1电工学基础知识.ppt

* “电”是物质中原子核和电子之间产生排斥力和吸引力的一种属性。是客观存而无法直观可见的一种物质运动的形式，它只能通过能量的转换而表现。 经典原子学说认为：任何物质都是有分子所组成，而分子又由一定数量的原子所组成。一般原子的直径仅有百万分之一毫米，所以人们的眼睛和一般的仪器是看不见的。尽管原子极其微小，但它仍具有复杂的结构，它有一个原子核，在原子核的周围又有一些绕原子核高速旋转的电子，原子核带正电荷，电子带负电荷。一般情况下原子核所带的正电荷和它周围电子所带的负电荷在数值上是相等的。因为物质是由大量的分子组成的，分子又是由原子组成的，从整体上说，它所具有的正负电荷在数值上仍然是相等的，所以在一般情况下物质对外并不显示电的性质。 在物质的原子结构中，原子核周围的电子视物质材质的不同而分数层轨道高速绕行，在最外层轨道绕行的电子，由于距离原子核较远，所以受原子核的束缚较小，因而最不稳定。当外界因素（例如：机械摩擦、热电效应、光电效应、磁电效应等）对其产生影响时，这些外层电子由于获得了一定能量，很容易摆脱原子核的束缚，脱离原有轨道而成为自由电子。失去电子的原子由于原子核所带正电荷多于电子所带的负电荷而呈现正电，反之获得电子的原子则带负电。试验说明：电荷之间存在相互作用力，同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。 生活中我们发现，在一般情况下，导体都是用铜或铝做成的，因为铜或铝能导电，所以叫做导体。在铜线或铝线的外面有时还包着一层橡皮或塑料皮，这样人摸上去就不会触电。橡皮、塑料等材料不导电，叫做绝缘体。 为什么有的物质很容易导电，有的物质非常不易导电呢？原因在于物质内部的结构。各种物质虽然都是由：分子→原子，原子又可分为原子核和核外电子组成的，但是原子核的组成以及核外电子的数目排列方式却各不相同，因而使得各种原子的性质有很大的差别。 上面说的物质带电现象，亦称为物质的静电现象。静电现象无处不在，无处不有。由于正负电荷是相对的，即当一物质带正电荷时，在它周围一定会有另一物质带负电荷，且数值相等。当静电电荷积累到一定数量级时，电荷就会击穿介电物质（例如：空气、陶瓷体）产生静电放电现象。由于静电放电时电子的传导是瞬时的，（比如：雷电），所以在人们的日常生活中，利用静电的现象并不多见，为了使电子持续不断的传导，应用电子的能量造福于人类，人们经过反复的实践和研究，利用特定物质的化学特性制造出了电池、利用特定物质的磁电效应制造出了发电机。这些能使电子持续传导的器具就是电子原，简称电源。 例如：氢原子只有一个核外电子，铜原子有29个，铀原子却有92个。因此，氢、铜、铀的性质差别很大。下图1-1是铝原子的结构示意图。铝原子共有13个电子，分三层围绕着原子核旋转。最外层的电子离原子核最远，受核的束缚力最小，比较容易在外力的作用下挣脱出来成为自由电子。如果这些自由电子按同一方向运动，就形成了电流。所以铜和铝是良导体。导线和电机、变压器等电器设备的线圈，都是用导电性能很好的铜或铝制造的。 在绝缘体中，原子核对电子的束缚力很强，在一般条件下，不能产生大量的自由电子，因此不容易导电，如：橡胶、玻璃、云母、陶瓷电木和干燥的空气都是绝缘体。导线、线圈、电缆的绝缘层和电木开关、电工工具的绝缘手柄等都是用这类材料制造的。 此外，还有一类物质，它们的电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚，又不像绝缘体那样被原子核束缚得很紧，所以它们的导电性能介于导体和绝缘体之间。这类物质叫半导体（关于半导体的性能，在电子电工学中有详述）。硅、锗、硒、氧化铜等都是半导体。晶体二极管、晶体三极管、可控硅，包括近年来发展制造的大电流电力控制器件IGBT管或模块等元件都是用半导体材料做成的。 通过摩擦生电的实验我们知道，带有同性电荷的两个物体有推斥的力量；带有异性电荷的两个物体之间有吸引的力量。而且它们之间的距离愈近作用力愈大。两个物体并没有直接接触，它们之间的相互作用力是从哪里来的呢？ 在寒冷的冬天，如果屋子里有个火炉，我们就会感到暖哄哄的。我们虽然没有直接接触炉火，也会感觉到炉火的热。这是因为炉火的周围存在着热场。我们虽然看不到热场，但是通过温度能感觉到它的存在。 和这种情况相似，在带电体周围存在着电场，如果把一个试验电荷（带有微少电量的正电荷）放到电场里，试验电荷就会受到力的作用，这种力叫做电场力。 假设有一个带电的球体，带有正电荷Q。当把一个试验电荷q0放到这个带电体的电场中时，由于q0和Q是同性电荷，所以试验电荷将受到电场力f的推斥作用，电场力的方向向外，并作用在球体中心与q0的直连线上。 我们可以用许多条线（直线或曲线）来形象地描述电场的性质，这些线上的点的方向，都代表试验电荷在该点所受到的电场力的方向，我们