電工基礎 課件 范紹洋 模塊3-5 電容的連接、磁與電、正弦交流電

電工基礎模塊三電容的連接

第二節(jié)電容器的連接

第一節(jié)

電容的基本概念

第三節(jié)電容器的應用

第四節(jié)電容器的檢測第一節(jié)

電容的基本概念一、電容器

彼此靠近而又互相絕緣的兩個導體，構成一個電容器，電容器簡稱電容。這兩個導體分別聚集正電荷和負電荷，稱為電容器的兩個極。

一個最簡單的電容器，是由兩塊靠得很近而又互相絕緣的平行金屬板構成，這兩塊金屬板就稱電容器的兩個極板。

如下圖所示，將一個不帶電的電容器與一個電源相連接，就是給電容器充電。充電時，與電源正極相連接的極板不斷聚集正電荷，與電原負極相連接的極板不斷聚集負電荷，兩極板間的電壓不斷增大。充電結束時，電容器兩極板間的電壓與電源端電壓相等。

由此可知，直流電不能通過電容器，電容器具有隔斷直流電

的作用，即通常所說的“隔直”作用。因為給電容器充電時，電容器兩極板聚集電荷，即俗稱將電裝起來。它沒有消耗電能，而是將電能儲存起來，所以電容器是儲能元件。

用導體將帶電的電容器的兩塊極板相連接，則兩塊極板上聚集的正、負電荷會互相中和，從而使電容器不帶電，這個過程稱放電。電容器的放電速度比充電速度快?？衫眠@個特性來判定電容器的質量。一、表征電容的物理量1、電容、電量、電壓

電容器兩極板聚集的電荷數越多，電量則越大，兩極板間的電壓也越高。同一個電容器，電量與電壓的比值是一個恒量；不同的電容器，這個比值是不同的。所以，電容器所帶的電荷量與它兩極板間的電壓的比值，稱為電容器的電容。電容用C表示，電量用q表示，電壓用U表示，故有

式中，q、U、C的單位分別是：庫侖(C)、伏特(V)、法拉(F)。比法拉小的單位有微法(μF)和皮法(PF)，它們之間的進率是百萬倍。即1法拉(F)=106微法(μF)；

1微法=106皮法(PF)。

此式也可稱電容的定義式，不能說：C與q成正比，C與U成反比。因為一個電容器一生產出來，其電容(C)就己確定了，與其是否帶電(q)無關。只不過是帶電越多(q值越大)，極板間的電壓(U)也越大。2.平行板電容器

聚集正、負電荷的兩個電極是由互相平行的兩塊金屬板構成的電容器，稱平行板電容器。我們常用的電容器，一般都是平行板電容器平行板電容器的電容，與電量和電壓無關，只與極板的正對面積(S)、兩極板間的距離(d)、極板間所充的絕緣材料(介電常數ε)等因數有關。由實驗可知：平行板電容器的電容，跟絕緣材料的介電常數（ε）成正比，跟兩極板的正對面積成正比，跟兩極板間的距離成反比。即

式中，ε、S、d、C的單位分別是：法拉/米(F/m)、平方米(m2)、米(m)、法拉(F）。此式也可稱電容的計算式，它反映了決定一個電容器的電容的三個因素：絕緣材料、正對面積和極板距離。

電容器兩極板間的絕緣材料也稱電介質，電介質的介電常數(ε)由介質的性質決定。其中，真空的介電常數(ε0

)是一個常數，即ε0=8.86X10-12

(法拉/米)

任一絕緣體的介電常數ε與真空介電常數ε0的比值，稱相對介電常數εr。即

我們常用的絕緣材料，給出的都是相對介電常數的大小。如：空氣1，石英4.2，硬橡膠3.5，酒精35，純水80，云母7，超高頻瓷7～8.5等。絕緣材料的介電常數，等于相對介電常數與真空介電常數的乘積。即

電容是電容器的固有特性，電容器是否帶電或帶電多少，都不會改變電容。但改變兩極板的正對面積、或改變兩極板間的距離、或改變極板間的絕緣材料，都會改變電容。我們常說的可調電容，粗調就是調節(jié)兩極板的正對面積，微調就是調節(jié)兩極板間的距離。

電容經常存在我們身邊，例如，兩根傳輸線之間，每根傳輸線與大地之間，都是被空氣介質隔開的，所以，也都存在著電容。一般情況下，這個電容值很小，它的作用可以忽略不計。但是，如果傳輸線很長，或所傳輸的信號頻率很高時，就必須考慮這一電容的作用。在電子儀器中，導線和儀器的金屬外殼之間也存在電容。上述的這些電容叫分布電容，會給傳輸線路或儀器設備的正常工作帶來干擾。第二節(jié)

電容的連接一、電容器的串聯

1.電容器串聯的定義

把幾個電容器的極板首尾相接，連成一個無分支電路的連接方式，稱電容器的串聯。如下圖所示，是三個電容器的串聯。

2.串聯電容器電路的特點

電容器串聯后，它的電量、電壓、電容之間的關系為：(1)電量相等。串聯的各個電容器所帶的電量相等。即q=q1=q2=q3(2)電壓相加?？傠妷旱扔诟麟娙萜鞯碾妷褐汀＜碪=U1+U2+U3(3)電容倒數和。總電容的倒數等于各電容的倒數之和。即

電容器串聯之后，相當于增大了兩極板間的距離，因此，總電容小于每一個電容器的電容。3.電容器串聯的應用當一個電容器的耐壓不能滿足電路要求時，可將多個電容器串聯起來使用。串聯后，電容大的電容器分配的電壓小，電容小的電容器分配的電壓大。二、電容器的并聯1.電容器并聯的定義把多個電容器的正極接在一起，負極也接在一起，稱為電容器的并聯。如下圖所示，是將三個電容器并接在電源E兩端(電源向外輸出電壓為U)。2.并聯電容器電路的特點電容器并聯后，它的電量、電壓、電容之間的關系是：(1)電量相加。多個電容器并聯后的總電量等于各電容器所帶電量之和。即q=q1+q2+q3(2)電壓相等。各并聯電容器兩端的電壓相等，且等于電源端電壓。即U=U1=U2=U3

在電容器并聯電路中，每個電容器承受的外加電壓都等于電源電壓，所以，電容器的耐壓應大于電源電壓。否則，一個電容器被擊穿，整個并聯電容電路所有的電容器都會被擊穿。(3)電容相加。多個電容并聯后的總電容等于各電容之和。即C=C1+C2+C3

電容器并聯之后，相當于增大了兩極板間的面積，因此，總電容大于每個電容器的電容。將n個電容都為C0的電容器并聯后，其總電容為

C=nC03.電容器并聯的應用

當電容器的電容不夠用時，可將幾個耐壓相同的電容器并聯起來使用。并聯后，其電容變大了，帶電量也變大了。第三節(jié)

電容器的應用

在電子設備中，電容器作為一種最基本的電阻元器件，其應用相當廣泛。主要應用在電源電路、信號電路、電力系統(tǒng)及工業(yè)中。在電源電路和信號電路中，電容器主要用于實現旁路、去耦、濾波、儲能、耦合等方面的作用。1、旁路。旁路電容的主要功能是產生一個交流分路，把輸入信號中的干擾作為濾除對象，可將混有高頻電流和低頻電流的交流電中的高頻成分旁路掉。2、去耦。去耦電容也稱退耦電容，它的作用是把輸出信號中的高頻干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。高頻旁路電容一般比較小，小于0.1μF；而去耦電容一般比較大，大于10μF。3、濾波。濾波電容在電源整流電路中主要用來濾除交流成分，使輸出的直流電更加平滑。4、儲能。電容器主要用于裝電荷，是儲能元件。5、耦合。電容器具有”通交流、隔直流”的特性，耦合電容就是利用這一特性，將交流信號從前前一級傳到下一級。

在電力系統(tǒng)中，電容器是提高功率因素的重要元器件；在工業(yè)上常使用電動機等電感性負載，通常采用并聯電容器的辦法來使電網平衡。第四節(jié)

電容器的檢測

檢測一個較大電容的電容器的質量，即電容器有無擊穿（短路）、斷路、漏電等情況，可利用電容器充、放電的特性，選用指針式萬用表的電阻擋(R×100或R×1K)來檢測。

將指針式萬用表調至R×100或R×1k檔，然后將萬用表的紅、黑兩表筆分別接電容器的兩個接線端，這時萬用表的指針擺過一定幅度后再慢慢往回擺至原位置（即0位置）；調換兩表筆重測一次，指針擺過更大的幅度后再慢慢往回擺至原位置，則電容器質量是好的。如果指針不能擺回到原位置，則說明電容器有漏電；指針回擺時離原位置越遠，則漏電越大。

上述測量的原理是：測第一次是電容器充電過程中電流的變化情況，測第二次是電容器放電過程中電流的變化情況。放電比充電快，所以，第二次指針擺過的幅度也比第一次擺過的幅度大。小容量(μF級)的電容器，不能直接用萬用表的電阻檔來檢測。電工基礎模塊四磁與電

第二節(jié)

電

第一節(jié)

磁

第三節(jié)渦流與磁屏蔽

第四節(jié)變壓器

第五節(jié)

直流電動機

第一節(jié)

磁一、磁的基本概念1.磁性、磁體、磁極

磁性：能吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質，稱為磁性。

磁體：具有磁性的物體稱為磁體。磁體有天然磁體和人造磁體之分，天然磁體

指磁礦石；人造磁體一般是將鐵磁性材料放于電場中加工而成的，稱為磁鐵。

磁極：磁體上磁性最強的部分稱為磁極。條形、蹄形、針形磁鐵的兩端磁性最強，是它們的磁極。任何磁體都有南極和北極，這兩個磁極是同時存在的，且強度相等。南極用S表示，北極用N表示。

兩塊磁鐵的磁極之間存在的相互作用力：同名磁極互相排斥，異名磁極互相吸引。2.磁感應線

磁感應線也稱磁力線，是為解答磁場有關內容而虛設的閉合曲線，該曲線在磁體外部是由N極指向S極，在磁體內部則由S極指向N極，條形磁鐵的磁感應線如圖所示。3.磁場

磁體周圍有磁力作用的空間稱為磁場。磁場不僅有大小，而且有方向，可以通過磁感應線形象地描述磁場。（1）磁感應線越密的地方，磁場的強度越強；越疏則越弱。（2）磁感應線上任一點的切線方向就是該點的磁場方向（也是放在該點的小磁針北極的指向）。二、電流的磁效應

磁鐵能產生磁場，電流也能產生磁場。下面以直導線和螺線管為例，解釋如何由電生磁，以及電流方向與所產生的磁場方向的關系。1.通電直導線的磁場

通電直導線周圍存在磁場，該磁場的磁感應線是一些以直導線上各點為圓心的同心圓，這些同心圓都在與直導線垂直的平面上。

直導線上的電流方向與它的磁感應線方向的關系可以用安培定則一（也稱右手螺旋法則）來判定：用右手握住直導線，讓伸直的大拇指所指的方向與電流方向一致，那么，彎曲的四指所指的方向就是磁感應線的環(huán)繞方向，如圖所示。

通電直導線上的電流越大，所產生的磁場越強；電流方向改變，磁場方向也跟著改變。2.通電螺線管的磁場

通電螺線管周圍也存在磁場，該磁場與條形磁鐵的磁場相似。通電螺線管的電流方向與它的磁感應線方向的關系可以用安培定則二來判定：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指指向電流方向，那么，大拇指所指的方向就是通電螺線管的N極，如下圖所示。

用安培定則判定時，要注意螺線管的繞制方向，看得見繞線的一面是讀者右手手背的一面；看不見繞線的一面是讀者右手手心的一面。三、磁場的4個物理量1.磁感應強度

如下圖所示，將一根通電直導線垂直地放入蹄形（U型）磁鐵的磁場中，它會受到磁場力的作用而擺動。改變通入直導線的電流大小，直導線的擺動幅度也跟著改變，而幅度代表受力的大小。

如果直導線在磁場中的有效長度為L，直導線中的電流為Ｉ，直導線在磁場中所受的力為F，則F與ＩL的比值是一個定值，即磁場的磁感應強度，用B表示。即

F、Ｉ、L、B的單位分別是：牛頓（N）、安培（N）、米（m）、特斯拉（T）。

磁感應強度是反映磁場強弱的物理量，其方向與磁場方向相同。用磁感應線的疏密也可以形象地表示磁感應強度的大小：磁感應強度大的地方磁感應線密一些，磁感應強度小的地方磁感應線疏一些。

磁感應強度的大小和方向都相同的磁場稱為勻強磁場。勻強磁場的磁感應線是一些方向相同、疏密一樣、分布均勻的平行直線。我們通常所說的磁場都是指勻強磁場。2.磁通

單位面積內穿過的磁感應線的條數稱為磁通。將一個面積為S的平面放于磁感應強度為B的勻強磁場中，該平面與磁場方向垂直，則穿過這個平面的磁通量（簡稱磁通）為：φ=BS

磁通的單位是韋伯，簡稱韋（Wb）。

由φ=BS可得，B=φ/S，所以磁感應強度也可以稱為磁通密度，單位是韋/米2（Wb/m2）。3.磁導率

前面介紹過，導體的導電能力與導電材料的電阻率（ρ）有關；絕緣體的絕緣能力與絕緣材料的介電常數（ε）有關；而磁性物質的導磁能力則與磁導率（μ）有關。不同的磁性物質，其磁導率是不同的。真空的磁導率是一個常數，用μ0表示，單位是亨利/米（H/m），即μ0=4π×10-7（H/m）

銅、鋁、玻璃、木材、空氣等物質的磁導率與真空的磁導率非常接近，可認為相等。其他物質的磁導率與真空磁導率的比值稱為相對磁導率（ur），即

根據物質導磁能力的不同，可將物質分為反磁性物質、順磁性物質和鐵磁性物質3種類型。（1）反磁性物質：μr＜1，這類物質產生的磁場弱于真空中的磁場。（2）順磁性物質：μr＞1，這類物質產生的磁場強于真空中的磁場。（3）鐵磁性物質：μr>>1，這類物質產生的磁場比真空中的磁場強幾千倍甚至幾萬倍。鐵、鋼、鈷、鎳、鎳鐵合金等物質都是鐵磁性物質。

順磁性物質和反磁性物質的相對磁導率都接近于1，因此，除鐵磁性物質外，其他物質的相對磁導率都可以認為等于1，這些物質稱為非鐵磁性物質。4.磁場強度

由于磁場中各點的磁感應強度的大小與媒介質的性質有關，因此磁場中某點的磁場強度H可用磁感應強度B與媒介質磁導率μ的比值表示。即

公式中，B、μ、H的單位分別是特斯拉（T）、亨/米（H/m）、安/米（A/m）。在勻強磁場中，磁場強度的方向與磁感應強度的方向一致。

四、鐵磁性物質的磁化1.磁化本來不具有磁性的物質，在外加磁場的作用下產生磁性的現象稱為被磁化。鐵磁性物質放在磁場中很容易被磁化，而非鐵磁性物質不能被磁化。鐵磁性物質容易被磁化的原因是鐵磁性物質內部有許多被稱為磁疇的磁性小區(qū)域，每一個磁疇相當于一個小磁鐵，沒有外磁場作用時，各個磁疇排列混亂無序，磁疇間的磁性互相抵消，對外不顯磁性，如圖4-5所示。有外磁場作用時，磁疇受到磁場力的作用，會轉到與外磁場一致的方向上，排列整齊有致，如圖4-6所示。圖4-5無外磁場作用下的磁疇排列圖4-6有外磁場作用下的磁疇排列

這樣便產生了一個很強的與外磁場同方向的磁化磁場，從而使鐵磁性物質內的磁感應強度顯著增強。有些鐵磁性物質在去掉外加磁場后，磁疇的一部分或大部分仍保持取向一致，對外仍顯示磁性，成為永久磁鐵。相對磁導率越高的鐵磁性物質越容易被磁化。

非鐵磁性物質沒有磁疇結構，所以不具有被磁化的特性。2.磁化曲線

由于不同鐵磁性物質的內部結構不同，因此磁化后的磁性存在差異?？赏ㄟ^磁化曲線來分析各種鐵磁性物質的特性。

鐵磁性物質的磁感應強度B隨磁場強度H而變化的曲線稱為磁化曲線，又稱

B-H曲線。如圖所示，以H為橫坐標，以B為縱坐標，將多組B-H對應值逐點描出就形成磁化曲線。磁化曲線是非線性的，

即

不是常數

不同的鐵磁性物質，其磁化曲線也不同。在相同的磁場強度

H下，磁感應強度B越大，則其導磁性能就越好3.磁滯損耗

鐵磁性物質在交變磁場中被磁化后，離開磁場（H=0）還有一定的磁性（B≠0），稱為剩磁；為了消除剩磁，需外加反向磁場，這個外加磁場的磁場強度稱為矯頑磁力，矯頑磁力的大小反映了鐵磁性物質保存剩磁的能力。

永久磁鐵是用剩磁很大的鐵磁性物質制成的，鐵磁性物質在反復交變磁化的過程中，其內部的磁疇來回翻轉，會產生能量損耗，這種損耗稱為磁滯損耗。剩磁和矯頑磁力越大的鐵磁性物質，磁滯損耗就越大。五、磁路

插有鐵芯的線圈通電后產生的磁感應線（即磁通）會沿著鐵芯繞行，形成一個閉合的回路，稱為磁路。1.磁動勢通過線圈的電流Ｉ與線圈匝數

N的乘積稱為磁動勢Em（也稱磁通勢），即Em=ＩN公式中，Ｉ、N、Em的單位分別為：安（A）、匝、伏（V）。2.磁阻

磁感應線穿過磁路時所受到的阻礙作用稱為磁阻。磁路中磁阻Rm的大小與磁路的長度L成正比，與磁路的橫截面積S成反比，還與構成磁路的材料性質u有關。即

公式中，L、u、S、Rm的單位分別為：米（m）、亨/米（H/m）、平方米（m2）、1/亨（1/H）。

3.磁路歐姆定律通過磁路的磁通與磁動勢成正比，與磁阻成反比。即

六、磁場對通電導線的作用力

通電導線在磁場中會受到電磁力的作用。1.電磁力的大小由磁感應強度表達式

可知，F=BＩL。此式反映的是電流方向（Ｉ）與磁場方向（B）互相垂直時的受力大小（F）。

當電流方向與磁場方向之間有一個夾角θ時，可以把磁感應強度B分解成與電流方向平行、垂直的兩個分量，如圖所示

其中，平行分量B1=Bcosθ對通電導線沒有作用力；垂直分量B2=Bsinθ對通電導線產生作用力，即F=B2ＩL。故有F=BＩLsinθ

（4-6）

公式（4-6）是通電導線在磁場中所受到的電磁力大小的計算式。式中，B是磁場的磁感應強度，單位是特斯拉（T）；Ｉ是導線的電流強度，單位是安培（A）；L是導線在磁場中的有效長度，單位是米（m）；θ是電流方向與磁場方向的夾角；F是通電導線在磁場中所受的力，單位是牛頓（N）。由F=BＩLsinθ可得（1）當θ=0時，B與Ｉ方向平行，sinθ=0，F=0，F最小，即不受力。（2）當θ=90°時，B與Ｉ方向垂直，sinθ=1，F最大。（3）θ越小，sinθ也越小，因此，F也越小。

同理，通電線圈在勻強磁場中的受力情況可分析如下：如下圖所示，矩形線圈abcd的平面與磁感應線成一個角度。線圈頂邊da與底邊bc所受的磁場力Fda與Fbc大小相等，方向相反，彼此平衡，不會使線圈發(fā)生運動。而作用在線圈兩個側邊ab與cd上的力Fab與Fcd，雖然大小相等，方向相反，但它們形成力偶，產生力矩，使線圈繞著豎直軸轉動。

線圈轉動以后，Fab與Fcd上的力臂越來越小，使線圈轉動的力矩也越來越小。當線圈平面與磁感應線垂直時，力臂為零，線圈受到的力矩也變?yōu)榱?。因為通電線圈在磁場中有兩條邊受到磁場力的作用，所以作用力的大小為F=2BＩLSinθ（4-7）公式（4-7）中，θ是線圈開始轉動時線圈平面與磁場方向的夾角。2.電磁力的方向

磁場方向（B）、電流方向（Ｉ）、磁場力方向（F）三者互相垂直，可用左手定則判定：平伸左手，掌心對N極（B方向），四指指電流（Ｉ方向），拇指指受力（F方向），如下圖所示。電動機就是利用通電線圈在磁場中因受力作用形成力矩而轉動的

第二節(jié)

電一、電磁感應現象

本模塊第一節(jié)介紹過，通電直導線或通電線圈周圍都存在磁場，也就是說電能生磁。同理，磁也能生電。

怎樣才能由磁生電呢？通過以下3個實驗來說明。實驗一。如下圖所示，將一段直導線與一個電流表接成閉合回路，使直導線在勻強磁場中做切割磁感應線運動，電流表的指針會擺動，說明有感生電流。

實驗二。如下圖所示，將一個線圈與一個電流表接成閉合回路，然后將一塊條形磁鐵插入線圈。在磁鐵插入的過程中，電流表指針會擺動，說明有感生電流；磁鐵完全插入線圈后，在線圈內移動的過程中，電流表指針不動，說明無感生電流；在磁鐵拔出的過程中，電流表指針會擺動（與插入時的擺動方向相反），說明也有感生電流

實驗三。如下圖所示，將一個線圈A與一個電流表接成閉合回路，然后再將另一個線圈B與蓄電池、開關、滑動變阻器等接成另一個閉合回路，且將線圈B插入線圈A中。在閉合或斷開開關的瞬間，電流表的指針都會擺動，說明有感生電流；當閉合開關使線圈B中的電流達到穩(wěn)定值時，電流表的指針不擺動，說明無感生電流；開關閉合后，移動滑動變阻器的觸頭，改變電阻值，從而改變通過線圈B的電流，電流表的指針也會擺動，說明也有感生電流。由上述3個實驗可得出以下結論：（1）直導線做切割磁感應線運動，會產生感生電流（實驗一）。（2）穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，也會產生感生電流（實驗二）。（3）在導體與磁場不發(fā)生相對運動的情況下，只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產生感生電流（實驗三）。由此可知：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有電流產生。像這種利用磁場產生電流的現象稱為電磁感應現象，所產生的電流稱為感應電流（又稱感生電流）。二、電磁感應定律1.直導線切割磁感應線產生感應電動勢（又稱感生電動勢）

（1）感應電動勢的大小。如圖4-14所示，矩形線圈abcd處于磁感應強度為B的勻強磁場中，線圈平面與磁場垂直，長度為L的ab邊可在線圈平面上自由滑動。如果直導線ab以速度υ沿垂直于磁感應線方向向右運動，則直導線ab中產生的感應電動勢為：E=BLυ

公式中，B、L、υ、E的單位分別為：特斯拉（T）、米（m）、米/秒（m/s）、伏特（V）。

（2）感應電動勢的方向。磁場方向（B）、導線運動方向（υ）、感生電流方向（Ｉ）三者互相垂直，可用右手定則判定：平伸右手，掌心對N極（B方向），拇指指運動（v方向），四指指電流（Ｉ方向），如下圖所示。如果直導線的運動方向υ與磁感應線方向B不垂直，而是成一個夾角θ，如下圖所示，則可將速度υ分解成平行于磁感應線的分速度υ1和垂直于磁感應線的分速度υ2。因為υ1不切割磁感應線，所以不產生感應電動勢；υ2切割磁感應線所產生的感應電動勢為

E=BLυ2=BLυsinθ

公式

E=BLυ2=BLυsinθ

表示直導線在磁場中做切割磁感應線運動時所產生的感應電動勢（E）與磁感應強度（B）、直導線有效長度（L）、直導線運動速度（υ），以及運動方向和磁感應線方向的夾角的正弦（sinθ）都成正比。注意：左手定則用于判定受力，右手定則用于判定生電，即俗稱的“左力右電”。左、右手的掌心都對N極，四指都指電流，拇指指受力或運動。發(fā)電機就是利用閉合線圈在磁場中做切割磁感應線轉動而產生感生電流的。

如下圖所示，將條形磁鐵插入閉合線圈的過程中，穿過線圈的磁通量增大，所產生的感應磁場的方向與原磁場方向相反，阻止其插入線圈（即磁通增大而磁場異向）

如下圖所示，將條形磁鐵從閉合線圈中拔出的過程中，穿過線圈的磁通量變小，所產生的感應磁場的方向與原磁場方向相同，阻止其從線圈中拔出（即磁通減小而磁場同向）。3.線圈電流發(fā)生變化產生感應電動勢

當線圈本身的電流發(fā)生變化時，也會產生感應電動勢，該電動勢稱為自感電動勢。如下圖所示，開關斷開的瞬間燈泡還發(fā)亮，便是因為有自感電流通過燈泡。

自感電流總是阻礙線圈中原電流的變化，與楞次定律的描述相同。即當線圈中的電流變大時，自感而生的電流與原電流方向相反，阻礙原電流，使它不能變大；當線圈中的電流變小時，自感而生的電流與原電流方向相同，阻礙原電流，使它不能變小。

日光燈的整流器就是利用自感原理工作的。4.互感現象靠得很近的兩個線圈，當第一個線圈中有電流i1通過時，所產生的自感磁通必然有一部分要穿過第二個線圈，使第二個線圈產生感應電動勢；同樣，當第二個線圈有電流i2通過時，產生的自感磁通也會有一部分穿過第一個線圈，使第一個線圈產生感應電動勢。這種現象稱為互感現象，如下圖所示。

靠得很近的兩個線圈，當第一個線圈的電流i1發(fā)生變化時，將在第二個線圈中產生互感電動勢EM2。即

同理，當第二個線圈的電流i2發(fā)生變化時，也會在第一個線圈中產生互感電動勢EM1。即

變壓器就是利用互感原理工作的，常用的還有電壓互感器和電流互感器等。

第三節(jié)渦流與磁屏蔽一、渦流

把塊狀金屬放在交變磁場中，金屬塊內將產生感應電流，這種感應電流在金屬塊內組成閉合回路，很像水的漩渦，因此稱為渦電流，簡稱渦流，如下圖所示。

因為整塊金屬的電阻很小，所以會使鐵芯發(fā)熱，溫度升高，引起絕緣材料性能下降。鐵芯發(fā)熱還會使一部分電能轉換成熱能而白白浪費，這種電能損失叫作渦流損失。

二、磁屏蔽

使用軟磁性材料制成屏蔽罩，使罩外的漏磁通不能穿過這個罩，再把需要屏蔽的器件放在罩內，使其免受外界磁場的影響，這種措施叫作磁屏敝，如下圖所示。

因為鐵磁性材料的磁導率比空氣的磁導率大得多，因此鐵壁的磁阻比空氣的磁阻小得多。外界磁場的磁通在磁阻小的鐵壁中極容易通過，只有極小一部分磁通進入屏蔽罩，從而起到磁屏敝作用。采用多層鐵殼屏蔽的方法，可以把漏進罩內的磁通一層一層地屏蔽掉第四節(jié)

變壓器一、變壓器的結構變壓器是一種常見的電氣設備，在電力系統(tǒng)和電子線路中廣泛應用。變壓器的主要功能有變電壓、變電流、變阻抗。變壓器由鐵芯和繞組構成，如下圖所示，繞組分為一次繞組和二次繞組，是變壓器的電路部分；鐵芯由高導磁硅鋼片疊成，厚度為0.34mm或0.4mm，是變壓器的磁路部分。變壓器的符號如圖所示。變壓器符號二、變壓器的分類（1）按照用途分為：電力變壓器、儀用變壓器和整流變壓器。（2）按照相數分為：單相變壓器和三相變壓器。（3）按照制造方式分為：殼式變壓器和芯式變壓器。

第五節(jié)

直流電動機

一、直流電動機的結構

把直流電能轉為機械能的電機稱為直流電動機，直流電動機由定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）兩大部分組成，如圖所示，定子和轉子之間有很小的氣隙。1.定子部分

定子部分由主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷和軸承等裝置組成。主磁極：包括主磁極鐵芯和套在上面的勵磁繞組，給勵磁繞組通入電流即可產生主磁場。磁極下面擴大的部分稱為極掌，它的作用是使通過空氣的磁通達到最合適的分布狀態(tài)，并使勵磁繞組牢固地固定在鐵芯上。磁極是磁路的一部分，采用1.0～1.5mm的鋼片疊壓制成。勵磁繞組用絕緣銅線繞成。

換向極：用來改善電樞電流的換向性能。換向極也是由鐵芯和繞組構成的，通過螺桿固定在定子的兩個主磁極的中間。

機座：一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋等，并作為整個電機的支架，通過地腳螺釘將電機固定在基礎上；另一方面也是電機磁路的一部分，故用鑄鋼或鋼板壓制而成。

電刷裝置：包括電刷及電刷座，均固定在定子上，電刷與換向器保持滑動接觸，以便接通電樞繞組和外電流。2.轉子（電樞）部分轉子部分由轉子、電樞鐵芯、電樞、換向器等裝置組成。

轉子（電樞）：完成機電能量轉換的主要部件。

電樞鐵芯：用于嵌放電樞繞組和磁通，目的是降低電機工作時電樞鐵芯中發(fā)生的渦流損耗和磁滯損耗。

電樞：用于產生電磁轉矩和感應電動勢從而實現能量變換。電樞繞組上有許多線圈、玻璃絲包扁鋼銅線或高強度漆包線。

換向器：又稱整流子，在直流電動機中，用于將電刷上的直流電源的電流變換成電樞繞組內的溝通電流，使電磁轉矩的傾向穩(wěn)定不變；在直流發(fā)電機中，用于將電樞繞組溝通電動勢變換為電刷端上輸出的直流電動勢。二、直流電動機的工作原理

如下圖所示，直流電動機的工作原理是將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過，電動機內部有磁場存在，載流的轉子（即電樞）導體將受到電磁力F的作用（F=BIL，左手定則）。所有導體產生的電磁力作用于轉子，使轉子以n（轉/分）旋轉，從而拖動機械負載。三、直流電動機的分類1.按勵磁方式分類直流電機的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式。根據勵磁方式的不同，直流電機可分為他勵、并勵、串勵、復勵，如圖4-27所示。（a）他勵

（b）并勵

（c）串勵

（d）復勵（1）他勵直流電機。勵磁繞組與電樞繞組無連接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機。M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。（2）并勵直流電機。并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用一個電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。（3）串勵直流電機。串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯后，再連接直流電源。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。（4）復勵直流電機。復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同，則稱為積復勵；若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。2.按有、無刷分類

（1）無刷直流電動機。無刷直流電動機是將普通直流電動機的定子與轉子進行了互換。其轉子為永久磁鐵，產生氣隙磁通；定子為電樞，由多相繞組組成；結構上與永磁同步電動機類似。無刷直流電動機定子的結構與普通同步電動機或感應電動機相同。鐵芯中嵌入了多相繞組（三相、四相、五相不等），繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進行合理換相。轉子多采用釤鈷或釹鐵硼等具有高矯頑力、高剩磁密度的稀土料制成，根據磁極中磁性材料所放位置不同，可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機本體為永磁電機，所以習慣上把無刷直流電動機稱為永磁無刷直流電動機。

（2）有刷直流電動機。有刷直流電動機的兩個刷（銅刷或碳刷）是通過絕緣座固定在電動機后蓋上的，可將電源的正、負極直接引入轉子的換相器，換相器連通轉子上的線圈，3個線圈的極性不斷交替變換，與外殼上固定的兩塊磁鐵形成作用力，從而轉動起來。由于換相器與轉子固定在一起，而刷與外殼（定子）固定在一起，因此電動機轉動時刷與換相器不斷摩擦產生大量的阻力與熱量。所以說有刷電動機的效率低下，損耗較大；但它也具有制造簡單，成本低廉的優(yōu)點。四、直流電動機的特點（1）調速性能好。調速性能是指電動機在一定負載條件下，可根據需要人為地改變轉速。直流電動機可以在重負載條件下實現均勻、平滑的無級調速，而且調速范圍較寬。（2）起動力矩大，可以均勻而經濟地實現轉速調節(jié)。凡是在重負載下起動或要求均勻調節(jié)轉速的機械，如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都采用直流電動機。五、串勵式直流電動機在汽車上的應用

由于串勵式直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯，因此勵磁電流與電樞電流相等，磁通與電樞電流成正比。汽車發(fā)動機系統(tǒng)中的起動機就是串勵式直流電動機。在電樞電流相同的情況下，串勵式直流電動機的轉矩要比并勵式直流電動機大，從而使發(fā)動機更易起動。由于串勵式直流電動機具有軟機械特性，即輕載時轉速高、重載時轉速低，因此可確保起動過程安全可靠。1.起動機的結構組成

起動機的作用是將蓄電池存儲的電能轉變?yōu)闄C械能，從而帶動汽車發(fā)動機以足夠高的轉速運轉，以確保汽車發(fā)動機順利起動。起動機由直流電動機、傳動機構和控制裝置3個主要部分組成，如下圖所示。（1）直流電動機。直流電動機的作用是將蓄電池輸入的電能轉換為機械能，產生電磁轉矩。（2）傳動機構。傳動機構又稱起動機離合器、嚙合器，其作用是在發(fā)動機起動時使起動機軸上的小齒輪嚙入飛輪齒圈，將起動機的轉矩傳遞給發(fā)動機曲軸；在發(fā)動機起動后使起動機軸上的小齒輪與飛輪齒圈自動脫開。（3）控制裝置?？刂蒲b置的作用是接通和斷開電動機與蓄電池之間的電路；接入和切斷點火線圈的附加電阻。2.起動機的工作原理

起動機實質上就是直流電動機，作用是通過蓄電池供電，帶動發(fā)動機進入工作狀態(tài)，其性能直接影響汽車的起動狀況。電工基礎模塊五正弦交流電

第二節(jié)

正弦交流電的表示方法

第一節(jié)

交流電概述

第三節(jié)

正弦交流電路

第四節(jié)

串聯諧振電路

第五節(jié)

單相交流電路的功率

第一節(jié)

交流電概述一、交流電的產生

如圖所示，閉合的矩形線圈abcd在勻強磁場中勻速轉動，每旋轉一周，電流表的指針擺動2次，電流大小變化4次。這個變化規(guī)律與正弦函數相同，因此將產生的電稱為正弦交流電。

線圈中的ab邊和cd邊切割磁感應線，會產生感應電動勢；而bc邊和da邊不切割磁感應線，不會產生感應電動勢。若ab邊或cd邊的長度為L，則線圈的感生電動勢為

e=BLυsinθ=B×2L×υ×sinθ=2BLvsinθ

因為距離（S）=速度（υ）×時間（t），所以角度（θ）=角速度（ω）×時間（t），即θ=ωt令Em=2BLυ，則e=Emsinωt如果線圈開始轉動時，其平面不是與磁場方向垂直的，而是成任一角度φ0，則有e=Emsin（ωt+φ0）

同理：u=Umsin（ωt+φ0）

i=Ｉmsin（ωt+φ0）e、u、i稱為交流電瞬時值，分別為瞬時電動勢、瞬時電壓、瞬時電流；Em、Um、Ｉm稱為交流電最大值；E、U、Ｉ稱為交流電有效值。ω稱為角速度，φ0稱為初相，φ=ωt+φ0稱為相位。

二、交流電的三要素

最大值（或有效值）、頻率（或周期）和初相稱為交流電的三要素。這3個量分別表示交流電變化的幅度、變化的速度和起始狀態(tài)。

我國交流電的頻率是50赫茲（也稱工頻），周期是0.01秒。三、相位關系

同頻率的兩個交流電，可根據兩者的相位之差（即初相之差）來判定相位關系。1.相位的一般關系

相位的一般關系即相位的超前或滯后的關系。兩個同頻率的正弦交流電的相位之差叫作相位差，即初相之差，用Δφ表示若e1=Em1sin（ωt+φ01），e2=Em2sin（ωt+φ02），則Δφ=（ωt+φ01）-（ωt+φ02）=φ01-φ02（1）若Δφ＞0，則e1超前e2，或e2滯后e1，如圖所示。（2）若Δφ＜0，則e1滯后e2，或e2超前e1，如圖所示。

由此可知，超前或滯后是相對而言的，即如果甲比乙超前，那么乙比甲滯后。2.相位的特殊關系相位的特殊關系即相位同相、反相或正交關系。（1）同相關系。若Δφ=0，則e1與e2同相，如圖所示。（2）反相關系。若Δφ=±π，則e1與e2反相，如圖所示（3）正交關系。若Δφ=π/2，則e1與e2正交，如圖所示。

由此可知，頻率相同的交流電才能比較相位關系，而同頻率的兩個交流電的相位關系則是由它們的相位差來確定

第二節(jié)

正弦交流電的表示方法

正弦交流電可以用解析式、波形圖、旋轉矢量圖和相量圖等表示。一、解析式表示法

將交流電的三要素以三角函數的方式表達出來，稱為解析式。

交流電動勢

e=Emsin（ωt+?0）

交流電壓

u=Umsin（ωt+?0）

交流電流

i=Ｉmsin（ωt+?0）

交流電的解析式中包含最大值（Em、Um、Ｉm）、角頻率（ω）和初相（φ0）這3個要素。二、波形圖表示法

以時間t或角度ωt為橫坐標，以交流電的瞬時值（e、u、i）為縱坐標，取交流電在0°、90°、180°、270°、360°時的5個特殊點（五點法作圖），然后用光滑的曲線將它們連起來，即為波形圖。用一條特定的正弦曲線來表示正弦交流電，稱為正弦交流電的波形圖表示法。通過示波器顯示正弦波形即屬于該方法的應用。

波形圖表示法和解析式表示法都屬于直接表示法，可簡明、直接地反映正弦交流電的三要素，能直接求出任一時刻交流電的瞬時值，但是用來完成正弦量的加減運算時卻非常煩瑣。三、旋轉矢量圖及相量圖表示法1.旋轉矢量圖如圖5-10所示為正弦交流電e=Emsin（ωt+φ0）的旋轉矢量圖，其旋轉矢量（帶箭頭的線段）以角速度ω沿逆時針方向旋轉?？捎刹ㄐ螆D作出旋轉矢量圖，作圖步驟如下：

第一步，根據波形圖的最大值（或有效值）確定旋轉矢量的長度，并以此旋轉矢量為半徑畫一個圓。

第二步，將波形圖ωt=0時的縱坐標點對應到旋轉矢量圓周上以確定一個點，如波形圖中的a點對應旋轉矢量圖中的A點，旋轉矢量在A點時與X軸的夾角φ0就是初相。

第三步，確定任一時刻波形圖中的點在旋轉矢量圖中的位置。如ωt1時刻，波形圖中的b點對應旋轉矢量圖中的B點。

這樣，一個周期交流電的三要素便可以用旋轉矢量圖來表示：旋轉矢量的長度表示交流電的最大值（或有效值），旋轉矢量的初相表示交流電的初相，旋轉矢量的角速度表示交流電的角頻率。2.相量圖

由旋轉矢量的初相確定的圖稱為相量圖。根據旋轉矢量是用最大值表示還是有效值表示，可分為最大值相量圖和有效值相量圖，通常采用有效值相量圖表示法。

有效值相量圖表示法是用旋轉矢量的長度（正弦交流電的有效值）作為相量的模，用旋轉矢量的初相φ0作為相量的輻角，而相量本身用è、ù、ì表示，如圖所示。

簡單地說，相量圖以交流電的有效值（或最大值）為矢徑，矢徑做逆時針轉動，矢徑與X軸的夾角為初相。

第三節(jié)

正弦交流電路

一、純電阻電路

除電源外，只含有電阻這一種元件的電路稱為純電阻電路，如電烙鐵、電爐、電烘箱。

在純電阻電路中，如果電阻R兩端的電壓為uR=URmsinωt，則通過電阻的電流為IRmsinωt純電阻電路中的電流、電壓、電阻之間的關系如下：1.大小關系

純電阻電路中的電流、電壓、電阻的最大值、有效值、瞬時值都遵循歐姆定律。2.相位關系

純電阻電路中的電壓與電流同相，其相量圖如圖所示

1.純電感電路中的電流、電壓、感抗之間的關系（1）大小關系。最大值和有效值遵循歐姆定律。即但因為電流與電壓不同相，所以它們的瞬時值不遵循歐姆定律，即

其相量圖如圖所示2.電感在交流電路中的特性由XL=2πfL可知，電感在交流電路中的特性如下：（1）當f=0（直流電）時，XL=0，故通直流、阻交流。（2）因為XL與f成正比，故通低頻、阻高頻。三、純電容電路

除電源外，只含有電容器這一種元件的電路稱為純電容電路，如啟輝器等。如果把一個電容器和一盞指示燈串聯，然后分別接上一個直流電源和一個交流電源，觀察指示燈的發(fā)光情況?？梢钥吹?，接直流電源時，燈不亮，說明直流電不能“通過”電容器；接交流電源時，燈亮，說明交流電可以“通過”電容器（實際上是電容器在充、放電）。接交流電源時，如果把電容器拿掉，會發(fā)現燈更亮，說明電容對交流電也有阻礙作用。

電容對交流電的阻礙作用稱為容抗，用XC表示，單位是歐姆（Ω）。容抗的大小與電容（C）和電流頻率（f）都成反比，即

1.純電容電路中的電流、電壓、容抗之間的關系（1）大小關系。最大值和有效值遵循歐姆定律。即但因為電流與電壓不同相，所以它們的瞬時值不遵循歐姆定律，即

（1）當f=0時，XC不存在,故通交流、隔直流。

（2）因為XC與f成反比，故通高頻、阻低頻。四、電阻、電感、電容的串聯電路

把電阻（R）、電感（L）和電容（C）串聯在一起構成的電路稱為RLC串聯電路，如圖所示。

由于在串聯電路中的電流是相等的，即通過電阻、電感、電容的電流相等，都等于電路的總電流。因此以電流作為參考量來討論它們的電壓的關系。如前所述，在純電阻電路中，電壓與電流同相；在純電感電路中，電壓比電流超前90°；在純電容電路中，電壓比電流落后90°。因為i=iR=iL=iC，故設i=Ｉmsinωt，則有uR=URmsinωtuL=ULmsin（ωt+90°）uC=UCmsin（ωt-90°）

由電壓表達式可作出電壓三角形

阻抗（Z）是指整個電路中各元件對交流電總的阻礙作用。其中，感抗與容抗之差稱為