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电学知识要点:欧姆、基尔霍夫定律与电学单位换算

时间:2023-06-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:它们之间的换算关系是1kA=103A1A=103mA=106A在电学知识中,电压是衡量电场力做功能力大小的物理量;在电子电路中,任意两点之间的电位差称为这两点的电压。它们之间的换算关系是1kV=103V1V=103mV=106V在电学知识中,电功率是衡量电能转换为其他形式能量速率的物理量,即等于单位时间内电流所做的功。它们之间的换算关系是1kW=103W1W=103mW2.掌握欧姆定律和基尔霍夫定律欧姆定律是电学理论及电子技术中一个最基本,也是最重要的一个定律。如交流220V电压有最大值为311V。

电学知识要点:欧姆、基尔霍夫定律与电学单位换算

1.熟悉电流、电压和电功率的基本概念,掌握其单位及换算关系

(1)带电的粒子称为电荷,电荷的有规则的定向运动,称为电流。

(2)常用的电流单位有安培(A)、千安(kA)、毫安(mA)和微安(µA)。它们之间的换算关系是

1kA=103A

1A=103mA=106µA

(3)在电学知识中,电压是衡量电场力做功能力大小的物理量;在电子电路中,任意两点之间的电位差称为这两点的电压。

(4)常用电压的单位有伏特(V)、千伏(kV)、毫伏(mV)和微伏(µV)。它们之间的换算关系是

1kV=103V

1V=103mV=106µV

(5)在电学知识中,电功率是衡量电能转换为其他形式能量速率的物理量,即等于单位时间内电流所做的功。

(6)常用电功率的单位有瓦特(W)、千瓦(kV)和毫瓦(mV)。它们之间的换算关系是

1kW=103W

1W=103mW

2.掌握欧姆定律和基尔霍夫定律

(1)欧姆定律是电学理论及电子技术中一个最基本,也是最重要的一个定律。欧姆定律分为部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律。其中部分电路欧姆定律的内容为:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。其数学表达式为

I=U/R

也可变换为以下两个计算式:U=IRR=U/I

(2)基尔霍夫定律分为节点电流定律和回路电压定律。

在任一瞬间,对于任一节点,流入该节点的电流之和恒等于流出这个节点的电流之和。它不仅适用于节点,也可推广到任一封闭面。如晶体三极管的三个极的电流关系为

IE=IB+IC

在任一瞬间沿任一回路绕行一周,各段电压的代数和恒等于零。

3.熟悉正弦交流电的基本概念

(1)正弦交流电的三要素。一个正弦交流电可以用三个物理量来描述,即振幅Vm[1]Im)、频率(ωf)及初相位(ϕ0),常称它们为正弦交流电的三个要素。

(2)正弦交流电的电压振幅用Vm表示,电流振幅用Im表示,它们是正弦交流电在变化过程中的电压最大值及电流最大值,有时也称为峰值。正弦交流电每变化一个周期,各出现一次正最大值和—次负最大值。由于正弦交流电大小是随时间变化的,这给分析计算和测量带来不便。为此正弦交流电引入了一个既能表示大小又不随时间变化的物理量,即有效值,它等于正弦交流电最大值的978-7-111-39050-3-Chapter01-1.jpg,反过来最大值是有效值的978-7-111-39050-3-Chapter01-2.jpg倍。如交流220V电压有最大值为311V(220V×1.414)。

(3)正弦交流电每变化一次所经历的时间,称为正弦交流电的周期,用T表示,单位为秒(s)。正弦交流电在1s内变化的次数,称为正弦交流电的频率,用f表示,单位为赫兹(Hz)。周期和频率都是表示正弦交流电变化快慢程度的物理量,它们互成倒数关系,即

f=1/TT=1/f

(4)初相角是反映正弦交流电变化步调的物理量,频率相同而初相角不同的正弦交流电具有不同的变化步调,即它们不在同一时刻达到正最大值或负最大值。

(5)在交流电路中,除有电阻外,还有电感和电容,它们也会对电流起到阻碍作用,这种作用分别叫感抗和容抗,它们的单位也都是欧姆(Ω)。

一个电感具有的感抗不仅与其电感量L(单位为H)有关,还与通过它的电流频率f(单位为Hz)有关,感抗用XL表示。单位为Ω。其计算公式为

XL=2πfL

同样,一个电容具有的容抗不仅与其电容量C(单位为F)有关,还与通过它的电流频率f(单位为Hz)有关,容抗用XC表示。单位为Ω。其计算公式为

XC=1/(2πfC)

可见,感抗与其电感和频率成正比,而容抗与其电容和频率成反比。电感和电容是一对矛盾。

4.熟悉电磁感应的基本知识

(1)磁场在一定条件下可以在导线里引起电流,通常把这种现象叫做电磁感应现象,由电磁感应产生的电流叫做感应电流,推动感应电流的电动势(或电压)叫做感应电动势(或感应电压)。

线圈中磁力线发生变化时,也会产生感应电动势。

(2)人们从实践中发现:如果线圈磁场(或磁力线)的变化是由外加电源所引起,那么产生的感应电动势总是与外加电源电压的方向相反。当线圈中外加电流增大时,感应电动势要阻止外加电流的增大;当外加电流减小时,感应电动势要阻止外加电流的减小。或者说,当线圈的磁场发生变化时,产生的感应电流的磁场总是阻止原来磁场的变化。这种变化规律通常称为楞次定律

(3)变压器是利用电感的互感应原理工作,具有传交流隔直流、电压变换、阻抗变换和相位变换的作用。变压器由一次绕组与二次绕组两部分组成,它们之间由铁心或磁心作为耦合媒介。

变压器的主要参数有电压比、频率特性、额定功率效率等。

变压器的电压比(旧标准称为变压比),用n表示,它是二次绕组匝数与一次绕组匝数之比,或是二次绕组两端的输出电压与一次绕组两端的输入电压之比。变压器的电压比n与一次、二次绕组的匝数和电压之间的关系如下

(2)正弦交流电的电压振幅用Vm表示,电流振幅用Im表示,它们是正弦交流电在变化过程中的电压最大值及电流最大值,有时也称为峰值。正弦交流电每变化一个周期,各出现一次正最大值和—次负最大值。由于正弦交流电大小是随时间变化的,这给分析计算和测量带来不便。为此正弦交流电引入了一个既能表示大小又不随时间变化的物理量,即有效值,它等于正弦交流电最大值的978-7-111-39050-3-Chapter01-1.jpg,反过来最大值是有效值的978-7-111-39050-3-Chapter01-2.jpg倍。如交流220V电压有最大值为311V(220V×1.414)。

(3)正弦交流电每变化一次所经历的时间,称为正弦交流电的周期,用T表示,单位为秒(s)。正弦交流电在1s内变化的次数,称为正弦交流电的频率,用f表示,单位为赫兹(Hz)。周期和频率都是表示正弦交流电变化快慢程度的物理量,它们互成倒数关系,即

f=1/TT=1/f

(4)初相角是反映正弦交流电变化步调的物理量,频率相同而初相角不同的正弦交流电具有不同的变化步调,即它们不在同一时刻达到正最大值或负最大值。

(5)在交流电路中,除有电阻外,还有电感和电容,它们也会对电流起到阻碍作用,这种作用分别叫感抗和容抗,它们的单位也都是欧姆(Ω)。

一个电感具有的感抗不仅与其电感量L(单位为H)有关,还与通过它的电流频率f(单位为Hz)有关,感抗用XL表示。单位为Ω。其计算公式为

XL=2πfL

同样,一个电容具有的容抗不仅与其电容量C(单位为F)有关,还与通过它的电流频率f(单位为Hz)有关,容抗用XC表示。单位为Ω。其计算公式为

XC=1/(2πfC)

可见,感抗与其电感和频率成正比,而容抗与其电容和频率成反比。电感和电容是一对矛盾。

4.熟悉电磁感应的基本知识

(1)磁场在一定条件下可以在导线里引起电流,通常把这种现象叫做电磁感应现象,由电磁感应产生的电流叫做感应电流,推动感应电流的电动势(或电压)叫做感应电动势(或感应电压)。

线圈中磁力线发生变化时,也会产生感应电动势。

(2)人们从实践中发现:如果线圈磁场(或磁力线)的变化是由外加电源所引起,那么产生的感应电动势总是与外加电源电压的方向相反。当线圈中外加电流增大时,感应电动势要阻止外加电流的增大;当外加电流减小时,感应电动势要阻止外加电流的减小。或者说,当线圈的磁场发生变化时,产生的感应电流的磁场总是阻止原来磁场的变化。这种变化规律通常称为楞次定律。

(3)变压器是利用电感的互感应原理工作,具有传交流隔直流、电压变换、阻抗变换和相位变换的作用。变压器由一次绕组与二次绕组两部分组成,它们之间由铁心或磁心作为耦合媒介。

变压器的主要参数有电压比、频率特性、额定功率和效率等。

变压器的电压比(旧标准称为变压比),用n表示,它是二次绕组匝数与一次绕组匝数之比,或是二次绕组两端的输出电压与一次绕组两端的输入电压之比。变压器的电压比n与一次、二次绕组的匝数和电压之间的关系如下

式中 N1——变压器一次(初级)绕组匝数;

N2——二次(次级)绕组匝数;

V1——一次绕组两端的电压;

V2——二次绕组两端的电压。

n<1时是升压变压器;当n>1时是降压变压器;当n=1时是1:1隔离变压器

5.掌握电阻、电容的基本特性及串、并联关系

(1)电子在物体内移动会遇到阻力,物体对电流的阻碍作用称之为电阻。利用导体的电阻可制成电阻器,电阻器在电路中的主要作用是控制电路中电流与电压,如在串联电路中,电流相等,电阻器的阻值越大,则电流通过电阻器产生的电压降越大;在并联电路中,电压相等,电阻器的阻值越大,阻碍电流通过的能力越强,则流过电阻器的电流越小。

电阻的基本单位是欧姆,简称欧,用字母Ω来表示。为计算方便,也常以千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)为单位,这三个单位的换算关系如下:

式中 N1——变压器一次(初级)绕组匝数;

N2——二次(次级)绕组匝数;

V1——一次绕组两端的电压;

V2——二次绕组两端的电压。

n<1时是升压变压器;当n>1时是降压变压器;当n=1时是1:1隔离变压器。

5.掌握电阻、电容的基本特性及串、并联关系

(1)电子在物体内移动会遇到阻力,物体对电流的阻碍作用称之为电阻。利用导体的电阻可制成电阻器,电阻器在电路中的主要作用是控制电路中电流与电压,如在串联电路中,电流相等,电阻器的阻值越大,则电流通过电阻器产生的电压降越大;在并联电路中,电压相等,电阻器的阻值越大,阻碍电流通过的能力越强,则流过电阻器的电流越小。

电阻的基本单位是欧姆,简称欧,用字母Ω来表示。为计算方便,也常以千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)为单位,这三个单位的换算关系如下:

导体电阻的大小决定于导体的材料、长度和截面积。导体电阻与其长度L成正比,与其横截面积S成反比,用公式表示为

导体电阻的大小决定于导体的材料、长度和截面积。导体电阻与其长度L成正比,与其横截面积S成反比,用公式表示为

式中比例系数ρ叫做导体的电阻系数或电阻率,它与导体材料的性质有关,单位为Ω·m。

(2)电阻逐个顺次首尾串接,中间无分支的电路,称为电阻串联电路。电阻串联电路有如下一些特点:

1)电路的总电流等于流过各电阻的电流,即

式中比例系数ρ叫做导体的电阻系数或电阻率,它与导体材料的性质有关,单位为Ω·m。

(2)电阻逐个顺次首尾串接,中间无分支的电路,称为电阻串联电路。电阻串联电路有如下一些特点:

1)电路的总电流等于流过各电阻的电流,即

2)电路的总电压等于各电阻两端电压之和,即

2)电路的总电压等于各电阻两端电压之和,即

3)电路中各电阻两端的电压与电阻的阻值成正比,即阻值大的电阻,其两端的电压也大,阻值小的电阻,其两端的电压也小,这种关系称为分压关系。

4)电路的总等效电阻等于各电阻之和,即

3)电路中各电阻两端的电压与电阻的阻值成正比,即阻值大的电阻,其两端的电压也大,阻值小的电阻,其两端的电压也小,这种关系称为分压关系。

4)电路的总等效电阻等于各电阻之和,即

5)电路中各电阻消耗的功率与电阻的阻值成正比,即阻值大的电阻消耗的功率多,阻值小的电阻消耗的功率少。

6)电路中消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和。

(3)电阻并列地连接在两根导线之间的电路,称为电阻并联电路。电阻并联电路有如下特点:(www.xing528.com)

1)电路的总电压等于各电阻两端的电压,即

V=V1=V2

2)电路的总电流等于流过各电阻的分电流之和,即

I=I1+I2

3)电路中流过各电阻的电流与电阻的阻值成反比,即阻值大的电阻流过的电流小,阻值小的电阻流过的电流大,这种关系称为分流关系。

4)电路总电阻的倒数等于各电阻倒数之和,即

5)电路中各电阻消耗的功率与电阻的阻值成正比,即阻值大的电阻消耗的功率多,阻值小的电阻消耗的功率少。

6)电路中消耗的总功率等于各电阻消耗的功率之和。

(3)电阻并列地连接在两根导线之间的电路,称为电阻并联电路。电阻并联电路有如下特点:

1)电路的总电压等于各电阻两端的电压,即

V=V1=V2

2)电路的总电流等于流过各电阻的分电流之和,即

I=I1+I2

3)电路中流过各电阻的电流与电阻的阻值成反比,即阻值大的电阻流过的电流小,阻值小的电阻流过的电流大,这种关系称为分流关系。

4)电路总电阻的倒数等于各电阻倒数之和,即

5)电路中各个电阻消耗的功率与阻值成反比,即阻值大的电阻消耗的功率少,阻值小的电阻消耗的功率多。

6)电路中消耗的总功率等于各电阻消耗功率之和。

(4)电容器简称电容,它是电子电路中最常用的基本元件之一。形象地说,电容器是储存电荷的容器,它的容量决定了它对电荷的存储能力。

电容器具有只能通过交流电而不能通过直流电的特性,因此在电路中起耦合、滤波、旁路与延时作用,与电感等元件组成振荡电路与调谐电路等。

电容器储存电荷的能力叫做电容量,简称容量,基本单位是法拉,简称法(F)。在实际运用中常用微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)作单位。它们之间的换算关系是

1F=106μF

1μF=1000nF

1nF=1000pF

(5)利用电容器的串联、并联及串并联混合等多种方法,可以改变电容器的容量与极性,暂时代用找不到合适的电容器。如当一只电容器的耐压不能满足需要时,可采用串联的方法,以提高耐压;当一只电容器的电容量不能满足需要时,可采用并联的方法,以增大电容量;当耐压与电容量都需提高时,可采用串并联混合的方法予以解决。

当两个电容器串联或并联使用时,其串联总电容量Cs并联总电容量CP可按下式进行计算:

Cs=C1C2/(C1+C2),CP=C1+C2

当电容器串联代用时,如果它们的电容量不相同,则电容量小的电容器分得的电压高。所以,在串联代用时,最好选用电容量与耐压均相同的电容器,否则电容量小的电容器有可能由于分得的电压过高而被击穿。当电容器并联使用时,每只电容器的耐压均应高于电路中的电压。

6.掌握串、并联谐振电路的基本特性

(1)在RLC串联电路中,如果电路中的XL=XC时,电路的总电压与总电流同相,电路呈纯阻性,这时称电路发生了串联谐振。

RLC串联电路发生谐振时,电路具有以下几个特点:

1)电路在一个特定的频率上发生谐振,这个频率称为串联谐振频率,用f0表示。因为电路谐振时XL=XC,即

f0L=1/(2πf0C)整理后可得

5)电路中各个电阻消耗的功率与阻值成反比,即阻值大的电阻消耗的功率少,阻值小的电阻消耗的功率多。

6)电路中消耗的总功率等于各电阻消耗功率之和。

(4)电容器简称电容,它是电子电路中最常用的基本元件之一。形象地说,电容器是储存电荷的容器,它的容量决定了它对电荷的存储能力。

电容器具有只能通过交流电而不能通过直流电的特性,因此在电路中起耦合、滤波、旁路与延时作用,与电感等元件组成振荡电路与调谐电路等。

电容器储存电荷的能力叫做电容量,简称容量,基本单位是法拉,简称法(F)。在实际运用中常用微法(μF)、纳法(nF)和皮法(pF)作单位。它们之间的换算关系是

1F=106μF

1μF=1000nF

1nF=1000pF

(5)利用电容器的串联、并联及串并联混合等多种方法,可以改变电容器的容量与极性,暂时代用找不到合适的电容器。如当一只电容器的耐压不能满足需要时,可采用串联的方法,以提高耐压;当一只电容器的电容量不能满足需要时,可采用并联的方法,以增大电容量;当耐压与电容量都需提高时,可采用串并联混合的方法予以解决。

当两个电容器串联或并联使用时,其串联总电容量Cs并联总电容量CP可按下式进行计算:

Cs=C1C2/(C1+C2),CP=C1+C2

当电容器串联代用时,如果它们的电容量不相同,则电容量小的电容器分得的电压高。所以,在串联代用时,最好选用电容量与耐压均相同的电容器,否则电容量小的电容器有可能由于分得的电压过高而被击穿。当电容器并联使用时,每只电容器的耐压均应高于电路中的电压。

6.掌握串、并联谐振电路的基本特性

(1)在RLC串联电路中,如果电路中的XL=XC时,电路的总电压与总电流同相,电路呈纯阻性,这时称电路发生了串联谐振。

RLC串联电路发生谐振时,电路具有以下几个特点:

1)电路在一个特定的频率上发生谐振,这个频率称为串联谐振频率,用f0表示。因为电路谐振时XL=XC,即

f0L=1/(2πf0C)整理后可得

2)电路阻抗最小,且为纯电阻。由于电路谐振时XL=XC,此时,电路阻抗Z0

2)电路阻抗最小,且为纯电阻。由于电路谐振时XL=XC,此时,电路阻抗Z0

3)电路中总电流最大,且与总电压同相。由于串联电路谐振时电路阻抗最小,所以总电压不变时,总电流最大,且大小为

I0=V/Z0=V/R

4)电路中电感、电容两端的电压大小相等,且为电路总电压的Q倍,即

VL=VC=QV

其中

3)电路中总电流最大,且与总电压同相。由于串联电路谐振时电路阻抗最小,所以总电压不变时,总电流最大,且大小为

I0=V/Z0=V/R

4)电路中电感、电容两端的电压大小相等,且为电路总电压的Q倍,即

VL=VC=QV

其中

上式中的Q称为串联谐振电路的品质因数,又称Q值。一般RLC串联谐振电路Q值在几十到几百之间。所以电路发生串联谐振时,电感、电容两端的电压要比总电压高很多。

(2)在RLC并联电路中,如果电路中的XL=XC时,电路的总电压与总电流同相,电路呈纯阻性,这时称电路发生了并联谐振。RLC并联电路发生谐振时,电路具有以下特点:

1)电路在—个特定的频率下发生谐振,这个频率称为并联谐振频率,用f0表示。因为电路谐振时XL=XC,即

f0L=1/(2πf0C

整理后可得

上式中的Q称为串联谐振电路的品质因数,又称Q值。一般RLC串联谐振电路Q值在几十到几百之间。所以电路发生串联谐振时,电感、电容两端的电压要比总电压高很多。

(2)在RLC并联电路中,如果电路中的XL=XC时,电路的总电压与总电流同相,电路呈纯阻性,这时称电路发生了并联谐振。RLC并联电路发生谐振时,电路具有以下特点:

1)电路在—个特定的频率下发生谐振,这个频率称为并联谐振频率,用f0表示。因为电路谐振时XL=XC,即

f0L=1/(2πf0C

整理后可得

2)电路阻抗最大,且为纯电阻。由于电路谐振时XL=XC,此时,电路阻抗Z0

2)电路阻抗最大,且为纯电阻。由于电路谐振时XL=XC,此时,电路阻抗Z0

3)电路中总电流最小,且与总电压同相。因并联电路谐振时阻抗最大,所以总电压

不变时,总电流最小,且大小为

I0=V/Z0=V/R

4)电路中流过电感、电容的电流大小相等,且为电路总电流的Q倍,流过电阻的电流等于电路总电流。

IL=IC=QI0

其中

3)电路中总电流最小,且与总电压同相。因并联电路谐振时阻抗最大,所以总电压

不变时,总电流最小,且大小为

I0=V/Z0=V/R

4)电路中流过电感、电容的电流大小相等,且为电路总电流的Q倍,流过电阻的电流等于电路总电流。

IL=IC=QI0

其中

上式中的Q称为并联谐振电路的品质因数,又称Q值。可见电路发生并联谐振时,流过电感、电容两端的电流要比总电流大很多。

值得注意的是,并联谐振电路也具有选择性,并在信号源内阻很大时,选择性很好,所以并联谐振电路只适用于信号源内阻很大的场合。

上式中的Q称为并联谐振电路的品质因数,又称Q值。可见电路发生并联谐振时,流过电感、电容两端的电流要比总电流大很多。

值得注意的是,并联谐振电路也具有选择性,并在信号源内阻很大时,选择性很好,所以并联谐振电路只适用于信号源内阻很大的场合。

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