高中物理 第3章 恒定电流 第1节 电流 电源分类素材 鲁科版选修31
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电源电源是将其它形式的能转换成电能的装置。
电源自“磁生电”原理,由水力、风力、海潮、水坝水压差、太阳能等可再生能源,及烧煤炭、油渣等产生电力来源。
常见的电源是干电池(直流电)与家用的110V-220V 交流电源。
电源概述:发电机能把机械能转换成电能,干电池能把化学能转换成电能。
发电机、电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了。
干电池等叫做电源。
通过变压器和整流器,把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。
能提供信号的电子设备叫做信号源。
晶体三极管能把前面送来的信号加以放大,又把放大了的信号传送到后面的电路中去。
晶体三极管对后面的电路来说,也可以看做是信号源。
整流电源、信号源有时也叫做电源。
电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所需要的电能。
电源功率的大小,电流和电压是否稳定,将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。
计算机电源是一种安装在主机箱内的封闭式独立部件,它的作用是将交流电通过一个开关电源变压器换为5V,-5V,+12V,-12V,+3.3V等稳定的直流电,以供应主机箱内系统版,软盘,硬盘驱动及各种适配器扩展卡等系统部件使用。
通俗来讲就是,一个电源坏了,另一个备份电源代替其供电。
可以通过为节点和磁盘提供电池后援来增强硬件的可用性。
HP 支持的不间断电源(UPS),如 HP PowerTrust,可提防瞬间掉电。
磁盘与供电电路的连接方式应使镜像副本分别连接到不同的电源上。
根磁盘与其相应的节点应由同一电源电路供电。
特别是,群集锁磁盘(当重组群集时用作仲裁器)应该有冗余电源,或者,它能由群集中节点之外的电源供电。
HP 代表可提供关于群集的电源、磁盘和 LAN 硬件布局方面的详细信息。
电流科学上把单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度,简称电流。
通常用字母 I 表示,它的单位是安培,符号 A ,也是指电荷在导体中的定向移动。
导体中的自由电子在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了电流。
电源的电动势形成了电压,继而产生了电场力,在电场力的作用下,处于电场内的电荷发生定向移动,形成了电流。
电流的大小称为电流强度(简称电流,符号为I),是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量,每秒通过1库仑的电量称为1「安培」(A)。
安培是国际单位制中所有电性的基本单位。
除了A,常用的单位有千安(kA)毫安(mA)、微安(μA) 。
1A=1000mA=1000000μA,电学上规定:正电荷定向流动的方向为电流方向。
电流微观表达式I=nesv,n为单位体积内自由电荷数,e为电子的电荷量,s为导体横截面积,v为电荷速度。
大自然有很多种承载电荷的载子,例如,导电体内可移动的电子、电解液内的离子、等离子体内的电子和离子、强子内的夸克。
这些载子的移动,形成了电流。
定义:单位时间内通过导体横截面的电荷量,叫电流,通常用I代表电流,表达式,单位是“安培”(这个单位是为了纪念法国物理学家安培在电学研究中的巨大贡献而命名的),简称“安”,符号“A”。
英国物理学家法拉第在1831年做了切割磁力线实验,在闭合回路中就有电流产生。
这一现像证明电和磁之间可以相互转换。
电流是物理学中的七个基本量纲之一(另外6个为:长度m、时间s、质量kg、热力学温度K、发光强度cd、物质的量mol)。
电流分直流和交流两种,电流的方向不随时间的变化的叫做直流,电流的大小和方向随时间变化的叫交流。
电流是指一群电荷的流动[1]。
电流的大小称为电流强度,是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量,每秒通过一库仑(6.242 × 1018 个电子)的电量称为一「安培」(Ampere)。
安培是国际单位制中的一种基本单位[1]。
电流表是专门测量电流的仪器。
第1节电流思维激活1.如果用橡胶线把充电电容器的两个极板和电流表连接起来,不会有电流通过;如果改用金属导线来连接,电流表就会有电流通过,这是为什么呢?2.将小灯泡接在充满电的电容器两端,看到小灯泡闪亮一下后就熄灭了,而在手电筒里的小灯泡却能持续发光,这是为什么呢?答案:1.提示:因为电流是由自由电荷的定向移动形成的,而金属原子核对电子的束缚能力较弱,电子很容易挣脱原子核的束缚成为自由电子.但在橡胶等绝缘体内,原子核对电子的束缚能力较强,很少有电子能够挣脱而成为自由电子,所以用金属导线有电流,而用橡胶线就没有电流.2.提示:在充满电的电容器两端接上小灯泡,电容器中的电荷通过小灯泡电路放电,正负电荷中和,放电电流瞬间消失,不能在小灯泡中形成持续的电流.而手电筒中的电池可以使电路中保持有持续的电流.自主整理1.电流的形成(1)形成电流的条件:①回路中存在__________;②导体两端有__________.(2)导体中形成持续电流的条件:__________.2.电流的速度电流的速度是__________的传播速度,而不是电子的运动速度.3.电流的方向电流的方向规定为__________定向移动的方向.4.电流的大小和单位(1)定义:电荷定向移动时,在__________内通过导体__________的电荷量称为电流.(2)定义式:__________.(3)单位:__________.常用单位还有__________和__________;换算关系:1 A=__________mA=__________μA.(4)直流电:物理学中把__________的电流叫做直流电.(5)恒定电流:方向和大小都__________的电流叫做恒定电流.答案:1.(1)自由电荷电压(2)导体两端有持续电压2.电场3.正电荷4.(1)单位时间任一横截面(2)I=q/t(3)安培(A) 毫安(mA) 微安(μA) 1 000 106(4)方向不随时间改变(5)不随时间改变高手笔记1.电流是标量,但有方向.物理学中规定正电荷移动的方向为电流方向.2.三种速度:导体中电荷定向移动的速度、电子的热运动速度和电流的速度不是同一概念.电荷的定向移动速度的数量级:10-5m/s;电子的热运动速率的数量级:105m/s;电场的传播速度等于电磁波的速度:3×108m/s.3.因为I=q/t,所以电流大小和通过横截面的电荷量以及时间有关,与横截面的大小无关.4.电流的单位为安培,简称安,国际符号为A,是国际单位制中的七个基本单位之一.名师解惑1.怎样才能使电路中有持续的电流?剖析:若有带正负电荷的两个导体A、B,用导体R将两导体连接,导线R中的自由电子便会在静电力的作用下定向移动,导体B失去电子,导体A得到电子.两导体很快变成等势体,导线R中只可能存在一个瞬时电流.如果A、B间有一个装置,在B失去电子的同时,又及时地补充电子,使A、B导体上始终保持一定数量的正、负电荷.这种能把电子从A搬运到B 的装置就是电源.它的作用就是能使电路中保持持续的电流.2.电子移动的速度一般在10-6m/s—10-4m/s,但为什么我们一打开开关,电路马上就会接通呢?剖析:因为电流的传导速度和电子的移动速度不同,我们接通电路时实质上是电场的传导速度.当接通电路时,电场便以光速传递到电路中,使电路中每处的自由电荷都受到静电力的作用而定向移动,形成电流.虽然各处的自由电荷定向移动速率小,但由于电路中各处电荷几乎同时受力而定向移动,故电流的传导速率很快.3.电流的方向规定为正电荷的移动方向,那么电流一定是正电荷的定向移动形成的吗?剖析:物理学中规定电流的方向为正电荷定向移动的方向,但电流不一定是正电荷定向移动形成的.当金属导线导电时,导线内做定向运动的是大量自由电子,也就是说,电流的方向就是电子运动的方向,而导线中的正电荷不能定向移动,而是在平衡位置附近振动.而在电解质溶液中,电流就是由能够自由移动的正、负电荷的运动形成的.讲练互动【例1】导线中分别有30 C的正、负电荷,问5 min内通过导线的某一横截面的电流为多大?解析:因为导线中的电流是由于自由电子(即负电荷)的定向移动产生的,所以由公式I=q/t得I=30/5×60 A=0.1 A.答案:0.1 A绿色通道本题的解题关键在理解电流形成的原因是自由电荷的定向移动.同时还要掌握电流强度的求解公式.黑色陷阱不理解电流形成的原因,求解时容易取错电荷量的值.变式训练1.将上题中的导线改为电解液,其他条件不变,电流强度又为多大呢?解析:电解液中的电流是由于正、负电荷都定向移动产生的,所以通过截面的电流应为通过截面的正、负电荷电荷量的绝对值的和.由I=q/t得I=(30+30)/5×60 A=0.2 A.答案:0.2 A.【例2】截面积为S的导线中通有电流I.已知导线每单位体积中有n个自由电子,每个自由电子的电荷量是e,自由电子定向移动的速率是v,则在时间Δt内通过导线横截面的电子数是( )A.nSvΔtB.nvΔtC.IΔt/eD.IΔt/Se解析:电子数等于总电荷量除以每个电子的电荷量,所以求出通过截面的电荷量,即可求出电子数.而电荷量q=It,单位体积内的电子数已知,只要求出Δt时间内有多少体积的电子通过截面,即可求出电子数.(1)根据电流强度的定义式,可知在Δt内通过导线截面的电荷量q=IΔt所以在这段时间内通过的自由电子数为N=q/e=IΔt/e(2)自由电子定向移动的速率是v,因此在时间Δt内,位于以截面S为底、长l=vΔt的这段导线内的自由电子都能通过截面.这段导线的体积V=Sl=SvΔt,所以Δt内通过截面S的自由电子数为N=nV=nSvΔt,所以A、C正确.答案:AC绿色通道分析(2)中的思想方法具有很普遍的意义,对空气流、水流等连续质点流同样适用,应予以体会.体验探究问题:你能用碘化钾、淀粉、水、电池、导线、一块金属皮和一截铝线或铜线在白纸上写出蓝色字吗?导思:碘化钾和淀粉溶液混合后会产生带负电的碘离子.若这时有闭合回路使电荷产生定向移动,便可形成规则的字迹.探究:将碘化钾和淀粉混合在一起,用水调和,把一张白纸放在这种混合液中浸湿,平铺在一块金属皮上.用导线将金属皮与电池负极相连,再用一根长导线将铝线或铜线连接在电池的正极上.当我们用手握“笔”在纸上写字时,纸上便显现出蓝色字迹.。
电源分类
普通电源,又可细分为:开关电源、逆变电源、交流稳压电源、直流稳压电源、DC/DC 电源、通信电源、模块电源、变频电源、UPS电源、EPS应急电源、净化电源、PC电源、整流电源、定制电源、加热电源、焊接电源/电弧电源、电镀电源、网络电源、电力操作电源、适配器电源、线性电源、电源控制器/驱动器、功率电源、其他普通电源、逆变电源、参数电源、调压电源、变压器电源。
特种电源,特种电源又可细分为:岸电电源、安防电源、高压电源、医疗电源、军用电源、航空航天电源、激光电源、其他特种电源。
特种电源即特殊种类的电源。
所谓特殊主要是由于衡量电源的技术指标要求不同于常用的电源,其主要是输出电压特别高,输出电流特别大,或者对稳定度、动态响应及纹波要求特别高,或者要求电源输出的电压或电流是脉冲或其它一些要求。
这就使得在设计及生产此类电源时有比普通电源有更特殊甚至更严格的要求。
特种电源一般是为特殊负载或场合要求而设计的,它的应用十分广泛。
主要有:电镀电解、阳极氧化、感应加热、医疗设备、电力操作、电力试验、环保除尘、空气净化、食品灭菌、激光红外、光电显示等。
而在国防及军事上,特种电源更有普通电源不可取代的用途,主要用于:雷达导航、高能物理、等离子体物理及核技术研究等。
1、雷达发射机用的高压电源
在现代雷达发射机中,用行波管(TWT)作为微波功率放大器件占有很大的比例,作为高功率部分,它的可靠性与技术指标如何,对雷达发射机乃至整个雷达有着直接的影响。
而支撑着行波管的高压电源(系统)更显得至为重要。
开关电源技术作为一种高频、高效电力电子技术,随着电子元器件、产品的不断更新,大功率器件的更新换代,大功率开关电源技术得到了发展。
雷达行波管用高压开关电源,可采用全桥谐振PWM调制方式,大功率开关器件采用先进的IGBT模块及先进可靠的驱动电路,使得电源的整体性能良好,稳定度好,并且具有各种保护功能。
工作原理:将50Hz三相380V通过电网滤波器,经整流及滤波得到500多伏的直流电压,供给串联谐振变换器。
由于本电源输出高达20kV,为了减轻变压器的设计难度以及减小高压整流二极管的耐压值、提高电源的可靠性,采用变压器两个次级分别全桥整流,然后叠加输出。
全桥变换器由四个IGBT、一个高频变压器及整流电路组成。
控制电路提供两对彼此绝缘、相位相差180°的脉冲输入到IGBT驱动电路,控制IGBT的通断。
将直流电压变换成为交变的20kHz脉冲电压,经变压器及全桥整流和滤波电路,得到几十kV的电压。
2、电子束焊机用大功率高压电源
电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。
电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子,该电子在高压静电场的加速下通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束,用此电子束去轰击工件,巨大的动能转化为热量,使焊接处工件熔化,形成熔池,从而实现对工件的焊接。
高压电源是设备的关键技术之一,它主要为电子枪提供加速电压,其性能好坏直接决定电子束焊接工艺和焊接质量。
电子束焊机用高压电源与其它类型的高压电源相比,具有不同的技术特性,技术要求主要为纹波系数和稳定度,纹波系数要求小于1%,稳定度为±1%,甚至纹波系数小于0.5%,稳定度为±0.5%,同时重复性要求小于0.5%。
以上要求均根据电子束斑和焊接工艺所决定。
电子束焊机用高压电源的操作是必须与有关系统进行连锁保护,主要有真空连锁、阴极连锁、闸阀连锁、聚焦连锁等,以确保设备和人身安全。
高压电源必须符合EMC标准,具有软起动功能,防止突然合闸对电源的冲击。
这种电源由于功率大(达30kW),输出电压高(150kV),工作频率较高(20kHz),而对稳定精度、纹波及电压调节率均有较高的要求。
选用先进的三相全控可控整流技术、大功率高频逆变器,用新型功率器件IGBT作为功率开关。
三相全控可控整流和逆变器各自采用独立的控制板,IGBT驱动采用进口厚膜驱动电路,加上输入电网滤波器和平波电抗器及电容组成的滤波电路。
使电源的功率变换部分具有较好的技术先进性和良好的功率变换性。
高压部分:高压变压器磁芯采用最新的非晶态材料,采用独特的高频高压绕制工艺,双高压变压器叠加工作。
先进的整流和合理的倍压电路以及高压均压技术保证高压电源的高压部分稳定可靠,反馈及高压指示信号用精密的分压器,由高压输出端直接采样,保证电源有很高的稳压精度、电压调整率和准确可信的高压测量精度。
采用合理的高压滤波技术,保证电源有良好的纹波。
高压部分放在一个油箱内。
3、高压脉冲电源
在雷达导航设备中,其发射部分一般都需要一高电压、窄脉冲、不同重复频率的强功率脉冲源。
这种强功率脉冲源一般通过一个高压电源将市电升为几千伏至几十千伏直流高压,然后由一个调制器将直流高压调制为所需脉宽及频率的脉冲源以供发射管使用。
脉冲源主要由高压电源及调制器部分组成,高压电源采用开关稳压电源,调制器采用半导体器件的固态调制器。
使用方给出的触发脉冲是TTL电平的信号,应在输入隔离变压器前增加接口电路,此接口电路一是为了预放大TTL脉冲信号,二是为了与隔离变压器匹配。
为了达到隔离的目的,使用方可提供此接口电路的电源,制造方只需提出电源需求并在电路中设计相应的变换、滤波电路即可。
触发脉冲经过脉冲变压器隔离后经过预调器脉冲整形,功率放大后去触发调制板和截尾板工作。
由预调器产生的激励脉冲经过变压器隔离去驱动调制板的每一只场效应管,此时调制板导通高压电源送到微波三极管的阳极,微波三极管的阴极电子开始发射,微波三极管将送入输入端的小功率高频信号放大成大功率的高频信号。
当脉冲结束时,由预调器产生的截尾脉冲去触发截尾板,截尾板导通后将微波三极管的分布电容释放,所以可以得到很好的脉冲后沿。