电工基础知识培训教材1.docx
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电工基础知识培训教材1
电工基础知识培训教材1
电工基础知识培训教材
绪言
现代工业、农业、交通、通信、国防以及日常生活中电的应用广泛。
但总的来说，电的应用有两大方面：
一是作为一种能量——电能来应用；另一是作为一种信息——电信号来应用。
（通常把电压、电流等电量的变化统称为电信号）
电的应用极其广泛的原因，是由于它具有下列一些重要特点：
1、转换容易。
作为能量，电能可以很方便地由水能、热能、化学能、原子核能等转而来，成为廉价的动力来源；而且电能又很容易转换成人们需要的其它各种形式的能量，如机械能、热能、化学能、光能等。
作为信息，电信号与各种非电信号（温度、压力、流量等的变化）之间的相互转换也容易实现。
2、传输方便。
作为能量，高电压远距离输送电能时，损失小、效率高；并且容易分配到各个用电设备上去。
作为电信号，不但可在线路中迅速、稳定、准确地传输，而且可用电磁波的形式在空间传播。
3、便于控制和测量。
电能或电信号的有关量值便于准确而迅速地进行控制和测量，利用电信号还可对电量以及各种非电量进行遥控和遥测，这些都为自动化生产提供了必要的有得条件。
随着电的日益广泛的应用，现代电工设备不但种类繁多，而且日新月异不断发展。
但是目前绝大多数的设备仍是由各式各样的电路所组成。
不论电路的结构如何复杂，它们和最简单的电路之间还是具有许多最基本的共性，而且遵循着相同的运动规律。
因此本章主要内容将着重于电工基础，介绍电路的组成、电气参数的物理意义以及其中的基本规律、电磁知识和常见的电气设备及元件的原理、电路的测量和分析计算等，以使大家对电建立起一个较完整的基本概念和理论，为以后的进一步学习打下基础。
本次学习的内容多，时间短，要在四天的时间内完全掌握有一定的困难，需要在以后的工作中，继续学习加深和巩固。
由于自身的知识水平和业务能力有限，不可避免的存在一些的错误和不足，恳切的希望大家给予批评和指正。
§1电路的基本概念
§电路的组成
在电的实际应用中，从最简单的手电筒的到复杂的电子计算机的运算，都由电路来完成的。
1、电路的组成及电路元件的作用
电路就是电流所流经的路径，它由电路元件组成。
当合上电动机的刀闸开关时，电动机立即就转动起来，这是因为电动机通过导线经过开头与电源接成电流通路，并将电能转换为机械能。
电动机、电源等叫做电路元件，电路元件大体可分为四类：
（1）电源：
即发电设备，其作用是将其它形式的能量转换为电能。
如电池是将化学能转换为电能，而发电机是将机械能转换为电能。
（2）负载：
即发电机设备，其作用是把电能转换为其它形式的能。
如电炉是将电能转换为热能，电动机则是把电能转换为机械能。
（3）控制电器和保护电器：
在电路中起控制和保护作用。
如开关、熔断器、接触器等。
（4）导线：
由导线材料制成，其作用就是把电源、负载和控制电器连接成一个电路，并将电源的电能传输给负载。
由此可见，电路的作用是产生、分配、传输和使用电能。
图1-1就是最简单的电路。
2、电路图
在实际工作中，为便于分析、研究电路，通常将电路的实际元件用图形符号表示在电路图中，称为电路原理图，也叫电路图。
图1-1a电路元件图，1-1b为1-1a的的原理电路图。
（介绍电气参数，引出后面电流、电压、电阻等的讲解）
§电流
一、物质的电结构
1、构成物质的分子与原子
世界上尽管有千万种的物质，例如铜、铁、玻璃、塑料、空气和水等，它们的性质各有不同中，但这些物质都由该物质的分子构成的。
分子是最细小但不失原物质性质的颗粒。
分子是是由更小的物质微粒——原子组成。
有些物质的分子比较简单，只有一种原子组成，例如常见的铜或铁等金属。
水的分子是由两个氢原子和一个氧原子化合而成。
塑料和其它有机化合物的分子结构都比较复杂。
原子是由原子核以及核外的电子所构成。
不同的原子，其原子核外面的电子数目也不相同。
例如氢原子在它的核外只有一个原子，而銅的原子则具有29个电子。
原子核一般由质子和中子所组成。
质子的数目总是等于核外的电子数。
中子不带电，质子和电子都带电的粒子。
质子带正电荷，电子带负电荷。
在同一个原子中质子与电子所带的正、负电荷必定相等，因此就整个原子来说，正、负电荷的作用恰好完全抵消，所以物体平时不显示带电现象。
见图1—2
图1—2原子结构图
2、物体的带电、电荷量
如果由于两种不同的物质相互摩擦或其它原因，使一块物体上的电子转移到了另一块物体上，这样就使失去电子的这块物体带了正电荷，而获得了电子的那块物体带了相同数量的负电荷。
物体失去或获得的电子越多，那么这块物体所带的正电荷或负电荷量也就越多。
电荷量是以库仑（简称库）为单位计量。
据实验测定，一个电子具有的负电荷量约等于×10-19库，也就是在1库的负电荷中约包含有625亿亿个电子。
带电的物体在其周围存在着电场，电场也是物质存在的一种形式。
实践证明，带异号电荷的两物体之间有互相吸引的力，反之，带同号电荷的两物体之间有互
相排斥的力，这种相互的吸力或斥力就是电场的作用力。
见图1—3
图1—3电场力的相互作用
3、库仑定律（了解）
库仑定义：
当流过某曲面的电流1安培时，每秒钟所通过的电量。
1库仑（C）=1安培·秒（A·S）
库仑定律是电磁场理论的基本定律之一。
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，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同号电荷相斥，异号电荷相吸。
库仑定律公式：
F=k×（q1×q2）／r2公式1—1
r——两者之间的距离（从q1到q2方向的矢径）
k——库仑常数k=1／4πε0≈×109N·m2·C-2
ε0——真空介电系数，约为×10-12C2·N-1·m-2
（1）库仑定律只适用于计算两个点电荷间的相互作用力,非点电荷间的相互作用力,库仑定律不适用。
（2）应用库仑定律求点电荷间相互作用力时,不用把表示正,负电荷的"+","-"符号代入公式中计算过程中可用绝对值计算,其结果可根据电荷的正,负确定作用力为引力或斥力以及作用力的方向。
库仑定律成立的条件：
处在真空中，必须是点电荷。
注：
计算时不一定要求静止是因为在平时的出题和提升中，很大一部分不考虑点电荷是否静止。
图1—4点电荷的作用
库仑定律——描述静止点电荷之间的相互作用力的规律
由公式1—1可知电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。
二、电流
1、电流：
电荷有规则的运动。
导体内的电流是由于导体内部的自由电子在电场的作用下有规则的运动而形成的。
此外，在有些液体或气体中由于存在带正、负电荷的离子，它们在电场作用下分别朝着一定的方向运动，因此也能形成电流。
电流的大小取决于一定的时间以内通过的导体截面的电荷量的多少。
i＝q／t（I＝Q／T）公式1—2
公式1—2指出：
电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。
为简单起见我们把电流的大小简称为电流。
习惯上我们把正电荷流动的方向作为电流的实际方向，即外电路中电流从电源的正极流向负极。
但在导线中，电流实际上是带负电荷的电子流动所形成的，但其效果与等量正电荷反方向流动完全相同，因此其电流方向是与电子流的方向相反。
如图
图1—4电流方向与负电荷流动的方向
简单电路中电流实际方向容易按电源极性来判定。
在比较复杂的电路中，电流的方向难于直观判断。
为了分析计算电路的需要，我们引入了参考正方向的概念。
电流在导体中流动的实际方向有两种可能，任意选取其中一个方向作为参考方向，称之为参考正方向，简称正方向。
设电路某一未知电流的正方向已经选定，如果求得此电流为正值，说明电流的实际方向与选定的正方向一致；若求得此电流值为负值，说明电流的实际方向与选定的正方向相反。
关联参考方向：
如果指定流过元件的电流的参考方向是从标以电压正极性的一端指向负极性的一端，即两者的参考方向一致，则把电流和电压的这种方向称为关联参考方向。
当两不一致时，称为非关联参考方向。
2、直流电流与交流电流
电流的大小和方向都不随着时间变化（即保持不变）的电流称为直流电流。
电流的大小和方向随着时间按一定的规律变化的电流称为交流电流。
电流的大小和方向随着时间按正弦的规律变化的电流称为正弦交流电流。
图1—5a）直流电流b）正弦交流电流
4、电流的单位
电流电流的大小以安培为单位计量，简称安，用字母A表示。
1安的电流即等于在1秒钟内有1库的电荷量通过导线的截面。
1A＝1×103mA＝1×106μA
§电阻
一、导体、绝缘体与半导体
我们知道，象铜、铁或这样的一些物质是很容易导电的，我们叫做导体；而象玻璃、云母、陶瓷之类的物质就很不容易导电，被称为绝缘体。
这是因为，在导体中存在着不少与原子核的联系很松弛的电子，它们很容易摆脱原子核的束缚而在原子之间自由运动，被称为“自由电子”。
各种金属内部都在不同程度上存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下，能很快地使电荷量从一处移到另一处，所以金属是导体。
相反地，在绝缘体内部自由电子很少，所以几乎不能导电，因而可以用来做隔电的材料。
但是要指出，绝缘体并不是绝对不导电的，只是它的导电能力与导体相比相差得非常悬殊而已。
象硅与锗这些物质，它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，称为半导体。
半导体有很多特殊的性能，尤其是当在纯硅、纯锗中间掺入适量的其他杂质之后，其导电能力将会成百万倍地增加。
二、电阻和电阻率
导体内的带电质点的过程中不断地相互碰撞，并且与导体的分子相互碰撞，因此，导体对于它所通过的电流呈现有一定的阻力，这种阻力称为电阻。
由于导体的长度、截面积以及本身的材料不同，就具有不同的电阻。
电阻小说明电流容易通过，反之，电流则不易通过。
绝缘体之所以能做隔电材料，就是因为它有很大的电阻，使电流很难在其中通过。
电阻的单位是欧姆，简称为欧，用符号Ω表示。
1MΩ＝1×103KΩ＝1×106Ω
R＝ρL／S公式1—3
ρ——由导体材料的导电性能确定的常数（可查表得），叫做电阻率；
常用的铜电阻率为Ω·mm2／m；铝为Ω·mm2／m。
L——导体的长度，单位为m。
S——导体的横截面积，单位为mm2。
S＝πd2／4=d2（d是导线的直径，通常用来表示各种不同粗细的导线规格，如95线、120线等）。
公式1—3表明了导线的电阻与它的长度成正比，与横截面积也就是线径的平方成反比。
也就是说，导线越长，电子与分子碰撞次数增多，电子所遇到的阻力越大就不容易通过；导线横截面越大，电子通路宽敞，阻力越小，就越容易通过。
所以对于较长的传输线路可采用线径较粗的导线，或几根芯线并做一根使用，来增加其总的截面积S，使线路电阻降低。
电阻值的倒数称为电导，用G表示：
G＝1／R
电导的单位是西门子，简称西（S）：
1S＝1Ω-1
三、电阻与温度的关系
导体的电阻是随着温度而变化的。
它的原因是在某些导体中（例如金属），如果温度升高，使带电质点与分子碰撞的次数增多，因此导体内的电阻就增大。
相反，在一些导体中（如电解液导体），如果温度升高，导体的单位体积内自由电子和离子数增多，这样就使电流增加，也就是说，这类导体的温度升高反而使电阻降低。
有些金属（如锰铜、康铜等）的电阻随着电阻温度的变化而改变得很小。
一般当温度不太低，且变化不大时，导体电阻所改变的数值，基本上可以认为与温度改变的值成正比。
如以R1表示在起始温度T1时的导体电阻，以R2表示温度增加到T2时的导体电阻，则电阻与温度的关系可以表示为：
R2＝R1[1+α（T2—T1）]公式1—4
α——电阻温度系数，它等于温度每变化“1／℃”时，每欧的导体电阻所改变的电阻数值，其单位们为“1／℃”。
§电压及欧姆定律
前面我们介绍了关于电流及电阻的概念。
本节将进一步讨论关于连续不断的电流是怎样产生的的。
为此先介绍电源电压的概念，再讨论电压、电流、电阻三者之间的关系，即欧姆定律，这一定律是我们分析电工问题最用到的基本定律之一。
一、电源及电源电压
电路中的电流需要靠电源来维持，这好比用水泵来维持连续的水流一样。
水泵能维持连续水流的原理是由于它能保持两处之间的水位差，使一处的水位总是高于另一处的水位。
在水泵的外部，水总是从高水位处流向低水位处；而在水泵内部，借助水泵的力量可从低水位处流向高水位处，这样，水就能连续不断地流通了。
与此类似，在电源两端具有不同的电位。
电源正极的电位总是高于负极的电位，也就是电源能维持两点间的电位差，使在电源外部，电流从高电位的正极流向低电位的负极；而在电源内部，借助于电源本身的电源力，可使电流从低电位流向高电位。
电位差又称电压，用U表示，单位为伏特，简称伏，以字母V代表。
衡量电源维持电位差能力的物理量，称为电源电压或电动势、电势，用E表示，单位与电压相同。
电势的实际方向，规定由电源负极指向正极，即由低电位指向高电位。
接通外部电路后，电流由电源负极通过电源内部流向正极，可见电源中的电流与电势同向。
电势的参考方向也可任意取，当实际方向与正方向一致时，电势为正值，反之为负值。
1KV＝1×103V＝1×106mV
电源本身的电阻叫做电源内阻（用R0表示）。
如果一个电源只具有一定的电源电压而内阻为零，此电源称为理想电压源或恒压源。
对理想电压源以符号“
”表示。
其中长线段代表正极，短线段代表负极。
具有不变的电动势和较低的内阻的电源称为电压源。
电势为E、内阻为R0的电压源可以等效为恒压源E和内阻R0串联。
.一般用电设备所需的电源，多数是需要它输出较为稳定的电压，这要求电源的内阻越小越好，也就是要求实际电源的特性与理想电压源尽量接近。
但是，并非在任何情况下都是要求电源的内阻越小越好。
某些特殊场合，却要求电源具有很大的内阻，这是因为高内阻的电源能够输出一个较稳定的电流。
我们把内阻无限大的、能输出恒定电流Is的电源称为理想电流源或恒流源。
恒流源输出恒定电流Is通常称为电激流。
恒流源与恒压源一样，都属理想状态，实际上都是不存在的。
实际电流源的性能只是一定范围内接近于理想电流源。
例如,晶体三极管工作于放大状态时就接近于恒流源。
把电激流为Is的恒流源与电阻R0并联的电路定义为电流源。
恒流源与电阻并联的电路同恒压源与电阻串联的电路之间，在满足一定关系的条件下是可以互相等效的。
二、欧姆定律
欧姆定律：
流过电阻R的电流I，与电阻两端的电压U成正比，与电阻R成反比。
错误！
未找到引用源。
公式1—5
式中电压单位用伏，电阻的单位用欧，则电流的单位是安。
从公式（1—5）可以看出，如果电压U一定，那么电阻R越小时，则电流I越大；反之，当电阻R越大时，电流I越小。
也就是如果把两个不同的负载分别接到相同的电源电压上时，则在电阻小的负载中流过的电流大，而在电阻大的负载中流过的电流小，即在一定的电压下，电流与电阻成反比。
欧姆定律还可写成U＝RI这样的形式，从这里可以看出，当电流I一定时，电阻大则电压越大；反之，在一定的电流下，电阻越小则电阻上的电压也越小。
换言之，当两个具有不同阻值的电阻通过相同的电流时，在低电阻上的电压低，而在高电阻上的电压高，即当电流一定时，电压与电阻成正比例关系。
例1-1、接在电路中的某一个电阻R上的电压为10V,其中电流为2mA，问此电阻为多少欧若将该电阻能以15mA的电流，则其上的电压为多少伏
R＝5KΩU＝75Vρ
三、电流与电压的线性关系
我们通常所遇到大多数电阻元件，其电阻R可认为是不变的常数，即R与所加电压及所通电流的大小与方向均无关。
例如设R＝5KΩ，当这个电阻中通过不同数值电流I时，用欧姆定律算出相应的电压，如下表所示：
I（mA）
1
2
3
4
5
6
7
8
U（V）
5
10
15
20
25
30
35
40
如果我们用沿水平方向的横座标表示出电压U，沿垂直方向的纵座标表示电流I，则上述关系可用图形表示出来，这就是如图1—6所示的一条直线。
图1—6线性电阻伏安特性曲线
对于这种电压与电流之间总具有直线性关系的电阻称为线性电阻。
线性电阻是一种线性的电路元件，全部由线性元件构成的电路叫线性电路。
除了特别指出的以外，本教材所讨论的均属线性电路。
在一般情况下，表示一个电阻元件的电压与电流之间关系的图形，称为此元件的伏安特性曲线。
如上所述，线性电阻的伏安特性曲线为一直线。
严格地说，线性电阻是不存在的。
例如金属导体内通过不同的电流时，导体的温度就不同，而导体的电阻又是随温度而变化的，因此导体内通过不同的电流，导体的电阻也随着改变。
但由于这种变化很小，所以在一定的范围内，我们可以近似地把它作为线性元件来考虑。
但有些电阻元件就不同了，这些元件的伏安特性曲线相差较大。
如一个普通的钨丝灯泡，在一定的电压下正常工作时具有的电阻，可比在冷却时用万用表测出的电阻值大十倍以上。
其伏安特性曲线向下弯曲。
而碳丝灯泡因电阻随温升减小，所以它的伏安特性曲线向上弯曲。
§电功率和电能
在分析中解决有关电路问题中有时需要考虑功率问题。
例如焊大的物件要用大电烙铁；用大电炉可以很快烧开一壶水。
这些都是因为它们的功率不同。
本节将根据已知的电压、电流或电阻来计算一个电阻元件所消耗的电功率，以及关于电阻消耗电功率转变成热能的概念。
一、电功率的计算公式
电功率等于电压与电流的乘积。
用P表示，单位瓦特（W）或（KW）
P＝UI公式1-6
式中电压用伏，电流用安，则功率为瓦。
把上式中的电压U以U=RI代入，则电阻R所消耗的功率可以表示为：
P＝I2R公式1-7
这个式子表明，对于一定的电阻R，功率与电流的平方成正比。
将1-6式中的I以I=U╱R代入，电阻R所消耗的功率又可表示为：
P＝U2╱R公式1-8
这就是说，在一定的电压下，功率与电阻成反比，负载的电阻越小，它的功率就越大。
1KW＝1×103W＝1×106mW
例1-2：
电阻率ρ=Ω·mm2／m，线径d=的电热丝绕制一功率为300瓦、工作电压为220V的电炉，需要多少米
L≈11米
练习：
试求阻值为200Ω,额定功率为8瓦的电阻器所允许的工作电流及电压I=AU=40V
二、能量的转换和守恒
能量：
就是物体所具有的作功的能力或作功的本领。
能量有许多种，例如机械能、热能、电能、光能、化学能等。
各种能量之间可以互相转换。
例如，发电厂和电力网就是一个多种能量相互转换的系统。
在水电站中，水推动水轮机转，将它所具有的动能和势能转换成机械能。
水轮机带动发电机又将机械能转换为电能。
电能经过输电线路送到用户，又转换为各种形式的能量。
电动机将电能转换成机械能；电灯将电能转换成光能等。
在能量转换的过程中，不可避免地有能量损失。
如：
水从前池经压力管、导水机构流进水轮机，并不能全部变成机械能，沿途有漏水损失、摩擦损失等等。
水电站中水的动能与势能的和应等于推动水轮机的能量与漏水损失、摩擦损失等之和。
以上说明，自然界的能量既不能创造，也不能消灭，只能从一种形式转换为另一种形式，能量的总和操持不变，这就是能量守恒定律。
三、电能
电路的主要任务是进行电能的传送、控制和转换。
在图1-1中所示的的电路中，当有电流通过时，电源要输出电能；在外电路中负载R要消耗电能。
根据能量守恒定律，如果不考虑电源内部和导线中的能量损失，那么电源输出的电能就应该等于负载所消耗的电能。
我们要注意电能和电功率的区别。
电能是指一段时间内电场力（电源力）所做的功。
电功率是指单位时间内电场力（或电源力）所做的功。
它们之间的关系是：
W=P·t
电能的单位是千瓦·时（KW·h），简称度。
1KW·h是指功率为1千瓦的电源（或负载）在1小时内所输出（或消耗）的电能。
电功率用功率表测量，电能用电度表测量。
例1-3在220V的电源上，接入一个电炉，已知通过该电炉的电流是，问1小时内，该电炉消耗的电能是多少
W=3KW·h
四、效率
能量在转换和传递的过程中，因为存在种种损失，只有一部分能量转化为其它有用的能量。
我们转换前的能量叫做输入能量，用P1表示，把转化后的能量叫做输出能量，用P2表示，把种种损失加起来叫做综合损失，用△P表示，那么根据能量守恒定律得：
P1=P2+△P公式1-9
将输出能量与输入能量的比值称之为效率，用符号η表示。
η=P2∕P1×100%公式1-10
由于损失的存在，任何一种设备所得到的能量总是大于它输出的能量，即效率总是小1的。
在水电生产过程中，主要存在有以下几种损失：
水力损失、机械损失、电能损失。
水力损失主要是指各部分的漏水及克服引水管道管壁和导水机构对水的摩擦力造成的损失。
机械损失主要指克服接触摩擦和运动时的风阻造成的损失。
电能损失是指输电线及送配电设备上消耗的电能损失。
例1-4有一台电动机，它的名牌上标出的功率是7千瓦，效率是86%，问电动机内部的损失是多少
五、电流的热效应
当电流流过导体时，由于导体具有一定的电阻，因此，电能就随着电流的流动不断地转变为热能，使导体温度升高，这种现象就叫做电流的热效应。
电炉、电烙铁等就是利用电流的热效应来生热的，我们利用它为生产和生活服务。
另一方面，在电机、变压器等电气设备中，电流通过绕组时所产生的热量，对于这些设备是不利的。
这些热量如果不设法从电机及变压器内部散发出来，经过长时间运行后，就会使设备的温度升得很高，严重时甚至会烧坏设备。
所以必须严密监视设备的温升（即设备温度比周围环境温度高多少），采取多种方式进行冷却和散热。
经过长期的实践和实验，证明电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比，这个规律叫做焦耳定律。
Q=I2Rt公式1-9
公式中的电流I的单位要用安培（A），电阻R要用欧姆（Ω），通过的时间t的单位要用（s），这样热量Q的单位就是焦耳（J）
六、电气设备的额定值
为了使电气设备安全、经济地运行，并保证一定的使用寿命，制造厂对产品都规定了额定值（如额定电压、额定电流、额定转速等）。
大多数电气设备的电流超过额定值过多时，由于发热过甚，绝缘材料将会损坏；当所加电压超过额定值过多时，绝缘材料也可能被击穿。
反过来说，如果电气设备的电压与电流额定值比额定值小得多，不仅得不到正常合理的工作状况（如电压过低，电灯亮度不够，电动机的转速太低等），也不能充分利用电气设备的工作能力。
因此，制造厂在规定产品的额定值时，要全面考虑使用时的经济性、可靠性以及寿命等各种因素，特别要保证电气设备的工作工作温度不超过规定允许值。
电气设备的额定值通常标在铭牌上。
额定值一般用附有下标“e”的符号表示,如Ue、Ie、Pe等。
§2直流电路的分析计算
本章将在第一章的基础上，逐步讨论一些简单电路及电路中各种过程的分析方法。
§电路的工作状态
电路有三种可能的工作状态：
通路、断路、短路。
一、通路
通路：
就是电源与负载闭合回路。
如图2-1所示电路中开关S合上时的工作状态。
短距离输电导线电阻很小，常忽略不计，据欧姆定律，于是负载的电压降UL就等于路端电压：
U=UL=E／（R+R0）×R
图2-1通路示意图
若输电线导线较长，就应当考虑它的电阻。
实际上为了简化电路计算，常用等值的集中的电阻来代表实际导线的分布电阻，如图2-1中用虚线表示的电阻R1。
输电导线的横截面积应依据线路上的容许电压损失（一般为额定电压的5%）和最大工作电流选定，截面过细导线上的电压损失太大，过粗则浪费材料。
电
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