汽車(chē)電工電子根底

劉超第一章直流電路第一節(jié)直流電路的根本概念一、電路和電路圖1.電路電路是電流流過(guò)的路徑。復(fù)雜電路呈網(wǎng)狀,所以電路又稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)。電路是由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三局部構(gòu)成的。電源是給電路提供電能或信號(hào)的器件;負(fù)載是電路中吸收電能或輸出信號(hào)的器件;中間環(huán)節(jié)那么根據(jù)電路作用、需要而不同,通常由起引導(dǎo)和控制或測(cè)量作用的器件構(gòu)成。

內(nèi)電路和外電路：對(duì)電源來(lái)講,負(fù)載和中間環(huán)節(jié)稱(chēng)做外電路,電源內(nèi)部的電路稱(chēng)做內(nèi)電路。

2.電路圖實(shí)際電氣設(shè)備的安裝和維修都是依據(jù)電原理圖進(jìn)行的,很少使用實(shí)物接線(xiàn)圖。電原理圖也簡(jiǎn)稱(chēng)為電路圖,是指將實(shí)際電路中的各器件用規(guī)定的圖形符號(hào)表示之后所畫(huà)出的圖。如下圖。3.汽車(chē)電路的單線(xiàn)在汽車(chē)上,為了節(jié)省導(dǎo)線(xiàn)和便于安裝、維修,電源和用電器之間通常只用一根導(dǎo)線(xiàn)連接,另一根導(dǎo)線(xiàn)那么由車(chē)體的金屬局部代替而構(gòu)成回路。這種連接方式稱(chēng)為單線(xiàn)制,。采用單線(xiàn)制時(shí),汽車(chē)電源(是蓄電池)的一端接到車(chē)體上,稱(chēng)為搭鐵,用符號(hào)⊥表示。按電源搭鐵的極性可分為正接地和負(fù)接地。由于負(fù)極搭鐵時(shí)對(duì)無(wú)線(xiàn)電干擾較小,對(duì)車(chē)架或車(chē)身化學(xué)腐蝕較輕,所以世界各國(guó)的汽車(chē)多采用負(fù)極搭鐵,如下圖。常用電工圖形符號(hào)二、電路的根本物理量1.電流電流是電荷定向移動(dòng)形成的。習(xí)慣上把正電荷定向移動(dòng)的方向規(guī)定為電流方向。因此,自由電子和負(fù)離子移動(dòng)的方向與電流方向相反。根據(jù)電流的變化可將電流分為直流電流和交流電流。大小隨時(shí)間變化、方向不變的電流稱(chēng)直流電流,其中大小、方向都不變的稱(chēng)恒定電流,簡(jiǎn)稱(chēng)直流(DC),如不特別說(shuō)明,本書(shū)所說(shuō)的直流電均指恒定電流,用字母I表示。大小和方向都隨時(shí)間變化的電流稱(chēng)為交流電流,用字母i表示，發(fā)出的交流電都是隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的正弦交流電。不同用電器的電流大小是不一樣的。電流大小也簡(jiǎn)稱(chēng)為電流,是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量。如果時(shí)間t內(nèi)勻速流過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量為Q,那么電流是恒定的,大小為I=Q/t〔P4〕電路較復(fù)雜時(shí),電流的實(shí)際方向很難判定。為此,在分析與計(jì)算電路時(shí),常常可事先任意選定某一方向作為電流的參考方向,也稱(chēng)為正方向。當(dāng)實(shí)際方向與選擇的參考方向一致時(shí),參考方向下的電流值為正數(shù),如右以下圖所示;當(dāng)實(shí)際方向與參考方向相反時(shí),參考方向下的電流值為負(fù)數(shù),如左圖所示。例：如下圖方框?yàn)槟骋煌飞系囊环N用電器件,試分析:(1)假設(shè)該器件上的電流是從a到b,大小為1A,那么圖中電流I等于多少?(2)假設(shè)該器件上的電流是從b到a,大小為1A,那么圖中電流I又等于多少?例：在圖電路中,I1、I2分別等于多少?2.電壓

電路中A、B兩點(diǎn)間的電壓是指單位正電荷在電場(chǎng)力作

用下由A點(diǎn)移到B點(diǎn)時(shí),電場(chǎng)力所做的功。電壓用字母u或U表示,那么

uAB=WAB/Q

式中WAB———正電荷Q移動(dòng)過(guò)程中能量的減少量。

電壓的方向是正電荷在電場(chǎng)中的受力方向。例如對(duì)電源而言,電壓的方向是從電源正極到電源負(fù)極。

電壓的分類(lèi)與電流一樣,通常所說(shuō)的直流電壓均指恒定電壓,用字母U表示,交流電壓是指正弦交流電壓,用u表示。

電壓的國(guó)際單位制單位是V(伏特)。通常使用的單位還有MV(兆伏)、kV(千伏)、mV(毫伏)、μV(微伏)等。為分析電路方便,通常在分析電壓之前先選定電壓的參考方向,原那么上可任意選,但假設(shè)實(shí)際電壓方向,那么參考方向應(yīng)盡量與實(shí)際方向一致;假設(shè)電流的參考方向,那么電壓的參考方向的選擇最好與電流的參考方向一致,稱(chēng)關(guān)聯(lián)參考方向。電壓、電流參考方向不一致時(shí)稱(chēng)非關(guān)聯(lián)參考方向。在電路分析中,所標(biāo)的電壓方向均為參考方向,表示方法有:(1)用雙下標(biāo)表示:uab,a到b的電壓。(2)用“+〞、“-〞極性表示,電壓從正極性端到負(fù)極性端。例假設(shè)圖示電阻的電壓從a到b,大小是1V,那么U1=?,U2=?,Uba=?3.電位電位是一個(gè)相對(duì)的概念,分析電位時(shí)必須先選定一個(gè)參考點(diǎn)。參考點(diǎn)用字母“o〞表示,在電路中用⊥符號(hào)表示,原那么上可任意選取,但習(xí)慣上選接地點(diǎn)或接機(jī)殼點(diǎn)或電路中連線(xiàn)最多的點(diǎn)作為參考點(diǎn)。電路中某一點(diǎn)的電位就是該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓,用字母V表示?？梢?jiàn),電位的單位與電壓一樣,也是V。圖中a點(diǎn)的電位為Va=Uao或Va=Uao參考點(diǎn)本身的電位顯然為零,所以參考點(diǎn)又叫零電位點(diǎn)。如果a、b兩點(diǎn)的電位分別為Va、Vb,那么a、b兩點(diǎn)間的電壓為Uab=Uao+Uob=Uao-Ubo=Va–Vb即:兩點(diǎn)間的電壓等于這兩點(diǎn)的電位的差,所以電壓又叫電位差。4.電動(dòng)勢(shì)電流通路中,電場(chǎng)力總是使正電荷從高電位處經(jīng)外電路移向低電位處,而在電源內(nèi)部有一種電源力,正電荷在它的作用下,從低電位處經(jīng)電源內(nèi)部移向高電位處,從而保持電荷運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性。汽車(chē)上使用的鉛蓄電池內(nèi)部的電源力是由化學(xué)作用產(chǎn)生的,發(fā)電機(jī)中的電源力是由電磁作用產(chǎn)生的。(1)汽車(chē)用鉛蓄電池鉛蓄電池的兩個(gè)電極板分別接在直流電源的正負(fù)極上時(shí),一個(gè)極板得到電子成為負(fù)極,另一個(gè)極板失去電子成為正極。此過(guò)程中,電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,儲(chǔ)存在鉛蓄電池中,該過(guò)程稱(chēng)為充電。使用蓄電池時(shí),兩極板與負(fù)載相連,將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,負(fù)載中形成電流,該過(guò)程稱(chēng)為放電。(2)電動(dòng)勢(shì)的大小電動(dòng)勢(shì)是指電源力將單位正電荷從電源負(fù)極經(jīng)電源內(nèi)部移到電源正極所做的功,用字母E或e表示,方向規(guī)定為從電源負(fù)極到正極。假設(shè)所做的功為W,那么有E=W/Q(3)電動(dòng)勢(shì)的方向電源電壓方向是從正極到負(fù)極,電動(dòng)勢(shì)的方向是從負(fù)極到正極,所以當(dāng)電源斷路時(shí)電源的電動(dòng)勢(shì)與電壓大小相等,方向相反。5.電功率電路傳送或轉(zhuǎn)換電能的速率叫做電功率,簡(jiǎn)稱(chēng)為功率(power),用P或p表示。習(xí)慣上,把發(fā)出或吸收電能說(shuō)成發(fā)出或吸收功率。分析電路的功率時(shí),當(dāng)電路的電流、電壓選擇關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),用公式P=UI或p=ui來(lái)計(jì)算。當(dāng)電路的電流、電壓選擇非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),用公式P=-UI或p=-ui限定的電壓值叫做電氣設(shè)備的額定電壓,用UN表示。電氣設(shè)備的額定電流和額定電壓的乘積就等于它的額定功率,用PN表示。一個(gè)電路中,每一瞬間,吸收電能的各元件功率的總和等于發(fā)出電能的各元件功率的總和。或者說(shuō),所有元件吸收的功率總和為零,符合能量守恒定律,稱(chēng)“電路的功率平衡〞。例：在圖a中,假設(shè)Iab=1A,試求該元件的功率;(2)在圖b中,假設(shè)Iab=1A,試求該元件的功率;(3)在圖c中,假設(shè)元件發(fā)出功率6W,試求電流。三、電路的三種狀態(tài)

1.通路通路是指電源與負(fù)載構(gòu)成了閉合回路,電流從電源出發(fā),經(jīng)過(guò)負(fù)載后回到電源的狀態(tài)。通路狀態(tài)根據(jù)負(fù)載大小可分為以下三種情況:(1)輕載:負(fù)載低于額定功率下的工作狀態(tài)。

(2)滿(mǎn)載:負(fù)載在額定功率下的工作狀態(tài)。

(3)過(guò)載:負(fù)載在高于額定功率下的工作狀態(tài),又叫超載。顯然,輕載沒(méi)有充分利用負(fù)載設(shè)備,過(guò)載容易燒壞電器設(shè)備,前者尚可使用,后者一般不允許長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)。

2.斷路(開(kāi)路)

斷路又稱(chēng)開(kāi)路,是指電源與負(fù)載沒(méi)有接成閉合通路,電路中沒(méi)有電流的狀態(tài)。斷路可以分為控制性斷路和故障性斷路。

3.短路短路是指電流從電源出發(fā),不經(jīng)負(fù)載而經(jīng)導(dǎo)體直接回到電源的狀態(tài)。第二節(jié)簡(jiǎn)單電路一、電阻物體對(duì)電流的阻礙作用叫做電阻作用。電阻是表示物體電阻作用大小的一個(gè)物理量,用字母R或r表示。電阻的單位是Ω(歐姆)。常用的電阻單位還有kΩ(千歐)、MΩ(兆歐)等。電阻的倒數(shù)叫電導(dǎo),用字母G表示,即G=1R。電導(dǎo)的單位為S(西門(mén)子)。電阻反映了導(dǎo)體的導(dǎo)電能力,是導(dǎo)體的客觀(guān)屬性,它的大小與導(dǎo)體的材料、長(zhǎng)度以及導(dǎo)體橫截面面積有關(guān),還與導(dǎo)體所處的環(huán)境溫度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明,在一定溫度下,導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比,與導(dǎo)體的橫截面面積成反比,即

R=ρL/S式中L—導(dǎo)體的長(zhǎng)度,m;S—導(dǎo)體的橫截面面積,m2;ρ—反映導(dǎo)體材料性質(zhì)的物理量,叫電阻率,Ω·m;R———導(dǎo)體的電阻,Ω。二、歐姆定律德國(guó)物理學(xué)家歐姆于1827年在大量實(shí)驗(yàn)的根底上總結(jié)出關(guān)于電壓、電流和電阻三者關(guān)系的定律,稱(chēng)歐姆定律,應(yīng)用于計(jì)算電路中的電壓、電流和電阻三個(gè)物理量。1.局部電路歐姆定律不含電源的一段電路稱(chēng)為局部電路。實(shí)驗(yàn)證明:在一段電路中,通過(guò)電路的電流大小與這段電路兩端的電壓大小成正比,與這段電路的電阻值成反比。電流流過(guò)電阻時(shí),將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量,所以電阻上的電壓與電流的方向總是一致的。當(dāng)電阻電壓、電流選擇關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),歐姆定律表達(dá)式為I=U/R或U=IR當(dāng)電阻電壓、電流選擇非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí),歐姆定律表達(dá)式為I=-U/R或U=-RI例:列出圖所示各電路的電壓、電流關(guān)系式,并求R。2.全電路歐姆定律一個(gè)含有電源的閉合電路稱(chēng)為全電路,如下圖,圖中點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)框內(nèi)為電源內(nèi)電路,r為電源的內(nèi)電阻。實(shí)驗(yàn)證明:在全電路中,通過(guò)電路的電流與電源電動(dòng)勢(shì)的大小成正比,與電路的總電阻成反比,這就是全電路歐姆定律,用公式表示為I=E/(R+r)(1-13)式中E———電源的電動(dòng)勢(shì),V;R———外電路電阻,Ω;r———內(nèi)電路電阻,Ω;I———電路中的電流,A。由式得E=RI+rI=U+Ur式中,U為外電路的電壓降,也稱(chēng)路端電壓;Ur為內(nèi)電路電壓降,也稱(chēng)內(nèi)阻壓降。所以,電源的電動(dòng)勢(shì)等于端電壓與內(nèi)阻壓降之和。

3.電源的外特性電源的外特性就是電源的端電壓U與電流I的關(guān)系。

U=E-Ur=E-rI

式中,I=E/(R+r)。對(duì)于給定的電源,E和r是不變的。當(dāng)負(fù)載電阻R→∞時(shí)(相當(dāng)于電路斷路),I=0,U=E,即電源的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于開(kāi)路電壓。人們利用這一特性,用電壓表來(lái)簡(jiǎn)單測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)負(fù)載電阻R變小時(shí),引起電流I變大,內(nèi)阻r的電壓降也變大,端電壓U就跟著變小,其變化規(guī)律如圖1-16所示,稱(chēng)電源的外特性曲線(xiàn)。當(dāng)負(fù)載電阻R=0時(shí)(即短路),I=Er。由于電源的內(nèi)阻一般都很小,因而電路的電流比正常工作電流大很多,如果沒(méi)有熔斷器,會(huì)導(dǎo)致電源和導(dǎo)線(xiàn)燒壞。三、電流的熱效應(yīng)———焦耳定律當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體(或用電器)時(shí),由于電阻的存在,會(huì)產(chǎn)生熱量,稱(chēng)電流的熱效應(yīng)。選擇電壓、電流參考方向后,電阻功率的計(jì)算公式為

P=I2R=U2/R或p=i2R=u2/R

導(dǎo)體(用電器)在時(shí)間t內(nèi)產(chǎn)生的熱量為

Q=Pt=I2Rt或q=pt=i2Rt

英國(guó)物理學(xué)家焦耳通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明:電流通過(guò)導(dǎo)體(或用電器)時(shí)產(chǎn)生的熱量Q與電流I的平方、導(dǎo)體(用電器)的電阻R以及通電時(shí)間t成正比,這一結(jié)論稱(chēng)為焦耳定律。熱量的單位是J(焦耳)。四、電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)電路1.電阻的串聯(lián)電路幾個(gè)電阻首尾順序相連,引出兩接線(xiàn)端,中間無(wú)分支,稱(chēng)這幾個(gè)電阻串聯(lián)。常用符號(hào)“+〞表示電阻的串聯(lián)。串聯(lián)電路有以下特點(diǎn):(1)流過(guò)每個(gè)電阻的電流相等,并等于總電流,即I=I1=I2=…=In(1-18)(2)電路兩端的總電壓等于各電阻兩端的分電壓之和,即U=U1+U2+…+Un(1-19)(3)電路的總電阻(等效電阻)等于各電阻之和,即R=R1+R2+…+Rn(1-20)(4)每個(gè)電阻上分配到的電壓與電阻成正比,即U1/R1=U2/R2=…=Un/Rn=U/R=I由上式可得到電阻串聯(lián)的分壓公式:Ui=Ri/RU=Ri/(R1+R2+…+Rn)U式中Ri(R1+R2+…+Rn)稱(chēng)為分壓系數(shù),i=1,2,3,…,n。例:有一表頭,滿(mǎn)刻度電流Iα=50μA(即允許通過(guò)的最大電流),內(nèi)阻Rα=3kΩ?，F(xiàn)需擴(kuò)展其量程,如下圖。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA置于a點(diǎn)時(shí),其量程擴(kuò)展為10V,當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA置于b點(diǎn)時(shí),其量程擴(kuò)展為50V,問(wèn)擴(kuò)展量程所串的電阻Ra、Rb分別為多少?例:在圖所示的分壓器中輸入電壓Ui=12V,R1=350Ω,R2=550Ω,RW

=270Ω,試求輸出電壓Uo的變化范圍。2.電阻的并聯(lián)電路幾個(gè)電阻的首、尾接在相同兩點(diǎn)之間所構(gòu)成的電路叫并聯(lián)電路。常用符號(hào)“∥〞表示電阻的并聯(lián)。圖所示為三個(gè)電阻并聯(lián)的電路,可表示為“R1∥R2∥R3〞。并聯(lián)電路有以下特點(diǎn):(1)并聯(lián)電阻兩端的電壓相等,并等于總電壓,即U=U1=U2=…=Un

(2)總電流等于各電阻分電流之和,即I=I1+I2+…+In

(3)電路的總電阻(等效電阻)的倒數(shù)等于各分電阻倒數(shù)之和,即IR=I/R1+I/R2+…+I/Rn如果只有兩個(gè)電阻并聯(lián)R=R1R2/(R1+R2)如果有n個(gè)阻值相等的電阻并聯(lián)R=Ro/n(4)每個(gè)電阻分配到的電流與電阻成反比,即I1R1=I2R2=…=InRn=IR=U例:有一表頭,滿(mǎn)刻度電流Iα=100μA(通過(guò)的最大電流),內(nèi)阻Rα=1kΩ?，F(xiàn)需擴(kuò)展其量程,如下圖。假設(shè)要改變成量程為10mA、50mA的電流表,應(yīng)并聯(lián)多大的電阻Ra、Rb?3.電阻的混聯(lián)電路電路中既有電阻的串聯(lián)又有電阻的并聯(lián),叫做電阻的混聯(lián)電路。分析混聯(lián)電路,必須先搞清楚混聯(lián)電路中各電阻之間的連接關(guān)系,然后應(yīng)用串并聯(lián)電路的特點(diǎn),求出各單純的串聯(lián)和并聯(lián)局部的等效電阻,最后求出電路的總電阻。畫(huà)等效電路圖的方法是:(1)用字母將各電阻連接點(diǎn)標(biāo)出,相同的點(diǎn)用同一字母。(2)將各字母依次排開(kāi),端點(diǎn)字母在兩端。(3)畫(huà)出各字母間的電阻,得到等效電路圖。例：在圖電路中,R1=2Ω,R2=R3=R4=R5=4Ω,UAB=6V,求通過(guò)R4的電流I4例:求圖所示混聯(lián)電路的等效電阻。R1=R8=5Ω,R2=2Ω,R3=16Ω,R4=40Ω,R6=60Ω,R5=R7=R9=10Ω。第三節(jié)復(fù)雜電路一、電路的有關(guān)術(shù)語(yǔ)在引入基爾霍夫定律之前,先介紹幾個(gè)常用的電路術(shù)語(yǔ)。(1)支路:電路中每一段不分支的電路,稱(chēng)一條支路,如下圖電路中有三條支路:acb、adb、ab。(2)結(jié)點(diǎn):電路中支路的交點(diǎn),如下圖電路中有兩個(gè)結(jié)點(diǎn):a與b。(3)回路:電路中由支路組成的閉合路徑稱(chēng)回路,如下圖電路中有三個(gè)回路:adba、abca、adbca。(4)網(wǎng)孔:回路內(nèi)部不含支路的回路,稱(chēng)為網(wǎng)孔,即一個(gè)“窟窿〞為一個(gè)網(wǎng)孔。如下圖電路中有兩個(gè)網(wǎng)孔:abca、adba。二、基爾霍夫定律

1.基爾霍夫電流定律表達(dá)式為ΣIi=ΣIo

又可寫(xiě)成ΣI=0

它也可描述為:任一時(shí)刻,電路任一結(jié)點(diǎn)所連各支路電流的代數(shù)和為零。列KCL方程的步驟為:(1)找出結(jié)點(diǎn)所連支路;(2)標(biāo)出各支路電流參考方向;(3)列出方程。2.基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff′sVoltageLaw),簡(jiǎn)寫(xiě)為KVL,又叫基爾霍夫第二定律。其內(nèi)容為:電路中任一回路,在任一時(shí)刻,組成該回路的各支路的電壓的代數(shù)和為零,即ΣU=0該方程稱(chēng)為KVL方程,又叫回路電壓方程。列KVL方程的步驟為:(1)找出組成回路的各支路及支路上的元件;(2)標(biāo)出各元件電壓參考方向;(3)從回路上任一點(diǎn)出發(fā),沿回路“走〞回到這一點(diǎn)(又稱(chēng)繞行),對(duì)所經(jīng)元件的電壓求代數(shù)和,電壓標(biāo)向與繞行方向一致時(shí),該電壓為正,否那么為負(fù);(4)列出方程,令(3)中的代數(shù)和等于零?；芈穉bca的KVL方程為:U3-E1+U1=0。三、支路電流法以圖所示電路為例,說(shuō)明如何建立支路電流法方程。圖示電路中有4個(gè)結(jié)點(diǎn),6條支路,7個(gè)回路,3個(gè)網(wǎng)孔,要求的未知數(shù)是支路電流,所以未知數(shù)有6個(gè):I1～I(xiàn)6,如下圖,因此需要列6個(gè)方程組成方程組,聯(lián)立才能求得。列KCL方程:結(jié)點(diǎn)a:I1+I2-I4=0結(jié)點(diǎn)b:I3+I4-I5=0結(jié)點(diǎn)c:-I6-I1+I5=0結(jié)點(diǎn)d:-I2-I3+I6=0如把上述四個(gè)方程相加,可得到0=0的關(guān)系,可見(jiàn)這四個(gè)方程中任一個(gè)方程都可由其他三個(gè)推出。上述四個(gè)方程中可采用三個(gè)方程,那么要求出I1～I(xiàn)6,還需要列三個(gè)方程。列7個(gè)回路的KVL方程,因未知數(shù)是支路電流,所以用支路電流表示電阻電壓。

abca:R4I4+R5I5+R1I1-E1=0adba:E2-R2I2+R3I3-E3-R4I4=0bdcb:E3-R3I3-R6I6-R5I5=0abdca:R4I4+E3-R3I3-R6I6+R1I1-E1=0adbca:E2-R2I2+R3I3-E3+R5I5+R1I1-E1=0adcba:E2-R2I2-R6I6-R5I5-R4I4=0adca:E2-R2I2-R6I6+R1I1-E1=0

以上七個(gè)方程也是非獨(dú)立方程,只需從中選取三個(gè)獨(dú)立方程即可。結(jié)論:平面電路中,網(wǎng)孔數(shù)=支路數(shù)-(結(jié)點(diǎn)數(shù)-1),而網(wǎng)孔的KVL方程一定獨(dú)立,所以只需列網(wǎng)孔的KVL方程即可。例:圖中,E1=5V,r1=1Ω,E2=9V,r2=6Ω,R2=2Ω,R1=3Ω,求各支路電流。四、戴維寧定理任何具有兩個(gè)引出端的局部電路叫二端網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)在這局部電路中含有電源,就叫有源二端網(wǎng)絡(luò),反之叫無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò),如下圖。

任何有源二端網(wǎng)絡(luò)(圖a),都可以用一個(gè)具有電動(dòng)勢(shì)E0和內(nèi)電阻r0的等效電源來(lái)代替(圖b),而其中E0等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)兩端間的開(kāi)路電壓U0(圖c),而r0等于該有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有電動(dòng)勢(shì)等于零時(shí)網(wǎng)絡(luò)兩端點(diǎn)間的等效電阻(圖d)。這就是戴維寧定理,又叫等效電壓源定理。例:在圖所示的電路中,E=100V,R1=R3=10Ω,R2=5Ω,R4=15Ω,求通過(guò)負(fù)載電阻R4的電流。例:在圖1-30a所示的電橋電路中,R1=10Ω,R2=2.5Ω,R3=5Ω,R4=20Ω,E=12.5V(內(nèi)阻不計(jì)),求R=69Ω時(shí)的電流大小及方向。一、電容器的電容量1.電容器的概念電容器是由被絕緣物質(zhì)隔開(kāi)而又相互靠近的兩個(gè)導(dǎo)體組合而形成的,用以?xún)?chǔ)存和容納電荷,也簡(jiǎn)稱(chēng)為電容。兩個(gè)導(dǎo)體叫電容器的極板,用導(dǎo)線(xiàn)引出,中間的絕緣物質(zhì)叫電介質(zhì)。常見(jiàn)的電介質(zhì)有空氣、蠟紙和云母等,如下圖。電容器最根本的特性是能夠儲(chǔ)存電荷,當(dāng)電容器極板上有電荷積聚時(shí),兩極板間就建立電場(chǎng),產(chǎn)生電壓。不同的電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)是不一樣的。對(duì)給定的電容器,它儲(chǔ)存電荷的電量Q與其建立電場(chǎng)所產(chǎn)生的電壓U的比值是一個(gè)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)既反映了電容器儲(chǔ)存電荷、維持電壓的物理性質(zhì),同時(shí)又表征了電容器儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)。把這個(gè)常數(shù)定義為電容器的電容量,簡(jiǎn)稱(chēng)電容,用符號(hào)“C〞表示。即C=Q/U式中Q———極板上的電荷量,C(庫(kù));U———兩極板間的電壓,V;C———電容器的電容量,F(法)。2.平行板電容器實(shí)際上,一個(gè)電容器的電容大小僅決定于其結(jié)構(gòu)(極板形狀大小和相對(duì)位置)與中間絕緣介質(zhì)的性質(zhì)。如平行板電容器,其電容為

C=εS/d

式中S———兩極板的相對(duì)有效面積,m2;d———兩極板間的距離,m;ε———介電常數(shù),由介質(zhì)性質(zhì)決定,F/m。上式的意義是:極板的相對(duì)有效面積越大,在相同電壓作用下能容納的電荷越多,電容也就越大;極板間距離越小,兩極板的靜電引力越大,于是極板能吸附更多的電荷,所以電容就越大。二、電容器的充電和放電1.電容器的充電如下圖,當(dāng)開(kāi)關(guān)SA接“1〞時(shí),電容器處于充電狀態(tài)。其物理過(guò)程為:SA接通“1〞瞬間,電容器上還未積聚電荷,uC=0,充電電流i=E/R為最大。隨著充電的繼續(xù),uC逐漸增大,i逐漸減小,當(dāng)uC=E時(shí),i=0,充電結(jié)束。如圖1-33所示為充電曲線(xiàn)。這時(shí),電容器將電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能的過(guò)程也結(jié)束,電路中不再有電流通過(guò)。這就是電容的隔直作用。2.電容器的放電充電結(jié)束后,在圖中,把開(kāi)關(guān)SA接“2〞,電容器處于放電狀態(tài)。其物理過(guò)程為:SA接通“2〞瞬間,電容器放電,放電電流與充電電流方向相反,且i=uC/R=E/R為最大。隨著放電的圖電容器放電時(shí)uC與i的變化曲線(xiàn)圖繼續(xù),uC逐漸下降,i也逐漸減小,當(dāng)uC=0時(shí)電容器中所儲(chǔ)存的電場(chǎng)能全部釋放完,這時(shí)i=0,放電結(jié)束。如下圖,圖中電流畫(huà)在縱軸的負(fù)半軸,是考慮到放電電流方向與充電電流方向相反。這時(shí),電容器將儲(chǔ)存的電場(chǎng)能釋放給電阻R而消耗。三、電容器的種類(lèi)和選用第二章電磁現(xiàn)象及其應(yīng)用第一節(jié)磁的根底知識(shí)一、電流的磁場(chǎng)組成一切物質(zhì)的分子是一個(gè)個(gè)的小環(huán)形電流,物質(zhì)被磁化后,分子環(huán)流規(guī)那么排列,從而對(duì)外產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)方向規(guī)定為:小磁針的N極在磁場(chǎng)中任一點(diǎn)所指的方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場(chǎng)方向。在研究磁場(chǎng)時(shí)引入磁感線(xiàn)來(lái)形象地描繪磁場(chǎng)分布,磁感線(xiàn)在任一點(diǎn)的切線(xiàn)方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場(chǎng)方向。1.磁場(chǎng)的特性(1)磁場(chǎng)對(duì)處在場(chǎng)內(nèi)的另一載流導(dǎo)體或鐵磁物質(zhì)有力的作用,并能在對(duì)磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(2)磁場(chǎng)具有能量。

2.通電直導(dǎo)線(xiàn)和通電線(xiàn)圈的磁場(chǎng)對(duì)于載流導(dǎo)線(xiàn)所激發(fā)的磁場(chǎng),電流及其磁場(chǎng)之間的方向關(guān)系可用右手螺旋定那么來(lái)判斷,即將右手拇指指向電流方向,而彎曲的四指指向就是磁場(chǎng)方向,如圖a所示。對(duì)于載流線(xiàn)圈所激發(fā)的磁場(chǎng),電流及其磁場(chǎng)也滿(mǎn)足右手螺旋定那么,即右手握住線(xiàn)圈,使彎曲的四指指向與線(xiàn)圈中電流的方向一致,那么拇指指向即是線(xiàn)圈內(nèi)的磁場(chǎng)方向。規(guī)定磁感線(xiàn)從線(xiàn)圈出來(lái)的一端是N極,磁感線(xiàn)進(jìn)入線(xiàn)圈的一端為S極,如圖b所示。二、磁場(chǎng)的根本物理量1.磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁通(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示空間某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱與方向的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向即為磁場(chǎng)各點(diǎn)的磁場(chǎng)方向,其大小等于與磁感線(xiàn)方向垂直的載有單位電流、單位長(zhǎng)度的直導(dǎo)線(xiàn)在該點(diǎn)受到的電磁力,并有B=ΔF/IδL假設(shè)在磁場(chǎng)的各個(gè)點(diǎn)上,載流導(dǎo)體受到的電磁力ΔF大小相等,方向相同,那么說(shuō)明磁場(chǎng)中各點(diǎn)的強(qiáng)弱程度相同,亦即磁感應(yīng)強(qiáng)度相同,這樣的磁場(chǎng)稱(chēng)為均勻磁場(chǎng)。對(duì)于均勻磁場(chǎng),可用疏密均勻、方向相同的磁感線(xiàn)表示。(2)磁通Φ在均勻磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的某一面積的乘積稱(chēng)為磁通:磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱(chēng)為磁通密度。2.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率μ表示物質(zhì)的導(dǎo)磁性能,其單位是H/m(亨/米)。三、鐵磁材料

1.鐵磁材料的磁性能將線(xiàn)圈繞在鐵磁材料上并通入直流電流(勵(lì)磁電流)就會(huì)產(chǎn)生很大的磁場(chǎng),這個(gè)過(guò)程叫鐵磁材料的磁化。鐵磁材料在磁化過(guò)程中表現(xiàn)出如下特性:(1)高導(dǎo)磁性

(2)剩磁性

(3)磁飽和性

(4)磁滯性

2.鐵磁材料的分類(lèi)根據(jù)鐵磁材料的磁性能,常把鐵磁材料分為兩類(lèi):(1)軟磁性材料

(2)硬磁性材料第二節(jié)電磁鐵和繼電器一、電磁鐵1.電磁鐵的作用和分類(lèi)電磁鐵是利用通電的鐵心線(xiàn)圈吸引銜鐵或保持某種機(jī)械零件、工件于固定位置的一種電器。電磁鐵可分為線(xiàn)圈、鐵心及銜鐵三局部。它的結(jié)構(gòu)形式通常有如圖所示幾種。2.直流電磁鐵的工作原理在圖所示電磁鐵的線(xiàn)圈兩端加以直流電壓U,那么鐵心線(xiàn)圈通電電流為I時(shí),電磁鐵的吸力為F=107SB2/8π式中F———磁鐵吸力,N;B———?dú)庀短幍拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度,T;S———鐵心與銜鐵吸合處的橫截面積,m2。

二、繼電器

1.繼電器的作用和分類(lèi)用來(lái)改變控制電路的工作狀態(tài),按照預(yù)先設(shè)計(jì)的控制程序完成預(yù)定的控制任務(wù),也可以根據(jù)電路狀態(tài)、參數(shù)的改變對(duì)電路實(shí)現(xiàn)某種保護(hù)。繼電器種類(lèi)很多。按輸入信號(hào)可分為電壓繼電器、電流繼電器、功率繼電器、壓力繼電器、溫度繼電器等;按工作原理可分為電磁式繼電器、感應(yīng)繼電器、電動(dòng)式繼電器、電子式繼電器、熱繼電器等。2.電磁式繼電器的組成和工作原理如下圖。按其在電路中的連接方式,可分為電流繼電器、電壓繼電器和中間繼電器等。電磁式電流繼電器的線(xiàn)圈串于被測(cè)電路中,根據(jù)電流變化而動(dòng)作。電磁式電壓繼電器把線(xiàn)圈并接于被測(cè)電路中,線(xiàn)圈的匝數(shù)多、導(dǎo)線(xiàn)細(xì)、阻抗大。繼電器根據(jù)所接線(xiàn)路電壓值的變化,處于吸合或釋放狀態(tài)。中間繼電器實(shí)質(zhì)上是電壓繼電器,只是觸點(diǎn)數(shù)量多,容量也大,當(dāng)電壓繼電器、電流繼電器的觸點(diǎn)容量不夠時(shí),可以利用中間繼電器作功率放大;當(dāng)觸點(diǎn)數(shù)量不夠時(shí),也可利用中間繼電器增加觸點(diǎn)數(shù)量以控制多條回路。三、汽車(chē)?yán)入娐冯娎鹊墓ぷ髟?/p>

第三節(jié)電磁感應(yīng)

實(shí)驗(yàn)一:如圖a所示,G為檢流計(jì)。當(dāng)導(dǎo)體沿磁感線(xiàn)垂直方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí),檢流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);如果導(dǎo)體不動(dòng),而使磁場(chǎng)上下運(yùn)動(dòng),檢流計(jì)指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這兩種情況說(shuō)明導(dǎo)體中產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì),并在與檢流計(jì)組成的回路中引起了電流。當(dāng)導(dǎo)體沿磁感線(xiàn)方向左右移動(dòng)或?qū)w與磁場(chǎng)以同一速度上下移動(dòng)時(shí),檢流計(jì)指針均不發(fā)生偏轉(zhuǎn),這說(shuō)明導(dǎo)體中沒(méi)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)二:如下圖,當(dāng)條形磁鐵插入或拔出線(xiàn)圈時(shí),檢流計(jì)指針發(fā)生了左右偏轉(zhuǎn),說(shuō)明線(xiàn)圈中產(chǎn)生了兩次方向不同的電流;當(dāng)磁鐵插在線(xiàn)圈中靜止不動(dòng)或以同一速度和線(xiàn)圈一起上下移動(dòng)時(shí),檢流計(jì)指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn),說(shuō)明檢流計(jì)沒(méi)有電流通過(guò)。以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)導(dǎo)體切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量發(fā)生變化時(shí),導(dǎo)體或線(xiàn)圈中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)現(xiàn)象,而由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。一、直導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向作切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體,其產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定那么來(lái)確定:平伸右手,拇指與四指垂直,讓磁感線(xiàn)垂直穿過(guò)手心,拇指指向運(yùn)動(dòng)方向,四指所指方向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向(或是感應(yīng)電流方向)。需要注意的是:判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向時(shí)要把導(dǎo)體看成一個(gè)電源,在導(dǎo)體內(nèi)部,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向由負(fù)極指向正極。感應(yīng)電流方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向相同。當(dāng)直導(dǎo)體沒(méi)有形成閉合回路時(shí),導(dǎo)體中只產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),不產(chǎn)生感應(yīng)電流。2.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小實(shí)驗(yàn)證明:在均勻磁場(chǎng)中,作切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的直導(dǎo)體,其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度l、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度v以及導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁感線(xiàn)方向之間夾角α的正弦值成正比,即e=Blvsinα例:如下圖,受外力作用的直導(dǎo)體AB,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中以v=20m/s的速度做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)B=1T,導(dǎo)體有效長(zhǎng)度l=0.5m,導(dǎo)體電阻R0=1Ω,負(fù)載電阻R=9Ω。試求導(dǎo)體AB中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e和電流I、作用于導(dǎo)體的外力F外及其所提供的功率P。二、線(xiàn)圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)1.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向線(xiàn)圈中的磁通量發(fā)生變化時(shí),線(xiàn)圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楞次定律和右手螺旋定那么來(lái)判定。楞次通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明:感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是企圖阻礙原磁通的變化。也就是說(shuō),當(dāng)線(xiàn)圈中的磁通量要增加時(shí),感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通方向與原磁通方向相反;假設(shè)線(xiàn)圈中原來(lái)的磁通量減少,那么感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通方向與原來(lái)磁通方向一致。例:如下圖,請(qǐng)判斷兩種情況下線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。例:如下圖,如果穿過(guò)閉合金屬環(huán)的磁通在2s內(nèi)由4×10-2Wb均勻增加到20×10-2Wb,試求閉合金屬環(huán)中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向。三、自感

1.自感現(xiàn)象由通入線(xiàn)圈的電流變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫自感現(xiàn)象,由自感現(xiàn)象產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫自感電動(dòng)勢(shì),用符號(hào)eL表示。顯然,自感現(xiàn)象屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

2.自感系數(shù)自感系數(shù)是用來(lái)描述線(xiàn)圈產(chǎn)生自感磁通能力的物理量。定義線(xiàn)圈中的磁通量與產(chǎn)生該磁通的電流的比值叫自感系數(shù),又叫電感,用符號(hào)L表示,單位是亨利(H)。即L=Φ/I

由上式看出,電感表示線(xiàn)圈通過(guò)單位外電流所產(chǎn)生的自感磁通。電感越大,表示線(xiàn)圈產(chǎn)生自感磁通的能力越大。電感的大小與線(xiàn)圈的匝數(shù)、形狀、大小及周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率有關(guān)。

3.自感電動(dòng)勢(shì)自感電動(dòng)勢(shì)的大小可由法拉第電磁感應(yīng)定律求得,即自感電動(dòng)勢(shì)的大小與線(xiàn)圈的電感及線(xiàn)圈中外電流的變化率成正比。負(fù)號(hào)表示自感電動(dòng)勢(shì)的方向總是企圖阻礙外電流的變化。自感電動(dòng)勢(shì)的方向仍用楞次定律判斷。所以,當(dāng)線(xiàn)圈電流i增大時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)方向與外電流i方向相反,以阻礙外電流增大,如圖a所示;當(dāng)線(xiàn)圈電流i減小時(shí),自感電動(dòng)勢(shì)方向與外電流i方向相同,以阻礙外電流減小,如圖b所示。在含有大電感元件的電路被切斷的瞬間,由于電感兩端產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)很高,會(huì)在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧,容易燒壞開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)或引起火災(zāi),故應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。圖所示是汽車(chē)點(diǎn)火電路原理圖,一次線(xiàn)圈2的電流突然減少,會(huì)產(chǎn)生200～300V的自感電動(dòng)勢(shì),方向與蓄電池的電動(dòng)勢(shì)方向相同,這兩個(gè)電壓相加會(huì)使觸點(diǎn)之間產(chǎn)生火花,將觸點(diǎn)燒壞。為了保護(hù)觸點(diǎn),通常在觸點(diǎn)兩端并聯(lián)一個(gè)電容器,用來(lái)吸收儲(chǔ)存在線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)能,從而起到保護(hù)觸點(diǎn)的作用。四、互感1.互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象是指一個(gè)線(xiàn)圈中的電流變化而使另一個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象,如所示。互感現(xiàn)象產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫互感電動(dòng)勢(shì),用符號(hào)eM表示。2.互感電動(dòng)勢(shì)的大小在圖中當(dāng)開(kāi)關(guān)SA閉和時(shí),線(xiàn)圈1中產(chǎn)生磁通Φ11,這個(gè)變化的磁通中有一局部Φ12要通過(guò)線(xiàn)圈2,那么線(xiàn)圈2中產(chǎn)生的互感電動(dòng)勢(shì)的大小為e2,互感電動(dòng)勢(shì)的大小與互感磁通量的變化率以及線(xiàn)圈2的匝數(shù)成正比。由此,可以得到汽車(chē)高壓點(diǎn)火線(xiàn)圈產(chǎn)生高壓的解釋。3.同名端互感電動(dòng)勢(shì)的方向不僅與磁通的變化趨勢(shì)有關(guān),還與線(xiàn)圈的繞向有關(guān)。為此,有必要引入描述線(xiàn)圈繞向的概念———同名端。所謂同名端,就是繞在同一鐵心上的線(xiàn)圈其繞向相同的接線(xiàn)端。在圖a中,線(xiàn)圈ABC中的1、4、5端點(diǎn)為同名端,2、3、6端點(diǎn)也是同名端。在圖a中SA閉合瞬間,線(xiàn)圈A的“1〞端電流增大,根據(jù)楞次定律和右手螺旋定那么可以判斷出各線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性如圖2-13b所示。第三章正弦交流電路第一節(jié)正弦交流電的根本知識(shí)一、交流電概述交流電是指大小和方向都隨時(shí)間變化,并且在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零的電動(dòng)勢(shì)(或電壓、電流),或說(shuō)交流電是交變電動(dòng)勢(shì)、交變電壓和交變電流的總稱(chēng)。交流電按變化規(guī)律可分為正弦交流電和非正弦交流電,如下圖。交流電的物理量用小寫(xiě)字母表示,如e、u、i等。交流電動(dòng)勢(shì)的圖形符號(hào)與直流電動(dòng)勢(shì)的不同。如下圖,圖中標(biāo)出的電動(dòng)勢(shì)e、電流i和電壓u的方向?yàn)閰⒖挤较?它們的實(shí)際方向是不斷反復(fù)變化的,與參考方向相同的半個(gè)周期為正值,與參考方向相反的半個(gè)周期為負(fù)值。交流電動(dòng)勢(shì)e又常寫(xiě)為eS。二、正弦交流電的三要素正弦交流電(簡(jiǎn)稱(chēng)為交流電),是指隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的交流電,統(tǒng)稱(chēng)為正弦量。通常將某一瞬間交流電的值叫做交流電的瞬時(shí)值,可用解析式或波形圖來(lái)表示。以電流i為例,正弦量的一般解析式(即瞬時(shí)值表達(dá)式)為i(t)=Imsin(ωt+φ)波形如圖(設(shè)φ>0)所示。圖中Im、ω、φ三個(gè)值,稱(chēng)為正弦交流電的三要素。1.最大值2.角頻率(1)頻率(2)周期(3)角頻率

3.初相角在正弦交流電的解析式中,角度(ωt+φ)叫相位角,簡(jiǎn)稱(chēng)相位,是決定正弦交流電在某一時(shí)刻所處狀態(tài)的物理量;而初相角是指正弦交流電在計(jì)時(shí)起點(diǎn)t=0時(shí)的相位角值,也就是角度φ。相位角和初相角的范圍都是(-π,+π),它有以下三種情況:

三、相位差相位差是兩個(gè)正弦量的相位之差,用字母φ表示。設(shè)有兩個(gè)正弦電壓

u1=U1msin(ω1t+ψ1)u2=U2msin(ω2t+ψ2)

這兩個(gè)正弦量的相位差為

φ=(ω1t+ψ1)-(ω2t+ψ2)

當(dāng)兩正弦量的頻率相同,即ω1=ω2

時(shí),有

φ=ψ1-ψ2

可見(jiàn),兩個(gè)同頻率正弦量的相位差就是它們的初相角之差。相位差的范圍是(-π,+π]。

相位差有以下幾種情況:(1)當(dāng)φ=ψ1-ψ2>0時(shí),說(shuō)明u1

比u2

先到達(dá)最大值或零值,稱(chēng)u1的相位超前u2

的相位φ,簡(jiǎn)稱(chēng)u1

超前u2φ角,或u2

滯后u1φ角,如圖a所示。(2)當(dāng)φ=ψ1-ψ2<0時(shí),稱(chēng)u1滯后u2φ角,或u2

超前u1φ角。(3)當(dāng)φ=0時(shí),說(shuō)明u1

、u2

同時(shí)到達(dá)最大值或零值,稱(chēng)u1

和u2

同相位,簡(jiǎn)稱(chēng)同相,如圖b所示。(4)當(dāng)φ=±π時(shí),說(shuō)明u1

到達(dá)正最大值時(shí),u2

到達(dá)負(fù)最大值,稱(chēng)u1

和u2

反相,如圖c四、有效值交流電和直流電(如下圖),如果在交流電的一個(gè)周期的時(shí)間里,兩種情況產(chǎn)生的熱量相等,那么把直流電流的數(shù)值稱(chēng)為該交流電流的有效值,用大寫(xiě)字母I表示。同理,可以把在數(shù)值相等的電阻上產(chǎn)生熱效應(yīng)相等的直流電壓、直流電動(dòng)勢(shì)分別稱(chēng)為交流電壓、交流電動(dòng)勢(shì)的有效值,分別用大寫(xiě)字母U、E表示。五、正弦交流電的相量表示法正弦交流電一般有三種表示方法:解析法、曲線(xiàn)法和相量表示法。相量表示法又叫矢量圖示法,是用旋轉(zhuǎn)矢量表示正弦量的方法,如下圖為正弦交流電流的相量表示。圖中矢量的長(zhǎng)度表示正弦量的最大值,叫最大值相量,用Im表示(也可表示正弦量的有效值,叫有效值相量,用I表示);矢量與橫坐標(biāo)的夾角表示初相角φ,當(dāng)φ>0時(shí),矢量在橫坐標(biāo)的上方,當(dāng)φ<0時(shí),矢量在橫坐標(biāo)的下方;矢量以角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。正弦交流電用相量圖來(lái)表示以后,計(jì)算兩個(gè)(或兩個(gè)以上)同頻率交流電的相加或相減時(shí),可以防止直接利用三角函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算帶來(lái)的繁瑣,也可以防止曲線(xiàn)圖疊加求合成曲線(xiàn)帶來(lái)的麻煩。這種用相量圖求和的方法叫做相量法,具體步驟是:(1)根據(jù)給出正弦量的大小和初相角畫(huà)出相量圖;(2)用平行四邊形法那么作出總相量;(3)根據(jù)勾股定理或余弦定理求解總相量的大小及初相角;(4)利用合成后相量頻率不變的結(jié)論寫(xiě)出合成相量的解析式。第二節(jié)單相交流電路一、概述把負(fù)載接到交流電源上組成的電路叫交流電路。交流電路中的負(fù)載元件有電阻、電感和電容。如果只有單純的電阻(或電感、電容),那么電路叫純電阻(或純電感、電容)電路。嚴(yán)格地講,純電路是沒(méi)有的。二、純電阻電路1.電壓和電流的關(guān)系設(shè)加在電阻兩端的電壓為uR=URmsin(ωt)根據(jù)歐姆定律,通過(guò)電阻的電流為URmsin(ωt)/R=IRmsin(ωt)結(jié)論:在純電阻電路中,電壓、電流的最大值或有效值之間的關(guān)系符合歐姆定律,且電壓和電流同相位。其波形圖和相量圖見(jiàn)圖所示。

2.功率由功率的定義式可知,負(fù)載吸收的瞬時(shí)功率等于加在負(fù)載兩端電壓與通過(guò)負(fù)載電流的乘積。純電阻電路兩端的電壓u和通過(guò)的電流i,所以電阻吸收的瞬時(shí)功率為pR=uRiR=URmsin(ωt)·IRmsin(ωt)=URmIRmsin2(ωt)由于瞬時(shí)功率不便計(jì)算和測(cè)量,所以通常用瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值來(lái)表示功率的大小,叫平均功率(或有功功率),用字母P表示,單位為W。數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明,平均功率等于瞬時(shí)功率最大值的一半。

例：標(biāo)有“220V,100W〞的電烙鐵,接在220V的交流電源上,通過(guò)的電流是多少?工作4h消耗的電能是多少?三、純電感電路電阻和分布電容可忽略的電感線(xiàn)圈作交流電路負(fù)載的電路,叫純電感電路。

1.電壓和電流的關(guān)系從第二章電磁感應(yīng)定律知道,變化的電流通過(guò)線(xiàn)圈時(shí),線(xiàn)圈中就要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)來(lái)阻止電流的變化,有自感電動(dòng)勢(shì)eL=LΔi/Δt。

uL=eL=LΔi/ΔtiL=ILmsin(ωt)uL=ωLILmsin(ωt+90°)=ULmsin(ωt+90°)UL=ωLIL

或IL=UL/ωLXL=ωL=2πfL(3-15)

式中f———交流電的頻率,Hz;L———線(xiàn)圈的電感,H;XL———線(xiàn)圈的感抗,Ω。結(jié)論:在純電感電路中,電壓、電流的最大值或有效值之間的關(guān)系符合歐姆定律形式,且電壓超前電流90°。其波形圖和相量圖見(jiàn)圖所示。2.功率純電感電路的瞬時(shí)功率為pL=uLiL=ULmsin(ωt+90°)·ILmsin(ωt)=ULILsin(2ωt)例〔P45〕四、純電容電路1.電壓和電流的關(guān)系結(jié)論:在純電容電路中,電壓、電流的最大值或有效值之間的關(guān)系符合歐姆定律形式,且電壓滯后電流90°。其波形圖和相量圖如下圖。五、電阻、電感和電容器串聯(lián)電路實(shí)際中的電容器與電感線(xiàn)圈串聯(lián)的電路,都可以簡(jiǎn)化等效為電阻、電感和電容器串聯(lián)的電路(以下用RLC表示)。如下圖,這種電路是具有一般意義的典型電路,因?yàn)樗穗娮?、電感和電容三個(gè)不同的電路元件,能表達(dá)交流電路的一般特點(diǎn)。1.總電壓和電流的關(guān)系2.功率在RLC串聯(lián)電路中,電阻是耗能元件,故有有功功率;電感和電容是儲(chǔ)能元件,一般情況下也有無(wú)功功率(φ=0時(shí)除外),所不同的是:由于電感與電容上的電壓恰好相位相反,就形成了電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能與電容釋放電場(chǎng)能的互補(bǔ)性質(zhì)。也就是說(shuō),電感(或電容)所存儲(chǔ)的能量中,有一局部是來(lái)自電容(或電感)所釋放的電場(chǎng)(磁場(chǎng))能。這樣,電路與電源之間的能量交換(即總無(wú)功功率)就應(yīng)該是電感無(wú)功功率與電容無(wú)功功率之差。第三節(jié)三相交流電路在現(xiàn)在的電力系統(tǒng)中,幾乎全部采用對(duì)稱(chēng)三相交流電供電。所謂對(duì)稱(chēng)三相交流電供電,就是由三個(gè)頻率相同、幅值相等、相位互差120°的一組交流電動(dòng)勢(shì)組成的供電系統(tǒng)。與單相交流電相比,三相交流供電的主要優(yōu)點(diǎn)是:在電機(jī)方面(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)),三相交流電機(jī)能充分利用定子鐵心和繞組,且運(yùn)行平穩(wěn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便;如果電機(jī)的容量相同,那么三相交流電機(jī)的體積小、造價(jià)低;在輸電方面,如果傳輸相同功率,三相交流電比單相交流電使用的材料、功率損耗等都少得多。一、三相交流電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生圖a是汽車(chē)用三相交流發(fā)電機(jī)的示意圖,由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在定子上嵌入三個(gè)空間位置相隔120°、完全相同的繞組,每個(gè)繞組為一組,合稱(chēng)三相繞組。三相繞組中就產(chǎn)生振幅相等、頻率相同、相位差120°的三個(gè)正弦電動(dòng)勢(shì),叫對(duì)稱(chēng)三相交流電動(dòng)勢(shì)。如果規(guī)定三相交流電動(dòng)勢(shì)的正方向從繞組的末端指向始端,如圖b所示,那么對(duì)稱(chēng)三相交流電動(dòng)勢(shì)。相序就是三相交流電動(dòng)勢(shì)到達(dá)最大值的先后次序,在圖a中,最先到達(dá)最大值的是eU,其次是eV,最后是eW,即最大值出現(xiàn)的次序是U—V—W—U,稱(chēng)為正序;假設(shè)最大值出現(xiàn)的次序?yàn)閁—W—V—U,那么稱(chēng)為逆序。習(xí)慣上采用黃、綠、紅三種顏色分別表示U、V、W三相。二、三相電源的星形連接(Y)

星形連接又寫(xiě)作Y聯(lián)結(jié),是將發(fā)電機(jī)三個(gè)繞組的末端U2、V2、W2連接在一起,從三個(gè)繞組的始端引出三根導(dǎo)線(xiàn)與外電路相連,如圖a所示,圖是簡(jiǎn)化畫(huà)法。從始端引出的導(dǎo)線(xiàn)稱(chēng)為端線(xiàn)(俗稱(chēng)火線(xiàn)),分別叫U線(xiàn)、V線(xiàn)、W線(xiàn)。三個(gè)繞組末端的連接點(diǎn)用N表示,稱(chēng)中性點(diǎn)(又叫零點(diǎn))。

由于發(fā)電機(jī)三相繞組內(nèi)的電壓降一般較小,所以各相電壓可以看作與該相繞組的電動(dòng)勢(shì)相等,即UU=EU,UV=EV,UW=EW。如果規(guī)定電壓的正方向由端線(xiàn)指向中性線(xiàn)(與電動(dòng)勢(shì)方向關(guān)聯(lián)),那么電壓相量圖如圖a所示。根據(jù)平行四邊形法那么作圖,得如圖3-24b所示的線(xiàn)電壓與相電壓相量關(guān)系圖。第四節(jié)平安用電造成停電、損壞設(shè)備、引起火災(zāi)、發(fā)生觸電等事故。一、觸電對(duì)人體的傷害觸電指電流以人體為通路,使身體一局部或全身受到電的刺激或傷害。觸電可分為電擊和電傷兩種。電擊是指電流使人體內(nèi)部器官受到損害。在一般情況下,規(guī)定36V以下為平安電壓,對(duì)潮濕的地面或井下平安電壓的規(guī)定就更低,如24V、12V。二、觸電的原因和方式1.觸電的原因觸電的原因很多,通常可歸納為以下三種:(1)無(wú)視平安操作,違章冒險(xiǎn);(2)缺乏平安用電的根本常識(shí);(3)輸電或電氣設(shè)備絕緣損壞,人體無(wú)意間觸及帶電裸露導(dǎo)線(xiàn)金屬外殼。2.觸電方式觸電可分為單相觸電和兩相觸電兩種。三、平安措施為了保護(hù)電氣設(shè)備的平安運(yùn)行,防止人身觸電事故發(fā)生,電氣設(shè)備常采用保護(hù)接地和保護(hù)接零的措施。1.保護(hù)接地保護(hù)接地就是將電氣設(shè)備的金屬外殼與接地體之間可靠連接,如圖b所示。2.保護(hù)接零保護(hù)接零就是電氣設(shè)備的金屬外殼與零線(xiàn)可靠連接,如下圖。電氣設(shè)備保護(hù)接零以后,如果電器內(nèi)部一相絕緣損壞而碰金屬外殼時(shí),那么該相短路,引起很大的短路電流將使電路中的保護(hù)電器動(dòng)作或使熔斷器熔絲燒斷而切斷電源,從而消除了觸電危險(xiǎn)。四、平安用電本卷須知(1)檢查電氣設(shè)備或更換熔斷器熔絲時(shí),要先切斷電源,并在電源開(kāi)關(guān)處掛上“嚴(yán)禁合閘〞的警告牌;在沒(méi)有采取足夠平安措施的情況下,嚴(yán)禁帶電作業(yè)。(2)使用各種電氣設(shè)備時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)的平安措施。(3)電熱設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離易燃物,用完即斷開(kāi)電源。(4)判斷電線(xiàn)或用電設(shè)備是否帶電,必須用驗(yàn)電器檢查判斷(如250V以下可用測(cè)電筆),不允許用手去摸試。(5)電燈開(kāi)關(guān)接在火線(xiàn)上,用螺旋式燈頭時(shí)不可把火線(xiàn)接在與螺旋套相連的接線(xiàn)柱上。(6)電線(xiàn)或電氣設(shè)備失火時(shí),應(yīng)迅速切斷電源,在帶電狀態(tài)下,只能用黃沙、二氧化碳滅火器和1211滅火器進(jìn)行滅火。(7)發(fā)現(xiàn)有人觸電時(shí),應(yīng)首先使觸電者脫離電源,然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶救。第四章電機(jī)與變壓器第一節(jié)變壓器變壓器是一種常見(jiàn)的電氣設(shè)備,是用來(lái)把某一數(shù)值的交變電壓變換為同一頻率的另一數(shù)值的交變電壓的電器。一、變壓器的根本構(gòu)造變壓器的主要部件是鐵心和繞組。鐵心由假設(shè)干層涂有絕緣漆的硅鋼片疊成,繞在鐵心上的線(xiàn)圈稱(chēng)作繞組。根據(jù)鐵心與繞組的安裝位置可將變壓器分為心式和殼式兩種。心式變壓器的繞組套在兩側(cè)的鐵柱上,如下圖。殼式變壓器的繞組那么只繞在中間的鐵心柱上,如下圖。電力變壓器多采用心式,小型變壓器多采用殼式。汽車(chē)中開(kāi)磁路點(diǎn)火線(xiàn)圈的鐵心為圓柱形的,繞組就套在其上,如下圖。二、變壓器變換電壓的作用以下圖表示單相變壓器運(yùn)行時(shí)的原理圖。為了便于分析,將匝數(shù)為N1的一次繞組和匝數(shù)為N2的一次繞組分別畫(huà)在閉合鐵心的兩個(gè)柱子上。一次繞組的兩端加上交流電壓u1時(shí),便有交流電流i1通過(guò)一次繞組,在它的作用下產(chǎn)生交變磁通。因?yàn)殍F心的磁導(dǎo)率比空氣的大得多,絕大局部磁通沿鐵心而閉合,它既與一次繞組交鏈,又與二次繞組交鏈,稱(chēng)為主磁通Φ(或稱(chēng)為工作磁通)。此外還有很少一局部磁通,在穿過(guò)原繞組后就沿附近的空間而閉合,如圖中的Φ11,這局部磁通稱(chēng)為漏磁通漏磁通一般很少,為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化可以略去不計(jì)。三、變壓器變換電流的作用變壓器在變壓過(guò)程中只起能量傳遞作用,無(wú)論變換后的電壓是升高還是降低,電能都不會(huì)增加。根據(jù)能量守恒定律,在忽略變壓器內(nèi)部能量損耗時(shí),變壓器的輸出功率P2應(yīng)與變壓器從電源中獲得的功率P1相等,即P2=P1

。于是當(dāng)變壓器只有一個(gè)二次繞組且負(fù)載為純電阻時(shí),應(yīng)有下述關(guān)系:I1U1=I2U2

或I1/I2=U2/U1=N2/N1=1/K

說(shuō)明變壓器工作時(shí),一、二次繞組的電流之比近似地與繞組匝數(shù)成反比。這說(shuō)明變壓器有變流的作用。由以上分析可知,變壓器負(fù)載加大(即I2增加)時(shí),一次側(cè)電流I1

必然相應(yīng)增加。電能經(jīng)變壓器從一次側(cè)電路傳遞到二次側(cè)電路。四、變壓器變換阻抗的作用變壓器除有變壓和變流的作用外,還可以實(shí)現(xiàn)阻抗的變換。設(shè)在變壓器的二次側(cè)接入阻抗Z,那么在一次側(cè)看來(lái),這個(gè)阻抗相當(dāng)于多少呢?圖a表示變壓器及阻抗Z對(duì)電源u1的作用,可用圖b的Z′等效表示。那么有Z′=U1/I1=KU2/K-1I2=K2Z說(shuō)明,變壓器二次側(cè)的負(fù)載阻抗Z反映到一次側(cè)的阻抗值Z′近似為Z的K2倍。這就是變壓器變換阻抗的作用。第二節(jié)直流電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的電機(jī)稱(chēng)為直流發(fā)電機(jī)。把直流電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的電機(jī)稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)統(tǒng)稱(chēng)為直流電機(jī)。一、直流電機(jī)的根本原理圖所示的是一種最簡(jiǎn)單的直流發(fā)電機(jī)。在靜止的磁極N與S之間,有一個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形鐵心,其上緊繞著一匝線(xiàn)圈。線(xiàn)圈的兩端分別接在兩個(gè)相互絕緣的半圓形銅片(組成一個(gè)換向器,其中銅片稱(chēng)為換向片)上,換向器上放置著固定不動(dòng)的炭質(zhì)電刷。直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與直流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造根本相同,但在實(shí)用時(shí),需把它的電刷與直流供電線(xiàn)相接,如下圖。此時(shí)電流由正極B流入,由負(fù)極A流出(導(dǎo)線(xiàn)ab中電流方向?yàn)閎→a)。由于載流導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用,故電樞產(chǎn)生一電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)用左手定那么,可以確定電樞應(yīng)按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)ab從N極范圍轉(zhuǎn)入S極范圍時(shí),依靠換向器的作用,使導(dǎo)線(xiàn)ab與電源正極相連,故導(dǎo)線(xiàn)ab中電流方向也同時(shí)改變(電流方向a→b),因而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不變,故能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T是由電樞電流與磁極磁通相互作用而產(chǎn)生,故T的大小就同電樞繞組所取用的電流Ia和每極磁通Φ的乘積成正比,即T=CTΦIa二、直流電機(jī)的構(gòu)造圖是直流電機(jī)的斷面圖,它主要由定子(固定局部)和電樞(旋轉(zhuǎn)局部)兩大局部組成。其主要局部的名稱(chēng)均已在圖中標(biāo)明。定子包括主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋和電刷裝置等。主磁極裝在機(jī)座內(nèi)壁,它的鐵心由整塊鋼制成或用鋼板疊成,其上套有勵(lì)磁繞組。主磁極的作用是通入直流電流產(chǎn)生主磁通。在相鄰的主磁極之間裝有換向磁極,它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。用來(lái)改善換向性能,使電機(jī)運(yùn)行時(shí),在電刷與換向器的接觸面上不致產(chǎn)生有害火花。機(jī)座也是電機(jī)磁路的一局部,并用以固定磁極、換向磁極以及支撐整臺(tái)電機(jī)的重量。機(jī)座一般為鑄鐵或鑄鋼件,小容量的直流電機(jī)也可用鋼板焊成或用無(wú)縫鋼管制造。電刷通常用石墨制成,裝在金屬的刷握內(nèi),如下圖。用彈簧將電刷壓在換向器外表作滑動(dòng)接觸,從而把電樞繞組和外電路接通。電刷裝置固定在端蓋上。轉(zhuǎn)動(dòng)局部包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。電樞鐵心作為電機(jī)磁路的一局部,它由硅鋼片疊成。圓柱體外外表開(kāi)著假設(shè)干均勻分布的槽,用來(lái)安放電樞繞組。電樞軸的一端裝有換向器,如下圖。換向器由許多銅片組成,其中每?jī)蓚€(gè)銅片之間用云母絕緣隔開(kāi),電樞槽內(nèi)的線(xiàn)圈均按照一定規(guī)那么分別與換向片相連,使繞組本身連成有兩個(gè)引出端的串并聯(lián)電路。電機(jī)的端蓋由鑄鐵制成,用螺釘固定在機(jī)座的兩端,軸承就裝在端蓋內(nèi),端蓋和軸承用來(lái)支持轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及各個(gè)部件如下圖。三、直流電機(jī)按勵(lì)磁方式的分類(lèi)及額定值直流電機(jī)按勵(lì)磁方式的不同,可分為他勵(lì)電機(jī)和自勵(lì)電機(jī)兩大類(lèi)。其中自勵(lì)直流電機(jī)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種。它們的線(xiàn)路如下圖。在直流電機(jī)的機(jī)座上有一塊銘牌,其上標(biāo)有直流電機(jī)的型號(hào)和額定值。(1)型號(hào):表示直流電機(jī)的類(lèi)別(2)額定電流:指在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)由發(fā)電機(jī)輸出給負(fù)載的允許電流,對(duì)于電動(dòng)機(jī)那么是指由電源輸入到電動(dòng)機(jī)的允許電流。(3)額定電壓:指發(fā)電機(jī)兩端輸出的允許電壓。對(duì)于電動(dòng)機(jī)那么是指輸入到電動(dòng)機(jī)兩端的允許電壓。(4)額定轉(zhuǎn)速:指發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)在額定工作狀態(tài)下應(yīng)到達(dá)的轉(zhuǎn)速,以r/min表示。(5)額定功率:指在額定電壓下,輸出額定電流時(shí),發(fā)電機(jī)向負(fù)載供給的功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)那么是指在額定電壓、額定電流和額定轉(zhuǎn)速下,電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。四、串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)及其在汽車(chē)上的應(yīng)用因直流串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)中,勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián),因此勵(lì)磁電流與電樞電流相等,所以磁通Φ與電樞電流成正比。這種電動(dòng)機(jī)具有以下三個(gè)特性,從而在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

2.輕載轉(zhuǎn)速高

3.短時(shí)輸出功率最大第三節(jié)三相交流異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力設(shè)備。按電流種類(lèi)不同可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)。交流電動(dòng)機(jī)按使用電源的相數(shù)可分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)兩種,而三相電動(dòng)機(jī)又可分為同步式和異步式兩種。一、異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造異步電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩局部組成,圖所示是籠式異步電動(dòng)機(jī)拆開(kāi)后各部件的形狀。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子局部包括機(jī)座、定子鐵心和定子繞組。機(jī)座用鑄鐵定子繞組可以接成星形或三角形。為了便于改變接線(xiàn),三相繞組的六根端線(xiàn)都接到定子外面的接線(xiàn)盒內(nèi)。盒中接線(xiàn)柱的布置如下圖,圖(a)為定子繞組星形接法,圖(b)為定子繞組三角形接法。籠型轉(zhuǎn)子的繞組由安放在槽內(nèi)的銅條(或鑄鋁)構(gòu)成,這些導(dǎo)體的兩端分別焊接在兩個(gè)端環(huán)上。因?yàn)樗男螤钕駛€(gè)松鼠籠子,所以稱(chēng)為籠型轉(zhuǎn)子。具有籠型轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為籠式異步電動(dòng)機(jī)。

線(xiàn)繞型轉(zhuǎn)子的繞組與定子繞組相似,也是三相對(duì)稱(chēng)繞組。通常接成星形,三根端線(xiàn)分別與三個(gè)銅制滑環(huán)連接。環(huán)與環(huán)以及環(huán)與軸之間都彼此絕緣,圖為繞線(xiàn)型轉(zhuǎn)子。具有這種轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。二、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)圖所示是一個(gè)裝有手柄的蹄形磁鐵,在磁極中間放置一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)電的鼠籠型轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子和磁極之間沒(méi)有機(jī)械聯(lián)系。當(dāng)搖動(dòng)手柄使蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)看到鼠籠型轉(zhuǎn)子跟著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。手柄搖得快,轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)得快;手柄搖得慢,轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)得慢。假設(shè)改變磁鐵的轉(zhuǎn)向,鼠籠型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也隨之改變。由此可見(jiàn),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的必要條件是要有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。異步電動(dòng)機(jī)就是利用三相交流電通入三相對(duì)稱(chēng)繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的。三相交流電通入三相對(duì)稱(chēng)繞組會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng):設(shè)有三只同樣的線(xiàn)圈放置在定子槽內(nèi),彼此相隔120°,組成了最簡(jiǎn)單的定子三相對(duì)稱(chēng)繞組,如下圖,以U1、V1、W1表示線(xiàn)圈的始端,U2、V2、W2表示末端。當(dāng)線(xiàn)圈接成星形時(shí),末端U2、V2、W2連接成一中性點(diǎn);始端U1,V1,W1與電源連接,如圖b所示。該三相繞組又簡(jiǎn)稱(chēng)為U相、V相、W相繞組。規(guī)定電流的正方向從線(xiàn)圈的始端到末端,并在電流波形圖的時(shí)間軸上分別標(biāo)出不同的時(shí)刻t1、t2、t3、t4,各線(xiàn)圈內(nèi)的電流方向如下圖。三、異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理如下圖,定子繞組中通有三相對(duì)稱(chēng)電流,它的磁場(chǎng)以轉(zhuǎn)速n1順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。此時(shí),轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)的磁感線(xiàn)相切割,相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)而切割磁感線(xiàn);因轉(zhuǎn)子各導(dǎo)體短路,故在轉(zhuǎn)子各導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的方向可用右手定那么確定。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電流與定子電流的磁場(chǎng)相互作用,結(jié)果使轉(zhuǎn)子各導(dǎo)體受到電磁力F,其方向用左手定那么確定。這個(gè)力對(duì)轉(zhuǎn)子的軸形成了一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子沿著磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn),從而可以克服機(jī)械負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)軸的阻轉(zhuǎn)矩,輸出機(jī)械功率。第五章半導(dǎo)體器件的根本知識(shí)

第一節(jié)半導(dǎo)體二極管一、半導(dǎo)體根本知識(shí)1.半導(dǎo)體及其特性導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體,如硅、硒、鍺以及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物都是半導(dǎo)體。純潔半導(dǎo)體導(dǎo)電能力差,絕緣性能也不強(qiáng),既不宜用作導(dǎo)電材料,也不宜用作絕緣材料。但是,溫度、光照、摻雜等外界條件能引起半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的顯著變化;既半導(dǎo)體具有熱敏、光敏、摻雜等特性。最引人注目的是摻雜特性:在純潔的半導(dǎo)體中摻進(jìn)微量的某種雜質(zhì),對(duì)其導(dǎo)電性能影響極大。2.P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體純潔硅或鍺原子最外層均有四個(gè)電子,他們常因熱運(yùn)動(dòng)或光照等掙脫原子核的束縛成為自由電子。同時(shí)在其原來(lái)位置上留下一個(gè)空位,稱(chēng)為空穴。如圖a所示。(1)N型半導(dǎo)體。在單晶硅(或鍺)中摻入微量的五價(jià)元素(例如磷),就會(huì)在這種半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的自由電子,使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng),如圖b所示。(2)P型半導(dǎo)體。在單晶硅(或鍺)中摻入微量的三價(jià)元素(例如硼),就會(huì)在這種半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的空穴,使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng),如圖c所示。3.PN結(jié)及其單向?qū)щ娦匀绻谝徽麎K半導(dǎo)體中采取一定的措施,使其一邊形成P型半導(dǎo)體,一邊形成N型半導(dǎo)體,這時(shí)就會(huì)在他們的交界面處產(chǎn)生一種特殊的結(jié)構(gòu),稱(chēng)為PN結(jié)。PN具有PN結(jié)的半導(dǎo)體材料經(jīng)一白熾燈接在直流電源上。當(dāng)把P區(qū)接電源正極,把N區(qū)接電源負(fù)極,如圖a所示,即稱(chēng)PN結(jié)加正向電壓(又稱(chēng)正向偏置或正偏),此時(shí)燈亮。說(shuō)明PN結(jié)呈現(xiàn)較小的正向電阻,電路中存在較大電流,電流能通過(guò)PN結(jié)。稱(chēng)此時(shí)PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓(又稱(chēng)反向偏置或反偏),即P區(qū)接電源負(fù)極,N區(qū)接電源正極,如圖b所示,此時(shí)燈不亮。說(shuō)明PN結(jié)呈現(xiàn)很大的反向電阻,電路中根本無(wú)電流,電流不能通過(guò)PN結(jié)。稱(chēng)此時(shí)PN結(jié)處于反向截止?fàn)顟B(tài)。二、半導(dǎo)體二極管1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型將PN結(jié)裝上電極引線(xiàn)及管殼,就制成了半導(dǎo)體二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)二極管。其外形、結(jié)構(gòu)如圖a、b所示。二極管的正極(又稱(chēng)陽(yáng)極)由P區(qū)引出,負(fù)極(又稱(chēng)陰極)由N區(qū)引出。使用二極管時(shí)要注意極性不要接錯(cuò),否那么將使電路不能正常工作,甚至損壞管子。為此制造廠(chǎng)家常在管殼上標(biāo)明色點(diǎn),表示該端為正極端,或標(biāo)以稱(chēng)號(hào)“〞表示正向電流導(dǎo)通方向。二極管的圖形符號(hào)如圖c所示。按結(jié)構(gòu)形式不同,二極管可分為點(diǎn)接觸型和面結(jié)合型兩種。按芯片材料不同,二極管主要有硅二極管和鍺二極管兩種。按用途不同,二極管又可分為普通管、整流管、開(kāi)關(guān)管、穩(wěn)壓管、發(fā)光管等。汽車(chē)上主要用二極管組成整流電路,將交流電變?yōu)橹绷麟?稱(chēng)為硅整流器。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與一般硅整流二極管根本相同,但外形結(jié)構(gòu)略有不同,它只有一個(gè)引出極,另一極是外殼,如下圖。汽車(chē)用整流二極管可分為兩種。一種二極管的引出極為正極,外殼為負(fù)極,如圖a所示。另一種二極管的引出端為負(fù)極,外殼為正極,如圖b所示。為了便于識(shí)別,通常在引出極為正極的二極管上涂有紅點(diǎn),引出極為負(fù)極的二極管上涂有黑點(diǎn)。2.二極管的伏安特性為了正確地使用半導(dǎo)體二極管,需要了解它的電壓-電流關(guān)系曲線(xiàn),由于電壓、電流的單位分別為伏特和安培,所以二極管的電壓-電流關(guān)系曲線(xiàn)又稱(chēng)伏安特性曲線(xiàn)。如下圖,曲線(xiàn)分正向特性和反向特性?xún)删植俊?/p>

(1)正向特性當(dāng)正向電壓較小時(shí),正向電流很小,二極管呈現(xiàn)的正向電阻較大,如曲線(xiàn)的OA段,通常稱(chēng)這個(gè)區(qū)為死區(qū)。鍺管的死區(qū)電壓為0～0.2V。硅管的死區(qū)電壓為0～0.5V。

(2)反向特性二極管兩端加上反向電壓時(shí),在一定的電壓范圍內(nèi)二極管只有很小的反向電流通過(guò),其大小幾乎不變,通常稱(chēng)為反向飽和電流,此時(shí)二極管呈現(xiàn)很大的反向電阻而處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值(圖中的UD)時(shí),反向電流突然增大,二極管失去了單向?qū)щ娞匦?這種現(xiàn)象稱(chēng)為擊穿。發(fā)生擊穿時(shí),加在二極管兩端的反向電壓叫做反向擊穿電壓。使用二極管時(shí),所加的反向電壓應(yīng)小于其反向擊穿電壓。3.二極管的主要參數(shù)為了正確選擇和使用二極管,必須了解二極管的類(lèi)型、用途和性能參數(shù)。通常把表示二極管工作性能的參數(shù)列成表格,供實(shí)際應(yīng)用參考。二極管的參數(shù)很多,作為整流元件,主要有兩個(gè)參數(shù)。(1)最大整流電流IM二極管長(zhǎng)期工作時(shí),允許通過(guò)的最大正向平均電流。(2)最高反向工作電壓URM二極管長(zhǎng)期工作時(shí),允許加到二極管上的最高反向電壓(峰值)。4.二極管的型號(hào)命名半導(dǎo)體器件品種繁多,特性不一,為了便于分類(lèi)和識(shí)別,對(duì)不同類(lèi)型的半導(dǎo)體器件應(yīng)采用不同的符號(hào)來(lái)表示。(1)一般二極管的型號(hào)命名按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB246—1989規(guī)定,國(guó)產(chǎn)二極管的型號(hào)由五局部組成,見(jiàn)表。例如,2CK84表示硅開(kāi)關(guān)二極管,2CZ56表示硅整流二極管。(2)汽車(chē)用整流二極管型號(hào)命名按國(guó)家規(guī)定,國(guó)產(chǎn)汽車(chē)用整流二極管的型號(hào)分三局部,其含義如下:例如,ZQ10表示汽車(chē)用整流二極管,其額定正向平均電流為10A。5.硅穩(wěn)壓二極管及其特性穩(wěn)壓管的伏安特性曲線(xiàn)和符號(hào)如下圖。由圖可見(jiàn),它與普通二極管的特性曲線(xiàn)相似,不同的是穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū),在這一區(qū)域內(nèi)流過(guò)穩(wěn)壓管的電流可以在很大的范圍內(nèi)變化,而它兩端的電壓可保持基本不變,因此,具有穩(wěn)定電壓的作用。如果將負(fù)載電阻與穩(wěn)壓管并聯(lián),負(fù)載上就可得到近似恒定的電壓。由于穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū),所以在電路中穩(wěn)壓管的兩端應(yīng)加反向電壓。6.二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試使用二極管時(shí),常需區(qū)分二極管的正、負(fù)極和粗略判斷二極管的好壞。通常用萬(wàn)用表歐姆擋通過(guò)測(cè)試二極管的正、反向電阻來(lái)進(jìn)行判斷。(1)好壞判別(2)極性判別用萬(wàn)用表測(cè)量二極管的正、反向電阻應(yīng)注意以下兩點(diǎn):①用萬(wàn)用表不同的歐姆擋測(cè)試同一只二極管獲得的阻值是不相同的,因?yàn)椴煌膿?兩表棒之間的端電壓不同。②在測(cè)量小功率二極管時(shí),不宜用電流較大的R×1擋或電壓較高的R×10k擋,以免損壞二極管。第二節(jié)晶體管一、晶體管的結(jié)構(gòu)原理晶體管是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的一種半導(dǎo)體器件。根據(jù)PN結(jié)的組合方式不同,晶體管可分為NPN型和PNP型兩種類(lèi)型。其外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)如下圖。晶體管有三個(gè)區(qū):發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)。兩個(gè)PN結(jié):發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。三個(gè)電極:從發(fā)射區(qū)引出的電極叫做發(fā)射極,用E表示;從基區(qū)引出的電極叫做基極,用B表示;從集電區(qū)引出的電極叫做集電極,用C表示。圖形符號(hào)中帶箭頭的電極為發(fā)射極,箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正向?qū)〞r(shí)的電流方向。晶體管按材料不同又可分為硅管和鍺管兩大類(lèi),而硅管和鍺管又都有PNP型和NPN型兩種。我國(guó)目前生產(chǎn)的硅管以NPN型、鍺管以PNP型為主,兩者的工作原理相同,只是使用時(shí)電源極性的連接方式不同。由于硅管的溫度特性較好,所以應(yīng)用較多。