《家电维修基础》1-1 电学的基本物理量

2017年3月2日19:42:09 评论 16,662 4019字阅读13分23秒

§1-1 电学的基本物理量

一、电量

自然界中的一切物质都是由分子组成的,分子又是由原子组成的,而原子是由带正电荷的原子核和一定数量带负电荷的电子组成的。在通常情况下,原子核所带的正电荷数等于核外电子所带的负电荷数,原子对外不显电性。但是,用一些办法,可使某种物体上的电子转移到另外一种物体上。失去电子的物体带正电荷,得到电子的物体带负电荷。物体失去或得到的电子数量越多,则物体所带的正、负电荷的数量也越多。

物体所带电荷数量的多少用电量来表示。电量是一个物理量,它的单位是库仑,用字母C表示。1C的电量相当于物体失去或得到6.25×1018个电子所带的电量。

二、电流

电荷的定向移动形成电流。电流有大小,有方向。

1.电流的方向

1、人们规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。金属导体中,电流是电子在导体内电场的作用下定向移动的结果,电子流的方向是负电荷的移动方向,与正电荷的移动方向相反,所以金属导体中电流的方向与电子流的方向相反,如图1—1所示。

图1-1 金属导体中的电流方向

2.电流的大小

电学中用电流强度来衡量电流的大小。电流强度就是l秒钟通过导体截面的电量。电流强度用字母 I  表示,计算公式为:

\(I=Q/t\)

式中“I ”代表电流强度,单位安培(A);“Q”代表在t秒时间内,通过导体截面的电量数,单位库仑(C);“t”代表时间,单位秒(s)。

实际使用时,人们把电流强度简称为电流。电流的单位是安培,简称安,用字母A表示。如果1秒内通过导体截面的电量为1库仑,则该电流的电流强度为1安培,习惯简称电流为1安。实际应用中,除单位安培外,还有千安(kA)、毫安(mA)和微安(μA)。它们之间的关系为:

\(1kA=10^3A\)

\(1A=10^3mA\)

\(1mA=10^3μA\)

三、电压

为了弄清楚电荷在导体中定向移动而形成电流的原因,我们对照图1-2a水流的形成来理解这个问题。

从图1-2a可以看到外水由一A槽经C管向8槽流去。水之所以能在C管中进行定向移动,是由于A槽水位高,B槽水位低所致:A,B两槽之间的水位差即水压,是实现水形成水流的原因。与此相似,当图1-2b中的开关S闭合后,电路里就有电流。这是因为电源的正极电位高,负极电位低。两个极间电位差(电压)使正电荷从正极出发,经过负载R移向负极形成电流。所以,电压是自由电荷发生定向移动形成电流的原因。在电路中电场力把单位正电荷由高电位a点移向低电位b点所做的功称为两点间的电压,用\(U_{ab}\)表示,所以电压是ab两点间的电位差,它是衡量电场力做功本领大小的物理量。

电压用字母U表示,单位为伏特,电场力将1库仑电荷从a点移到b点所做的功为1焦耳,则ab间的电压值就是1伏特,简称伏,用字母V表示。常用的电压单位还有千伏(kV),毫伏(mV)等。它们之间的关系为: 

\(1kV=10^3V\)

\(1V=10^3mV\)

电压与电流相似,不但有大小,而且有方向。对于负载来说,电流流人端为正端,电流流出端为负端。电压的方向是由正端指向负端,也就是说负载中电压实际方向与电流方向一致。在电路图中,用带箭头的细实线表示电压的方向。

四、电动势、电源

在图1-2a中,为使水在C管中持续不断地流动,必须用水泵把B槽中的水不断地泵入A槽,以维持两槽间的固定水位差,也就是要保证C管两端有一定的水压。在图1-2b中,电源与水泵的作用相似,它把正电荷由电源的负极移到正极,以维持正、负极间的电位差,即电路中有一定的电压使正电荷在电路中持续不断地流动。

电源是利用非电力把正电荷由负极移到正极的,它在电路中将其他形式能转换成电能。电动势就是衡量电源能量转换本领的物理量,用字母E表示,它的单位也是伏特,简称伏,用字母V表示。

电源的电动势只存在于电源内部。人们规定电动势的方向在电源内部由负极指向正极。在电路中也用带箭头的细实线表示电动势的方向,如图1-2b所示。当电源两端不接负载时,电源的开路电压等于电源的电动势,但二者方向相反。

生活中用测量电源端电压的办法,来判断电源的状态。比如测得工作电路中两节5号电池的端电压为2.8 V,则说明电池电量比较充足。

五、电阻

一般来说,导体对电流的阻碍作用称为电阻,用字母R表示。电阻的单位为欧姆,简称欧,用字母Ω表示。

如果导体两端的电压为1伏,通过的电流为1安,则该导体的电阻就是1欧。常用的电阻单位还有千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)。它们之间的关系为:

公式1-1:

\(1kΩ=10^3Ω\)

\(1MΩ=10^3kΩ\)

应当强调指出:电阻是导体中客观存在的,它与导体两端电压变化情况无关,即使没有电压,导体中仍然有电阻存在。实验证明,当温度一定时,导体电阻只与材料及导体的几何尺寸有关。对于二根材质均匀、长度为L、截面积为S的导体而言,其电阻大小可用下式表示:

公式1-2:

\(R=ρ\frac{L}{S}\)

式中 “R”代表导体电阻,单位为欧(Ω);“L”代表导体长度,单位为米(m);“S”代表导体截面积,单位为平方毫米(mm²);“ρ”代表电阻率,单位为欧·米(Ω·m)。

式中电阻率是与材料性质有关的物理量。电阻率的大小等于长度为1mm²,截面积为1的导体在一定温度下的电阻值,其单位为欧米(Ω:m)。例如,铜的电阻率为1.7×\(10^{-8}\)Ω·m,就是指长为1m,截面积为1mmz的铜线的电阻是1.7×\(10^{-8}\)Ω。几种常用材料在20℃时的电阻率见表1-1。

从表中可知,铜和铝的电阻率较小,是应用极为广泛的导电材料。以前,由于我国铝的矿藏量丰富,价格低廉,常用铝线作输电线。由于铜线有更好的电气特性,如强度高、电阻率小,现在铜制线材被更广泛应用。电动机、变压器的绕组一般都用铜材。

六、电功、电功率

电流通过用电器时,用电器就将电能转换成其他形式的能,如热能、光能和机械能等。我们把电能转换成其他形式的能叫做电流做功,简称电功,用字母W表示。电流通过用电器所做的功与用电器的端电压、流过的电流、所用的时间和电阻有以下的关系:

公式1-3:

\(W=UIt\)

\(W=I^2Rt\)

\(W=\frac{U²}{R}t\)

如果公式(1-3)中,电压单位为伏,电流单位为安,电阻单位为欧,时间单位为秒,则电功单位就是焦耳,简称焦,用字母J表示。

电流在单位时间内通过用电器所做的功称为电功率,用字母P表示。其数学表达式为:P=\(\frac{W}{t}\),将公式(1-3)代入公式1-4后得到:

公式1-4:

\(P=\frac{U²}{R}\)

\(P=UI\)

\(P=I^2R\)

若在公式(1-4)中,电功单位为焦耳,时间单位为秒,则电功率的单位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特,简称瓦,用字母W表示。在实际工作中,常用的电功率单位还有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它们之间的关系为:

公式1-5:

\({1kW=10}^3W\)

\({1W=10}^3mW\)

 

从公式1-5中可以得出如下结论:

1.当用电器的电阻一定时,电功率与电流平方或电压平方成正比。若通过用电器的电流是原来电流的2倍,则电功率就是原功率的4倍;若加在用电器两端电压是原电压的2倍,则电功率就是原功率的4倍。

2.当流过用电器的电流一定时,电功率与电阻值成正比。对于串联电阻电路,流经各个电阻的电流是相同的,则串联电阻的总功率与各个电阻的电阻值的和成正比。

3.当加在用电器两端的电压一定时,电功率与电阻值成反比。对于并联电阻电路,各个电阻两端电压相等,则各个电阻的电功率与各电阻的阻值成反比。

在实际工作中,电功的单位常用千瓦小时(kW·h),也叫“度”。1千瓦小时是1度,它表示功率为1千瓦的用电器1小时所消耗的电能,即:

\({1kW·h=1kW×1h=3.6×10}^6J\)

例题1 一台42英寸(1英寸=2.54厘米)等离子电视机的功率约为300W,平均每天开机3小时,若每度电费为人民币0.48元,问一年(以365天计算)要交纳多少电费?

解:

电视机的功率P=300 W=0.3 kW

电视机一年开机的时间t=3×365=1 095 h

电视机一年消耗的电能W=Pt=0.3×1 095=328.5 kW·h

一年的电费为328.5×0.48=157.68元

想一想:现在的电气在不工作时经常是通电的,(待机状态),此时的功耗很低,一般不超过10 W(计算时可以估算为5 W),假定家中有空调、电视机、DVD播放器、家庭影院功放、计算机主机、计算机显示器,如果这些电气长期处在待机状态,它们一年要消耗多少电费?有没有其他问题?

七、电流的热效应

电流通过导体使导体发热的现象叫做电流的热效应。电流的热效应是电流通过导体时电能转换成热能的效应。

电流通过导体产生的热量,用焦耳一楞次定律表示如下:

\(Q=I^2Rt\)

式中 Q代表热量,单位焦耳(J);  I代表通过导体的电流,单位安培(A);    R代表导体电阻,一单位欧姆(Ω);  t代表导体通过电流的时间,单位秒(S)。

焦耳一楞次定律的物理意义是:电流通过导体所产生的热量,与电流强度的平方、导体的电阻及通电时间成正比。

在生产和生活中,应用电流热效应制作各种电气。如白炽灯、电烙铁、电烤箱、熔断器等在工厂中最为常见;电吹风、电褥子等常用于家庭中。但是电流的热效应也有其不利的一面,如电流的热效应能使电路中不需要发热的地方(如导线)发热,导致绝缘材料老化,甚至烧毁设备,导致火灾,是一种不容忽视的潜在祸因。

例题2 已知当一台电烤箱的电阻丝流过5 A电流时,每分钟可放出1.2×\(10^6\)J的热量,求这台电烤箱的电功率及电阻丝工作时的电阻值

解:

根据公式(1-4),电烤箱的电功率为:

\(P=\frac{W}{t}=\frac{Q}{t}=\frac{1.2×10^6}{60}=20kW\)

电阻丝工作时电阻值为:

\(R=\frac{P}{I^2}=\frac{20000}{25}=800Ω\)

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