电的基本知识
导语：电是静止或移动的电荷所产生的物理现象。以下为大家分享电的基本知识，欢迎借鉴。
1、电是一种自然现象，指静止或移动的电荷所产生的物理现象，是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。
2、自然界的闪电就是一种电现象。电磁力是自然界四种基本相互作用之一。电子运动现象有两种：我们把缺少电子的原子说为带正电荷，有多余电子的原子说为带负电荷。
3、在现实生活中，电的机制给出了很多众所熟知的效应，例如闪电、摩擦起电、静电感应、电磁感应等等。
4、早在对于电有任何具体认知之前，人们就已经知道发电鱼（electric fish）会发出电击。早在4750年前撰写的古埃及书籍记载，这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”，是所有其它鱼的保护者。大约两千五百年之后，希腊人、罗马人，阿拉伯自然学者和阿拉伯医学者，才又出现关于发电鱼的记载。
5、但是几千年来，人们只是观察了雷电等自然现象，并不了解电的本质，直到1600年，由于英国科学家威廉·吉尔伯特的严谨科学态度，才开始对于电与磁的现象出现进行了系统性研究。
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(一)电路的基本概念
电流所流通的路径称为电路。最简单的电路由电源、负载、开关和连接导线组成(图4-18a)。这是用一个灯泡由导线经过开关而连接到干电池上的照明电路。图中的电源是一节干电池。电源是将其他形式的能量转换成电能的装置。负载也称用电器,是将电能转换为其他形式能量的器件或设备。连接导线是输送和分配电能的导体,常用的导线是铜线、铝线。开关在电路中起控制作用。
图4-18 实物电路及电路模型图
在分析器件的接法和原理时,图4-18a所示是很有用的,但要用它对电路进行定量分析和计算时,则非常困难。所以通常用一些简单但却能够表征电路主要电磁性能的理想元件来代替实际部件。这样一个实际电路就可以由多个理想元件的组合来模拟。这样的电路称为电路模型,也称作电路原理图(图4-18b)。
(二)电源、电压、电动势及欧姆定律
1.电流
电流的大小取决于在一定时间内通过导体横截面的电荷量多少,在相同的时间内通过导体横截面的电荷越多,就表示流过该导体的电流越强,反之越弱。电流的大小用电流强度来衡量,通常规定:一秒钟内通过导体横截面的电量称作电流强度,简称电流,以字母I表示,电流I的表达式为
I=Q/t (4-1)
电流的单位是安培简称安,以字母A表示,还有千安(kA)、毫安(mA)等单位。电路中的电流大小可以用串联在电路中的电流表测量得到。
2.电压
电压是衡量电场做功本领大小的物理量。在电场中,若电场力将电荷Q从a点移到b点,所做的功为Aab,则两点间的电压Uab为
Uab=Aab/Q (4-2)
电压的单位为伏特简称伏,以字母V表示,还有千伏(kV)等单位。电压大小可用并联在电路中的电压表测量得到。
3.电动势
电动势是衡量电源将非电能转换成电能本领的物理量。在电源内部、外力将正电荷Q从负极移到正极所做的功为WE,则电动势的大小为
E=WE/Q (4-3)
图4-19 电动势与电压的方向
电动势的单位与电压的单位相同,电动势的方向规定为在电源内部由电源负极指向电源正极(图4-19)。
4.欧姆定律
在一段不包含电源的电路中,电流的大小与这段电路两端的电压成正比,与这段电路的电阻成反比,这就是欧姆定律,其数字表达式为
I=U/R (4-4)
式中:I为电流(A);U为电压(V);R为电阻(Ω)。
(三)电阻的连接
1.电阻的串联电路
两个或两个以上的电阻依次相连,中间无分支的连接方式称为电阻的串联。图4-20a所示是3个电阻的串联。图4-20b所示是图4-20a所示的等效电路图。串联电路的特点是:
图4-20 3个电阻的串联
1)串联电路中流过每个电阻的电流都相等,即
I=I1=I2=I3=…=In
2)串联两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和,即
U=Ul+U2+U3+…+Un
3)串联的等效电阻(即总电阻)等于各串联电阻之和,即
R=R1+R2+R3+…+Rn
4)各串联电阻两端的电压与其电阻的阻值成正比。
地勘钻探工：基础知识
由上述特点可知,阻值越大的电阻所分配到的电压越大,反之电压越小,这就是串联电路电阻的分压原理。分压公式为(3个电阻串联):
地勘钻探工：基础知识
2.电阻的并联电路
两个或两个以上的电阻接在电路中相同的两点间的连接方式,称为电阻的并联(图4-21)。并联电路的特点:
图4-21 3个电阻的并联
1)并联电路中各电阻两端的电压相等,且等于电路两端的电压,即
U=U1=U2=U3=…=Un
2)并联电路中的总电流等于各电阻中的电流之和,即
I=I1+I2+I3+…+In
3)并联电路的等效电阻(即总电阻)的倒数等于各并联电阻的倒数之和,即
地勘钻探工：基础知识
4)流过各并联电阻中的电流与其阻值成反比,即
地勘钻探工：基础知识
由上述特点可知,并联电路中,电流的分配与电阻成反比,即阻值越大的电阻所分配到的电流越小,反之电流越大,这就是并联电路的分流原理。分流公式为(2个电阻并联):
地勘钻探工：基础知识
3.电阻的混联电路
既有电阻串联,又有电阻并联的电路,称为电阻的混联电路(图4-22)。
图4-22 混联电路
(四)单相交流电路
1.正弦交流电的基本概念
(1)交流电的概念
交流电是指大小和方向随时间作周期性变化的电流。交流电又可分为正弦交流电和非正弦交流电两类。正弦交流电是指按正弦规律变化的交流电(图4-23a);非正弦交流电不按正弦规律变化(图4-23b)。
图4-23 交流电曲线图
由于交流电便于远距离输送,经变压器可获得不同等级交流电压,通过整流又可获得直流电。另外交流电气设备比直流电气设备构造简单,造价低廉,坚固耐用,维修方便,所以交流电广泛应用于现代工农业及交通通讯事业中。
(2)正弦交流电的基本参量和要素
1)瞬时值。正弦交流电是随时间按正弦规律变化的,把任意时刻正弦交流电的数值称为瞬时值。分别以小写字母e、u、i表示。
2)最大值。交流电在变化中出现的最大瞬时值称为最大值(或称峰值、振幅)。分别用大写字母Em、Um、Im表示。最大值有正有负,习惯上都以绝对值表示,最大值是正弦交流电的三要素之一。
3)周期。交流电每变化一次所需的时间称为周期。用字母T表示,单位为秒(s)。
4)频率。交流电在1s内变化的次数为频率,用字母f表示,单位为赫(Hz)。我国使用的交流电频率为50Hz,周期为0.02s。习惯上将50Hz称为工频。
5)角频率(又称角速度)。角频率是指交流电在1s内变化的电角度,用字母ω表示,单位为弧度/秒(rad/s)。
在E=Emsina中,角度a的大小反映着感应电动势的大小和方向,这种以电磁关系来计量交流电变化的角度称为电角度。周期、频率、角频率都是反映交流电变化的快慢,并称为正弦交流电的要素之二,它们之间的关系可用下列公式表示:
T=1/f
ω=2πf=2π/T
ω=a/ta=ωt
6)初相角。把线圈刚开始转动瞬时(t=0时)的相位角称为初相角,也称初相位或初相,用Ψ表示。初相角是正弦交流电的三要素之三。
7)相位差。相位差是两个同频率正弦交流电的相位之差为相位差。实际即为初相位之差。
2.三相交流电路基本知识
三相交流电路是相对单相交流电路而言的,三相交流电路在生产上的应用最为广泛。在发电和输配电方面一般都采用三相制,在用电方面最主要的负载是交流电动机。将用电器接到交流电源上组成的电路称作交流电路,接在交流电路中的用电器可分为电阻(如电阻炉、电阻器等)、电感(如感应电炉、电感线圈等)、电容(或称电容器)3种基本情况。
(1)三相交流电源
1)三相交流电源的优点。前面所讲的单相交流电路中的电源只有两根输出线,而且电源只有一个交变电动势。如果在交流电路中有几个电动势同时作用,每个电动势的大小相等,频率相同,只有初相角不同,那么就称这种电路为多相制电路。其中每一个电动势构成的电路称为多相制的一相。目前应用最为广泛的是三相制电路。其电源是由三相发电机产生的。和单相交流电相比,三相交流电具有以下优点:①三相发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率要大。②三相发电机的结构和制造不比单相发电机复杂多少,且使用、维护都较方便,运转时比单相发电机的振动要小。③在同样条件下输送同样大的功率时,特别是在远距离输电时,三相输电线比单相输电线可节约25%左右的材料。由于具有以上优点,所以三相交流电比单相交流电应用得更广泛,通常的单相交流电源多数也是从三相交流电源中获得的。
2)三相正弦电动势的产生。三相电动势一般是由发电厂中的三相交流发电机产生的。三相发电机的示意图如图4-24所示;它主要由定子和转子构成。在定子上嵌入了3个绕组,每1个绕组为一相,合称三相绕组。三相绕组的始端分别用U1、V1、W1表示,末端用U2、V2、W2表示。转子是一对磁极的电磁铁,它以匀角速度ω逆时针方向旋转。如果三相绕组的形状、尺寸、匝数均相同,则三相绕组中的感应电动势的振幅相等,频率也相同。但三个绕组在空间位置上相互隔开120°,所以感应电动势最大值出现的时间各相差三分之一周期,即在相位上互差120°。若磁感应强度沿转子表面按正弦规律分布,则在三相绕组中可以分别感应出振幅相等、频率相同、相位互差120°的三个正弦电动势,这种三相电动势称为对称三相电动势。
图4-24 三相交流发电机示意图
3)相序。三相电动势到达最大值的先后次序叫作相序。它们的相序就是U—V—W—U,称为正序。若最大值出现的次序为U—W—V—U,恰好与正序相反,称为负序或逆序。一般三相对称电动势都是指正序,工厂的供电线有时采用黄、绿、红三种颜色分别表示U、V、W三相。
(2)三相电源绕组的连接
我们知道,三相发电机具有3个电源绕组。若每个绕组各接上一个负载,就得到彼此不相关的3个独立的单相电路,构成三相六线制。用三相六线制来输电需要六根输电线,很不经济,没有实用价值。在现代供电系统中,三相发电机的三个绕组采用两种连接方式,这就是星形连接和三角形连接。
1)三相电源绕组的星形连接。将发电机三相绕组的末端U2、V2、W2连接成一个公共点的连接方式,称为星形接法或Y形接法(图4-25)。该公共点称为电源中点,以N表示。从3个始端U1、V1、W1分别引出的3根接负载的导线,称为相线或端线。从电源中点N引出一根与负载相接的导线叫作中线或零线。
图4-25 三相四线制
有中线的三相制叫作三相四线制(图4-25)。右边是它的简画法。无中线的三相制叫作三相三线制(图4-26)。
图4-26 三相三线制
每相绕组二端的电压称为相电压,相电压的正方向规定从始端指向末端。在有中线时,相电压就是各相线与中线之间的电压。两根相线之间的电压称为线电压。三相四线制可输送两种电压(线电压和相电压)。其中,线电压与相电压的数量关系为:
在日常生活和生产中,工业三相电压(俗称动力电)是380V(U线=380V),家用单相交流电(俗称民用电)的电压为220V(U相=380V)。
2)三相电源绕组的三角形连接。将三相发电机每一相绕组的末端和另一相绕组的始端依次相接的连接方式,称为三角形接法或△接法(图4-26)。采用三角形连接时,线电压等于相电压,即U线=U相。
实际上,三相发电机产生的三相电动势总可能存在微小的不对称,因而会产生一点环流。当一相绕组接反时,环流将很大,以至烧坏绕组,这是不允许的。发电机绕组一般不采用三角形接法而采用星形接法。
(3)三相负载的连接
三相电路中的负载由三部分组成,其中每一部分称为一相负载。实用中三相负载组成一个整体,例如三相交流电动机;也有由彼此独立的三个单相负载组成的三相负载,例如日常见到的照明电路。三相负载有两种连接方式,即星形连接和三角形连接。
1)三相负载的星形连接。把三相负载分别接在三相电源的一根相线和中线之间的接法称为三相负载的星形连接(图4-27)。图4-27中ZU、ZV、ZW为各负载的阻抗值,N'为负载的中性点。我们把负载两端的电压称作负载的相电压。在忽略输电线上的电压降时,负载的相电压就等于电源的相电压。三相负载的线电压就是电源的线电压。负载的相电压U相与负载的线电压U线的关系仍然是:
图4-27 三相负载的星形连接
2)三相负载的三角形连接。把三相负载分别接在三相电源每两根相线之间的接法称为三角形连接(图4-28)。在三角形连接中,由于各相负载是接在两根相线之间,因此负载的相电压就是电源的线电压,即
图4-28 三相负载的三角形连接
3)中线(零线)的作用。三相电路中应力求三相负载平衡,如三相照明电路中,应注意将照明负载平衡分接在三相中,不要全部接在某一相上。因为如果三相负载不对称,当中线存在时,各相负载的电压保持不变。但当中线断开后,负载的相电压就不相等了。阻抗较小的相电压减小,阻抗较大的相电压增高,将使电压增大的这相电器被烧坏。所以在三相负载不对称的低压供电系统中,不允许在中线上安装熔断器,而且中线常用钢丝制成,以免中线断开发生事故。当然,另一方面要力求三相负载平衡以减少中线电流。如在三相照明电路中,就应将照明的电灯平均分接在三相上,而不要全部集中接在某一相上。
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