《电工基础》教案.docx
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《电工基础》教案
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教案纸
教学过程与内容
提要与板书
§1-1电荷、库仑定律
一、电荷、电量和电荷守恒定律
带电体:
带电的物体。
使物体带电的方法:
摩擦起电:
用摩擦的方法使物体带电的过程叫做摩擦起电。
感应起电:
利用静电感应使物体带电的方法叫感应起电。
1、电荷:
带正负电的基本粒子,称为电荷,带正电的粒子叫正电荷(表示符号为“+”),带负电的粒子叫负电荷(表示符号为“﹣”)。
属性:
同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。
2、电量:
物体所带电荷的多少。
符号:
Q、q,
单位:
库仑(C)
一个电子所带的电量为基本电荷量,用e表示,e=库。
任何物体所带的电量都为基本电荷量的整数倍。
3、电荷守恒定律:
电荷不会自动产生也不会自动消灭,它们只是从一个物体转移到另一个物体,而总的电量保持不变。
二、库仑定律
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实验:
电荷之间的作用力
把一个带正电的物体放在A处,然后把一个挂在丝线下端的带正电的小球,先后挂在L1、L2、L3等位置,
带电小球受到排斥力的大小,可以通过丝线与竖直方向的偏角大小显示出来。
实验表明,带电小球在L1、L2、L3各点受到的排斥力依次减小。
由此可见,电荷之间的作用力随着距离的增大而减小。
若增加丝线下端带电小球的电量,在同一位置,小球受到的斥力也增大。
由此可知,电荷之间的作用力随着电荷所带电量的增加而增大
点电荷:
当带电体的线度(形状、大小)远小于作用距离相比可时,我们将其称为点电荷。
库仑定律:
在真空中,两个点电荷之间的作用力F的大小与两个点电荷的电量Q1和Q2乘积成正比,与它们之间的距离r的平方成反比。
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提要与板书
公式:
单位:
牛顿
K为比例恒量,K=
库仑力可以为正也可以为负,这与两个点电荷所带的正负电荷有关。
当点电荷在均匀电介质中时,它们之间的作用力只有真空中的。
表达式:
例题:
真空中有两个点电荷Q1和Q2,它们所带电量分别为,+5C和—10C,间距为30米,问,它们之间的作用力为多少?
如果把这两个点电荷移到石蜡介质中,其它参数不变,则作用又力为多少?
解:
在真空中的作用力为:
在石蜡介质中的作用力为:
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§1-2电场、电场强度
一、电场
任何电荷周围都客观存在着一种特殊物质——电场;静止电荷周围形成的电场——静电场;电场对处在它内部的电荷有作用力——电场力。
二、电场强度
检验电荷:
当一个点电荷放入电场中而不会影响原电场的性质时,我们把这个点电荷称为检验电荷。
当一个检验电荷放在由电荷Q形成的电场中的不同位置时,它所受的电场力的大小和方向也不同。
距离越近电场力越大,反之电场力越小。
在电场中某点,检验电荷受到的电场力F与它所带电量q0的比值叫做电场在该点的电场强度,简称为场强,用符号E表示
公式:
单位:
牛/库
电场强度不仅有大小而且有方向,其方向为正电荷在电场中所受电场力的方向。
例题:
一个检验电荷q0被放在一个电荷量为5库仑的点电荷所产生的电场中,求当检验电荷分别距点电荷10米、25米、
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50米时各点的电场强度。
解:
10米处的电场强度:
25米处的电场强度:
50米处的电场强度:
作业:
课后思考题
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§1-2电场、电场强度
复习:
电场:
电荷周围都客观存在着一种特殊物质——电场
静电场:
静止电荷周围形成的电场——静电场
电场力:
电场对处在它内部的电荷有作用力——电场力
电场强度:
在电场中某点,检验电荷受到的电场力F与它所带电量q0的比值叫做电场在该点的电场强度。
用符号E表示
公式:
单位:
牛/库
电场强度不仅有大小而且有方向,其方向为正电荷在电场中所受电场力的方向。
三、电力线
电力线:
为了形象地描绘电场中场强的分布情况,我们可以在电场中假设一些曲线,使曲线上每一点的切线方向都和该点的场强方向一致,这样的曲线称为电力线。
静电场中电力线的性质
1)电力线总是起自正电荷,止于负电荷;或由正电荷出发至无穷远处;或从无穷远处终止于负电荷。
电力线不闭合。
2)任何两条电力线都不相交,因为电场中每一点的场
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强只有一个方向。
3)电力线密的地方,电场强度大;电力线疏的地方,电场强度小。
四、匀强电场
匀强电场:
在电场中某一区域内,如果各点场强的大小和方向都相同,那么这个区域里的电场就叫做匀强电场。
特点:
匀强电场的电力线是疏密程度均匀而且互相平行的直线。
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§1-3电路及电路图
一、电路和电路的组成
1、电路的定义:
电流流经的路径称为电路。
2、电路的组成:
一个完整的电路应由电源、负载、导线、控制装置(开关)等组成。
如下图所示
图中灯泡即为负载。
电源:
为电路提供电能的设备。
(把其它形式的能量转换为电能,如发电机、蓄电池等)
负载:
将电能转换成其它形式能量的装置。
(如用电器等)
导线:
连接电源和负载。
(铜线或铝线)
控制装置(开关):
控制电路的接通或关断的装置。
电路有时还根据需要配置其他的辅助设备,如仪表、熔断器等。
二、电路图
把电路中的实物用统一规定的图形符号画出的电路模型称为电路图。
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如图为上图的电路图
电路图中常用的一些图形符号见书上表1-1
三、电路的三种工作状态
1、通路:
通路就是有载工作状态,即电路中电源与负载形成闭合回路,负载中有电流流过。
如上图中开关S闭合时状态。
特征:
电路中电压与电流关系满足欧姆定律关系。
2、断路:
断路也叫开路,即电源两端或电路某处断开,电路中没有电流通过,电源不向负载输送电能。
如上图中开关S断开状态
特征:
I=0,E=U
3、短路:
短路也指电源短路,即电源的两端由于某种原因而连在一起。
电源不经过负载而直接由导线构成闭合回路。
(一般不允许出现短路现象)如书上图1-9中a、b两点连在一起状态
特征:
U=0,I=ID=E/R0
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例题:
作业:
课后思考题
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§1-4电压和电位
§1-6电动势
一、电位
在物理学中知,带电体的周围存在着电场,电场对处在电场内的电荷有力的作用,当电场力f把正电荷Q从a点移到o点,电场力所做的功为Aao=f·Lao,当电荷量不同时,电场力所做的功也不同,因此规定,
1、定义:
电场力把单位正电荷从电场中的某点移到参考点所做的功称为该点的电位。
用符号V表示。
公式:
Va=Aao/Q
单位功A—J(焦耳)
电量Q—C(库仑)
电位V—V(伏特)
2、常用电位单位有千伏,毫伏,微伏等,它们之间的换算如下式:
1KV=103V
1V=103mV
13mV=103μV
电路中的每一点均有一定的电位,这就如空间的每一处均有高度一样,为了说明高度,必须要有一个计算高度的起点,当起点不同时,某处高度也就不同。
同样,为了分析电
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路中某一点电位,也必须先指定一个计算电位的起点,我们把它称为参考点,通常令参考点的电位为零,因而高于参考点的电位为正电位,低于参考点的电位为负电位。
二、电压
电压是衡量电场力做功本领大小的物理量。
在金属导体中有许多的自由电子,只有在外加电场的作用下,才能形成电流。
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
由上式可知,
1、定义:
电场力将单位正电荷从a点移到b点所做的功,称为a,b两点间的电压。
电压的单位也是伏特(V)
电压与电流的关系和水压与水流的关系有相似之处。
2、电压与电位的关系:
设电场力将单位正电荷从a点移到o点和从b点移到o所做的功分别为Aao和Abo,则A点电位和B点电位分别为
=Aao/Q, =Abo/Q
A、B两点间的电位差为−=Aao/Q−Abo/Q=Aab/Q=Uab
可见,电场中两点间的电位差就是两点间的电压。
某点与参考点间的电压就是该点的电位。
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3、电压的方向:
电压的方向是从高电位指向低电位,在电路图中一般用箭头或“+”、“-”号,或用双下标表示电压方向。
如下图所示
例题:
如图所示,已知UCO=3V,UCD=2V。
试分别以D点和O点为参考点,求各点的电位及D、O两点的电压UDO。
解:
(1)以D点为参考点,即
=0V
因为
所以
又因为
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所以
(2)以O点为参考点,即=0V
因为
所以
因为
所以
三、电压与电位的关系
从上面的计算结果可见,参考点改变,各点的电位也随着改变,各点的电位与参考点的选择有关,电位的值是相对的,与参考点的选择有关。
但不管参考点如何变化,两点间的电压是不改变的,电压的值是绝对的,与参考点的选择无关。
由式上式可知,如果
,则Uab
0,表明a点到b点的电位在降低;如果
,则Uab
0,表明a点到b点的电位在升高。
习惯规定电场力移动正电荷做功的方向为电压的实际方向,电压的实际方向也就是电位降的方向,即高电位指向低电位的方向,所以电压又称为电位降。
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四、电动势
电路中要有持续不断的电流,就必须保证电路中要有一定的电位差,而维持这种电位差依靠的是电源,我们把电源移动正电荷的能力用电动势表示。
符号为E,单位也是“V”。
电动势的大小在数值上与电源电压相等,在方向上与电压的方向相反。
(在理想状态下,而在实际电路中E
电压与电动势的区别:
1、物理意义不同,电压是电场力做功的大小,而电动势是非电场力做功的大小。
2、方向不同,电压是从高电位指向低电位即电位降方向,而电动势是从低电位指向高电位却电位升方向。
3、存在位置不同,电路中电压是无处不在,而电动势只存在于电源内部。
作业:
课后思考题
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§1-5电流
一、电流的形成及形成条件
1、电流的形成
电流是客观存在的物理现象。
金属内的自由电子或电解液内的离子在自由状态下都作无规则的自由运动,而在外加电场力的作用下,它们都将有规则在沿着一定方向运动,就形成了电流。
电流:
电荷有规则地定向运动形成电流。
2、电流形成条件:
一是导体内要有可移动的自由电子,二是导体两端存在电位差。
以水流必须有大量水分子和水位差才能形成来说明。
二、电流的大小
电流的大小与一定时间内通过导体横截面的电荷量的多少有关,在相同时间通过导体横截面的电荷量越多,就表示流过该导体的电流越强,反之就越弱。
电流的大小用电流强度(I)来表示,它在数值上等于单位时间(t=1秒钟)内通过导体横截面的电量(Q)。
公式:
I=Q/t
单位:
时间t—S(秒)
电量Q—C(库仑)
电流I—A(安培)
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除了国际单位安培外,还有常用电流单位千安,毫安,微安等,它们之间的换算如下式:
1KA=103A
1A=103mA
13mA=103μA
例题:
有一导体,6min内均匀流过横截面的电量为9库仑,问导体中的电流是多少?
解:
t=6×60=360S
I=Q/t=9/360=25mA
答:
导体中的电流为25mA
三、电流的方向
在不同的导电物质中,形成电流的运动电荷可以是正电荷,也可以是负电荷,或是两者都有。
一般规定正电荷运动的方向为电流的方向。
在金属导体中电流方向刚好与电子定向移动方向相反。
在分析或计算电路时,常要确定电流的方向,当电路较复杂,某段电路的实际电流方向难以确定时,可以先假定电流的参考方向,当求出电流为正值时,表示电流实际方向与假设的电流方向同向,如果为负值,则实际与参考是反向。
如图所示
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四、电流的分类
稳恒电流(直流):
大小和方向都不随时间变化的电流称为稳恒电流。
脉动电流:
电流方向不变,大小随时间变化的电流称为脉动电流。
交变电流(交流):
大小和方向都随时间作相应变化的电流称为交变电流。
按周期变化是否遵循正弦规律又可分为正弦交流电和非正弦交流电。
五、电流密度
电流密度就是当电流在导体的横截面上均匀分布时,该电流与导体横截面积的比值。
用字母J表示。
公式:
单位:
电流I——A,
面积S——mm2时,
电流密度J——A/mm2
例题:
某照明电路中需要通过21A的电流,问应采用多粗的
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铜导线?
(设铜导线的允许电流密度为6A/mm2)。
课堂练习:
1、一盏灯中通过的电流强度是100毫安,合多少安培?
5分钟时间通过它的电量是多少?
2、导体上两分钟内通过的电量为15库仑,求通过导体的电流是多少?
3、电流强度为2安的电流,在1小时内通过某导体的横截面,问通过的电量是多少?
作业:
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§1-7电阻与电导
一、电阻
导体对通过它的电流所呈现的阻碍作用我们把它称为电阻,也可以说电阻是反映导体对电流起阻碍作用大小的物理量。
电阻用字母“R”表示,其单位是欧姆用字母“Ω”表示。
欧姆的定义:
当导体两端的电压是1V,导体内通过的电流是1A时,这段导体的电阻就是1Ω
在各种电路中,我们常看到具有一定电阻值的电阻元器件,通常人们也称之为电阻。
常用的电阻单位还有千欧,兆欧,它们之间的换算如下式
1KΩ=103Ω
1MΩ=103KΩ=106Ω
二、电阻定律
根据欧姆的定义很多同学就误以为电阻的大小与电压、电流的大小有关,其实导体的电阻是导体本身的一种性质,它的大小不受外加电压或流过的电流大小而影响,即使导体两端没有外加电压,它的电阻仍然存在。
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实验证明,当温度一定时,均匀导体的电阻与导体长度l成正比,与导体的横截面积S成反比,并与导体的材料性质有关,即:
R=ρ·l/S
ρ是电阻率,与导体的性质有关,电阻率在一定温度下是个常数,它的大小反映了物体的导电能力,ρ越大,则电阻越大,导电能力越差,根据ρ的大小,我们可以把物体分为导体、半导体(导体能力会受到外界的影响)和绝缘体三种。
上式中,导体的长度l的单位为m,截面积S的单位为m2,导体的电阻率ρ的单位为Ω·m。
例题:
有一根截面积为1mm2的架空铜导线,从甲地通到乙地,两地间的距离为5Km,试求这根导线的电阻是多少?
(ρ=0.0175×10-6Ω·m)
解:
R=ρ·l/S=0.0175×10-6×5000/(1×10-6)=87.5(Ω)
答:
这根导线的电阻为87.5Ω。
三、电阻与温度的关系
导体的电阻不仅与材料的种类、尺寸有关,还与温度有关,有的导体对温度变化反映相当灵敏,用它制成的电阻我们称之为热敏电阻,当温度变化时,导体的电阻可能增大也
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可能减小,电阻值随温度的升高而增大的称为正温度系数热敏电阻,电阻值随温度的升高而减小的称为负温度系数热敏电阻。
四、常用电阻器
1、电阻器分类
电阻器有时也简称电阻,它分为固定电阻器和可变电阻器两类。
常用的固定电阻器有线绕电阻、薄膜电阻、实心电阻三种。
2、电阻器的主要指标
电阻器的指标是指标称阻值、允许偏差、标称功率、最高工作电压、稳定性、温度特性等,其中主要指标是标称阻值、允放偏差和标称功率。
1)标称阻值:
指标志在电阻上的电阻值。
国家规定了一系列数值作为产品的标准,如E24,E12,E6,E后的数值是这一系列电阻的数值个数,电阻阻值是每一个数值的10n倍。
2)允许偏差:
电阻器的标称阻值与实际阻值不完全相等,我们把电阻器的标称值与实际值之间的允许的误差值称为允许偏差。
设R为实际阻值,RH为标称阻值,则允许偏差的表达式为:
r=(R–RH)/RH×100%
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r表示了电阻器标称阻值的准确程度。
3)额定功率:
指在一定条件下,电阻器长期连续工作所允许消耗的最大功率,也称为标称功率。
常用小型电阻器的标称功率一般分为1/20W,1/8W,1/4W,1W。
2W等,为保证元器件或电子产品的安全,在选用电阻器时一定要考虑其额定功率。
3、电阻器的标志方法
电阻器的主要指标一般都直接标注在电阻器上,早期一般用数字或文字符号表示,后来发现这种标志法存在一定的缺陷,现在一般都采用色环标志法。
色环标志法是用黑,棕,红,橙,黄,绿,蓝,紫,灰,白等十种颜色,表示0—9十个数字,然后通过规定色环在不同位置的不同含义,来说明不同的电阻值。
现在常用的色环有四色环(普通电阻)标志法和五色环(精密电阻)标志法,其中各环含义如下:
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4、电阻器的选用
在一般场合下,主要是根据阻值、额定功率、允许偏差的要求来选择适合的电阻器。
就是说,电阻的标称阻值应和电路要求相符,额定功率应该是电阻器在电路中实际消耗的功率的1.5-2倍,允许偏差在要求的范围之内。
五、电导
电导:
指电阻的倒数,用符号G表示。
G=1/R
单位:
西门子(S)
G越大导电性能越强,G越小导电性能越弱。
注:
电阻和电导是导体同一性质的不同表示方法,不是导体在本质上有什么变化。
作业:
课后思虑题
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§1-8欧姆定律
一、部分电路欧姆定律
1、部分电路:
指只含有负载而不含有电源的一段电路。
如下图示
当在电阻两端加上一定电压时,电阻上就有相应的电流流过。
2、欧姆定律:
1927年德国物理学家欧姆在实验中发现:
流过电阻器的电流I,与电阻两端的电压U成正比,与电阻R成反比。
3、公式:
I=U/R
欧姆定律揭示了电路中电压、电流与电阻三者之间的关系,应用非常广泛。
根据欧姆定律,我们又可以得到两个相关公式:
U=IR,R=U/I。
4、例题
1)、有一电阻,当加在它两端的电压是10V时,流过这一电阻的电流为0.5A,求电阻的阻值。
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解:
由I=U/R
可得:
R=U/I=10/0.5=20(Ω)
答:
所求的电阻值为20Ω
2)、有一个量程为300V的电压表,它的内阻是40KΩ,用它测量电压时,允许通过的最大电流是多少?
解:
电压表的内阻是一固定值,当它所测量的电压值越大,通过它的电流也越大,因此被测电压达到300V时,流过的电流电大。
故:
I=U/R=300/40×103=0.0075(A)=7.5(mA)
答:
流过电流表的电流最大为7.5mA。
考虑:
根据欧姆定律的演变得到R=U/I表达式,是否可以说明,在一段导体上所加的电压越大,这段导体的电阻就越大,为什么?
二、电压、电流关系曲线
如果以电流为横坐标,电压为纵坐标,可画出电阻的电压与电流之间的关系曲线,称为此电阻的电压、电流关系曲线。
电阻的电压、电流关系曲线是直线时,该电阻称为线性电阻,其电阻值R是个常数。
三、全电路欧姆定律
1、全电路:
指含有电源的闭合电路。
如下图示
内电路:
电源内部的电路
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外电路:
电源外部的电路
内电阻:
电源内部的电阻r或RO
外电阻:
电源外部的电阻R
如上图中,当开关S闭合时,在电动势E的作用下,负载R上就有电流流过,这时电阻两端电压U也是电源的端电压。
E和U的关系:
当开关S断开时,电源端电压在数值上等于电源的电动势,方向相反。
当开关S闭合时,由于电源存在内阻,当电流流过电源时,内阻上产生了压降,UO=I×RO,所以,电源端电压小于电源电动势,即:
U=E−UO
IR=E−IRO
I=E/(R+RO)
2、定义:
闭合电路中的电流与电源的电动势成正比,与电路的总电阻(内电路电阻与外电路电阻之和)成反比。
例题:
电源的电动势E为3V,内阻RO为0.4Ω,负载电阻R为9.6Ω,求电源端电压U和内压降UO。
解:
据全电路欧姆定律求得电路电流
I=E/(R+RO)=3/(0.4+9.6)=0.3(A)
内压降为:
UO=IRO=0.3×0.4=0.12(V)
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外电压为:
U=E−UO=3−0.12=2.88(V)
或:
U=IR=0.3×9.6=2.88(V)
答:
电源的端电压为2.88V,内压降为0.12V。
课堂练习:
已知电池的开路电压E为1.5V,接上9Ω电阻时,其端电压为1.35V,求电池的内电阻RO。
四、电源的外特性:
电源外特性:
指电源端电压随负载电流变化的关系特性。
根据外特性画的曲线我们称为外特性曲线。
如下图示
五、全电路欧姆定律的应用
分析下图中,电路在三种不同状态下,电源端电压与输出电流之间的关系。
1、通路状态
当开关SA置于“3”时,电路
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