般用磁力线来描述，磁力线的方向由N极指向S极，磁力线上某点的切线方向就是该点的磁场方向。

2、磁通和磁通密度

垂直通过某一截面的磁力线叫做磁通量（简称磁通），用Φ表示，其单位是Wb（韦伯）。

磁通量可以反映磁场的强弱，但不能表示磁场的方向。

垂直穿过单位截面的磁通量叫做磁通密度（也叫磁感应强度），用B表示，其单位是T（特斯拉）。

磁通Φ与磁感应强度B的关系为

式中Φ――穿过截面S的磁通，Wb；

S――与磁场垂直的面积，m2；

B――磁通密度，T。

3、通电导体周围的磁场

准备：

通电导体、指南针、通电螺管线圈，演示通电直导线、通电螺管线圈内的磁场。

通电的导体周围有磁场，这个磁场也可用磁力线来描述。

当电流方向改变时，磁场的方向也改变。

其关系可用直导线右手定则来确定，如图3－1所示。

将右手拇指伸直表示电流的方向，卷曲的四指所指的方向就是磁力线的方向。

图3－1直导线的右手定则

图3－2通电导线中电流方向

和导线周围磁力线方向

为了同时表示出电流的方向和导体周围磁力线的方向，通常用“”表示导线的截面，

用“”和“”两种符号分别表示与纸面垂直导线中的电流流入和流出的方向。

当已知电流方向时，由直导线右手定则很容易就能判断出通电导线周围磁场的方向，如图3－2所示。

如果把单根导线卷成螺管线圈，再通上电流，那么螺管线圈的磁场如图3－3所示。

磁通方向和线圈中电流的方向也可用线圈右手定则来确定，如图3－4所示。

用线圈右手定则判断磁场方向的方法，使卷曲四指的方向与线圈中电流的方向相同，那么伸直的拇指即表示线圈内磁力线的方向。

二、电磁力

1、磁场对通电导线的作用力

准备通电直导体，均匀磁场，演示通电导体受力。

通电导体在磁场中会受到力的作用，称为电磁力。

图3－5中（a）图是载流导线产生的磁场，（b）图是两磁极的均匀磁场，（c）图是两磁场的合成，（d）图示出了导线受力方向。

由于合成磁场在导线上、下两侧强弱不等，迫使导线向磁场弱的一侧运动。

2、作用力的方向

图3－7发电机右手定则

通电导体在磁场中受力的方向，与导体中的电流方向及磁场方向的关系可用电动机左手定则来确定，如图3－6所示。

平伸左手，四指并拢并与大拇指垂直，使磁力线垂直通过掌心，四指指向导体中电流的方向，则大拇指所指的方向就是通电导线所受电磁力的方向。

电动机就是根据这一原理制成的，故又称为“电动机左手定则”。

三、电磁感应

1、导线切割磁力线产生感应电动势

当导线和磁场发生相对运动时，若导线切割了磁力线，在导线中就将产生电动势，这叫做电磁感应现象。

由电磁感应产生的电动势叫感应电动势，用e表示。

由感应电动势产生的电流叫感应电流。

感应电动势的方向可用发电机右手定则来确定，如图3－7所示。

平伸右手，四指并拢并与大拇指垂直，使磁力线垂直穿过掌心，大拇指指向导线运动的方向，则四指的指向就是感应电动势的方向。

发电机就是依据这一原理制成的，故这个判断方法又称为“发电机右手定则”。

感应电动势的大小同磁场强弱、导体运动的速度、导体在磁场中的长度有关。

当导体沿着与磁力线垂直方向运动时，所产生的感应电动势为

式中e――导体中的感应电动势，V；

L――导体在磁场中的有效长度，m；

V――导体的运动速度，m/s；

B――磁通密度，T。

2、线圈中的感应电动势

准备1个螺管线圈、条形磁铁、双向检流计，演示线圈中的感应电动势、感应电流。

当与线圈回路交链的磁通发生变化时，线圈回路会产生感应电动势及感应电流。

线圈中感应电动势的方向有这样的规律：

由它所产生的感应电流总是反抗原有磁通的变化，也就是说，当磁通增加时，感应电流产生的磁通与原磁通方向相反；当磁通减少时，感应电流产生的磁通与原磁通方向相同。

这就是判断感应电动势方向的楞次定律。

感应电动势的大小与线圈中磁通的变化率成正比，即

式中e――感应电动势，V；

N――线圈匝数；

ΔΦ――磁通变化量，Wb；

Δt――磁通变化ΔΦ所需时间，s。

公式中负号是由感应电动势所产生的感应电流具有反抗原有磁通变化的规律决定的。

3、自感电动势和电感

当通过线圈的电流产生变化时，线圈电流产生的磁通也跟着变化。

这个变化的磁通反过来又会在线圈中产生感应电动势。

这种由于线圈本身电流的变化而在本线圈内产生的感应电动势叫自感电动势，用eL表示。

根据楞次定律，自感电动势的方向也和感应电动势一样，总是反抗线圈中原有磁通的变化，即线圈中电流增加时，自感电动势的方向与线圈电流的方向相反，如图3－8（a）所示；当电流减少时，自感电动势的方向与线圈的电流方向相同，如图3－8（b）所示。

图3－8自感电动势方向

（a）电流增加情况；（b）电流减少情况

自感电动势表达式与感应电动势一样，即

通常把线圈匝数N和穿过线圈的磁通Φ的乘积叫做磁链，用Ψ表示，即Ψ＝NΦ。

因磁链的变化量ΔΨ＝NΔΦ，所以自感电动势的表达式可改写为

通过线圈的自感磁链与通过线圈的电流I的比值，叫做线圈的自感，即

电感的单位是H（亨利），较小的电感单位有mH（毫亨）或μH（微亨）。

当电感参数为常数时，自感电动势eL也可表达为

式中，

表示电流的变化率。

由此可见，eL的大小与线圈中电流的变化率成正比。

式中负号是自感电动势的方向具有反抗线圈中电流变化的规律决定的。

第四节单相交流电路

一、正弦交流电的基本知识

1、交流电

所谓交流电，是指大小和方向都随时间作周期性变化的电流（或电动势、电压）。

我们日常生活或生产中用的交流电是随时间按正弦规律交变的，所以叫做正弦交流电，简称交流。

注意：

交流电的大小和方向都在变化，如果只有大小变化，而方向没有变化的不是交流电，而是直流电。

例如：

电池供电的电流、电压随时间的增加，电流逐渐减小，电压逐渐降低。

2、正弦交流电动势的产生

图4－1交流发电机原理示意图

（a）透视图；（b）剖面图

图4－1是一台交流发电机工作原理示意图。

一对固定于机壳上的磁极，磁极间有一个可以自由转动的电枢，电枢上绕着绕组，绕组两端分别接在两个彼此绝缘的铜环上，铜环上装有电刷，通过铜环和电刷使绕组和外电路的负荷连接。

当磁场中的绕组被原动机带动转动时，绕组中产生了感应电动势。

该电动势产生的电流通过灯泡和检流计构成了闭合电路，使外电路中的灯泡发光，检流计的指针摆动。

由前述导线切割磁力线产生感应电动势的原理可知，当L和v一定时，感应电动势的大小取决于B的大小。

为了得到随时间按正弦规律变化的交流电动势，在制造发电机时将磁极做成一定的形状，使磁通密度沿着电枢表面垂直方向按正弦规律分布，即

B＝Bmsinα

式中Bm――磁通密度的最大值，T；

α――绕组的一边与转轴O所组成的平面与中性面（两磁极间的分界面）间的夹角。

所以，感应电动势也是空间角α的正弦函数，即

e＝Emsinα

式中Em――感应电动势的最大值，V。

当绕组单位时间内旋转的角度（又称角速度）为ω时，空间角α＝ωt，则感应电动势e随时间变化的规律可写成

e＝Emsinωt

式中ωt为电动势在时间为t时的角度，称为电动势的相位角。

3、周期与频率

图4－2正弦交流电的周期

正弦交流电随时间按正弦规律由正到负、由负到正周而复始地变化。

变化一周所需要的时间叫做周期，单位为s，符合用T表示，如图4－2所示。

以电角度表示的一个周期为2π弧度，即

ωt＝2π或

每秒正弦量交变的次数叫做频率，单位为Hz（赫兹），用f表示。

我国电网采用的是频率是50Hz。

周期和频率互为倒数，即

因为一个周期（3600）等于2π弧度，若将频率的单位Hz化为rad/s（弧度每秒），即为角频率ω，因此

例4－1频率为50Hz的交流电，问它的周期和角频率各是多少？

解：

ω＝2πf＝2×3.14×50＝314（rad/s）

4、瞬时值与最大值

瞬时值：

交流电任一时刻的数值称为瞬时值。

用英文小写字母表示。

如电流用i，电压用u，电动势用e等。

最大值：

正弦交流电瞬时值中的最大值。

用有下标m的英文大写字母表示。

如交流电流、电压、电动势的最大值分别用Im、Um、Em表示。

对于给定的正弦交流电的最大值是常数，在一个周期内出现两次，即正最大值和负最大值。

5、有效值

交流电的瞬时值是随时间变化的，用瞬时值来反应交流电在电路中产生的效果很不方便。

同时，用最大值也不能确切地反应出交流电的大小。

工程中常用有效值。

如果一个交变电流通过一个电阻，在一周期的时间内所产生的热量和某一直流电流通过同一电阻，在相等的时间内所产生的热量相等，则此直流值就定义为改交流电的有效值。

即交变电流的有效值等于与它热效应相当的直流值。

交流电的有效值用英文大写字母表示，如用U、I、E分别表示电压、电流电动势的有效值。

正弦交流电的有效值等于最大值的

即0.707倍，或者说正弦交流电的最大值等于有效值的

，即近似为1.414倍。

有效值与最大值的关系分析如下：

当交变电流I通过电阻R时，根据焦耳－楞次定律在dQ时间内产生的热量为：

dQ=i2Rdt

在一周期的时间内所产生的热量为：

直流电流I通过电阻R时，在时间T内产生的热量为：

Q＝I2RT

根据有效值的定义：

同理可得

在工程计算与实际应用中，电流、电压和电动势的数值通常指有效值。

例4－2用伏特表测得电源电压为220V，问这个电压的最大值为多少？

解：

6、相位、初相位和相位差

（1）相位、初相位

在交流发电机中，当电枢绕组平面的起始位置与中性面a－a‘重合时，感应电动势瞬时值的表达式为

如果电枢绕组平面在与中性面夹角为

时作起始位置（即t＝0时，

），如图4－3所示。

经过t（s）后，电枢绕组平面与中性面的夹角增加了ωt，因此绕组所处位置的角度为

，则绕组中感应电动势的瞬时值应为

式中

――相位角或相位。

图4－3电动势的相位和初相位

图4－4初相位的正负值

相位是随时间变化的，它决定了正弦电动势瞬时值的大小和方向。

t＝0时的相位角

，叫初相位角或初相位。

在波形图上，初相位

是正弦曲线正向过零点与坐标原点之间的角度。

如正向过零点在纵轴左侧时，初相位是正值；在右侧时，初相位是负值。

如图4－4中电流i1的初相位为＋600，电流i2的初相位为－300，它们的瞬时值表达式分别为

（2）相位差

两个完全相同的电枢绕组，它们在电枢上的空间位置如图4－5（a）所示。

由于它们绕在同一电枢上，所以两个绕组以同一角速度切割磁力线，它们产生的感应电动势分别为

这两个电动势的最大值和角频率相同，只是相位不同。

两个同频率的正弦量在相位上的差别叫做相位差，即

图4－5相位差

（a）两绕组的空间位置；（b）电动势波形图

由图4－5（b）看出，由于e1和e2存在相位差，所以在同一时刻它们的瞬时值不相等，且e1总比e2先到达最大值，就是说e1在相位上超前e2为

角，或者说e2较e1滞后

角。

在图4－4中，i1和i2间的相位差为

就是说i1超前i2900，或者说i2滞后i1900。

如果两个同频率的正弦量的相位差为零，这两个正弦量为同相位；如果相位差为1800，则这两个正弦量为反相位。

二、正弦交流电的相量表示法

向量用于表示交流电时称为相量，在相应字母符号上方加“·”表示，如

等。

正弦电流瞬时值

的相量表示法，如图4－6所示。

图4－6用相量表示正弦量

在图4－5中

的长短代表正弦电流的最大值，

与横轴正方向的夹角表示i的初相位

以角速度（角速度是单位时间内变化的角度。

相量旋转的角速度应为正弦量的角频率ω）ω逆时针方向旋转，对应于每一个瞬时相量

的位置在纵轴上的投影，正好等于该时刻i的瞬时值。

将

随时间旋转在纵轴上的投影按时间变量描成曲线，正好是一条正弦波曲线。

2、相量图

将几个相互关联的同频率正弦量分别用相应的相量表示，并组合在同一坐标系中的图叫相量图。

画相量图时要先画出其中任意一个相量，一般先画出初相位为零的相量，这个相量称为参考相量。

参考相量通常与横轴重合，其它相量可由它们之间的相位关系逐个确定。

在实际工程问题进行分析计算时，通常使用有效值计量，因此在用相量表示正弦量时，各相量的长度均取它们的有效值。

3、相量的加、减运算

相量相加可用平行四边形法则进行。

相量相减时，将要减去的相量取其方向后再与被减相量相加即可。

相量相加的和、相量相减的差及和、差的初相位均可从相量图中测量出数值，再乘以作图的比例，就可得到实际值。

相量和、差及它们的初相位角也可用计算法求出。

三、交流电路中的电阻、电感、电容元件

1、电阻交流电路

图4－7电阻电路的相量图和波形图

（a）电阻电路图；（b）相量图；（c）u/i/p波形图

实际应用的白炽灯、电烙铁、电阻器等可看成电阻元件。

在电阻元件构成的交流电路中，电流和电压的频率相同，相位相同，完全符合欧姆定律，即

电