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    電工學(xué)中的正負(fù)號(hào)意義與處理探析

    2016-05-14 05:40:16葉光勝
    教育界·下旬 2016年7期
    關(guān)鍵詞:電工學(xué)處理意義

    葉光勝

    【摘 要】電工學(xué)中一些物理量、定律、公式中存在大量的正負(fù)號(hào),它們既是各章節(jié)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)經(jīng)常把它們與數(shù)學(xué)的正負(fù)號(hào)相混淆。幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)和運(yùn)用正負(fù)號(hào),對(duì)學(xué)好電工學(xué)這門課程有重要的作用。

    【關(guān)鍵詞】電工學(xué) 正負(fù)號(hào) 意義 處理

    在電工學(xué)的教學(xué)中,經(jīng)常會(huì)遇到正負(fù)號(hào),正負(fù)號(hào)依不同情況表示不同的意義,也有不同的處理方法,尤其是負(fù)號(hào)往往為學(xué)生所忽視,又往往使學(xué)生感到難以掌握,常常會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)和運(yùn)用正負(fù)號(hào),對(duì)學(xué)好電工學(xué)這門課程有重要的作用。

    一、電工學(xué)正負(fù)號(hào)所表示的意義

    在電工學(xué)課程的教學(xué)中,只有先弄清楚正負(fù)號(hào)所表示的意義才能正確運(yùn)用,否則就會(huì)造成混亂,并出現(xiàn)錯(cuò)誤。

    (一)用正負(fù)號(hào)表示物理量意義相反的性質(zhì)

    電工學(xué)中常常遇到某些物理量具有性質(zhì)完全相反的情況,為了區(qū)別它們的不同,就冠之以正負(fù)號(hào)。如在電荷前分別冠以正負(fù)號(hào)用來區(qū)別正電荷與負(fù)電荷;兩電荷之間的相互作用力,用正負(fù)號(hào)來區(qū)別這一對(duì)作用力是吸引力還是排斥力。對(duì)負(fù)載來說,如果功率為正,表示負(fù)載在吸收功率,它是真正意義上的負(fù)載;如果功率為負(fù),表示負(fù)載在釋放功率,它實(shí)際上起了電源的作用。對(duì)電源來說,如果功率為正,表示電源在釋放功率,它是真正意義上的電源;如果功率為負(fù),表示電源在吸收功率,在電路中相當(dāng)于負(fù)載。因此,功率的正負(fù)可以用來判斷該元件在電路中實(shí)際起電源作用還是作為負(fù)載在使用。

    相位差的正負(fù)表示了兩個(gè)同頻率的正弦量相位超前與滯后的關(guān)系。例如:一正弦電流的初相為φ1,同頻率的一正弦電壓的初相為φ2,當(dāng)φ=φ1-φ2>0時(shí),相位差φ為正,表示電流超前電壓或電壓滯后電流;當(dāng)φ=φ1-φ2<0時(shí),相位差φ為負(fù),表示電流滯后電壓或電壓超前電流。電阻溫度系數(shù)也有正負(fù)之分,當(dāng)溫度系數(shù)為正時(shí),表示電阻的阻值隨溫度的升高而增大;當(dāng)溫度系數(shù)為負(fù)時(shí),表示電阻的阻值隨溫度的升高而減小。

    (二)用正負(fù)號(hào)表示物理量的方向

    電場力、電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等物理量都是矢量。為了表示這些矢量在空間方向上相反的意義,就先建立坐標(biāo),再以坐標(biāo)的正方向?yàn)閰⒖挤较?,把與坐標(biāo)的正方向相同的方向定為正,反之為負(fù)。所以,此時(shí)正負(fù)號(hào)只表示物理量的方向,而并不表示物理量的大小。

    電壓、電流、電動(dòng)勢等物理量都是標(biāo)量,這些物理量的正負(fù)表示了它們的方向與所假設(shè)的參考方向之間的關(guān)系。在分析電路時(shí),有時(shí)對(duì)某段電路中的實(shí)際方向難以立刻判斷出來,此時(shí)可先假定參考方向,然后列出方程求解。當(dāng)電壓、電流、電動(dòng)勢為正時(shí),表示它們的實(shí)際方向與參考方向相同;當(dāng)電壓、電流、電動(dòng)勢為負(fù)時(shí),表示它們的實(shí)際方向與參考方向相反。要注意:在比較這些物理量時(shí),它們的正負(fù)只表示方向,不能參與比較大小。

    (三)用正負(fù)號(hào)表示物理量相對(duì)于某一零點(diǎn)的大小

    電位是標(biāo)量,在其前面冠以正負(fù)號(hào)并不表示方向上的意義。只是由于電位具有相對(duì)性,因此只有在選定某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)后,才能確定它的值,其高于或低于參考點(diǎn)的值就冠以正負(fù)號(hào)予以表示,在運(yùn)算時(shí)不可隨意舍去。例如,若A點(diǎn)的電位VA=-7伏,B點(diǎn)的電位VB=-4伏,則A、B兩點(diǎn)間的電壓UAB=VA-VB=-7-(-4)=-3伏,說明B點(diǎn)的電位高于A點(diǎn)的電位。這類物理量的正負(fù)值可用于比較大小,即正值總比負(fù)值大。

    二、在電工學(xué)中正負(fù)號(hào)的處理

    在電工學(xué)的教學(xué)中,學(xué)生往往會(huì)問:“什么時(shí)候應(yīng)帶正號(hào)?”“什么時(shí)候應(yīng)帶負(fù)號(hào)?”“運(yùn)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)號(hào)應(yīng)怎么辦?”等等,歸納起來,就是怎樣處理正負(fù)號(hào)的問題。

    (一)庫侖定律中正負(fù)號(hào)的處理

    庫侖定律、電場力、點(diǎn)電荷的場強(qiáng),在公式中,本來F、E都是矢量,而電荷的電量q的正負(fù)表示了電荷的性質(zhì),但q往往與F、E聯(lián)系在一起,此時(shí)q的正負(fù)號(hào)該怎么處理?

    例1:直線上三點(diǎn)A、B、C,A與B、B與C的距離都是3厘米,依次放置點(diǎn)電荷qA=-10-7庫,qB=-10-10庫,qC=+10-7庫,求B點(diǎn)電荷受到的電場力。

    解:對(duì)于qA、qB,由于qA是源電荷,選A→B為正方向,牛,即FAB的實(shí)際方向由A指向B。對(duì)于qB、qC,由于qC是源電荷,選C→B為正方向, 牛,即FCB的實(shí)際方向由B指向C,與FAB同向,合力FB=10-4+10-4=2×10-4牛,方向由A向B。可見,只要逐次認(rèn)真規(guī)定正方向,就不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。然而,學(xué)生往往解作FB=FAB+FCB=0,這是因?yàn)椴恢涝贔AB中,第一個(gè)電荷qA對(duì)第二個(gè)電荷qB的作用力,正方向的假定是從A到B的,而這樣的正方向規(guī)定在求合力時(shí)又未必合適,因?yàn)榍驠CB時(shí),F(xiàn)CB是規(guī)定從C→B為正方向的,所以求合力時(shí)的假定正方向必須重新確定。

    上述的處理是比較嚴(yán)格的,但中等水平以下的學(xué)生不易掌握,因此往往又作另一種解法,即說明求得F的正負(fù)僅表示力的性質(zhì)是引力或斥力,不涉及方向,求合力時(shí)就排除負(fù)號(hào)重新考慮。還有第三種處理方法,則是干脆電量不帶正負(fù)號(hào)運(yùn)算,只取正值計(jì)算,求得結(jié)果后再根據(jù)相互作用的性質(zhì)和具體情況加以確定方向,然后再運(yùn)算,該方法對(duì)中下水平學(xué)生似乎更適用。

    (二)基爾霍夫第一定律中正負(fù)號(hào)的處理

    基爾霍夫第一定律的內(nèi)容是:對(duì)于任一節(jié)點(diǎn)來說,流入(或流出)該節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零,即:。此時(shí)規(guī)定:流入節(jié)點(diǎn)的電流為正,流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù),如圖1所示,。若求出的電流為正值,說明電流的方向與圖中所示方向相同;若求出的電流為負(fù)值,說明電流的方向與圖中所示方向相反。

    圖1

    (三)基爾霍夫第二定律中正負(fù)號(hào)的處理

    基爾霍夫第二定律的內(nèi)容是:在任意一個(gè)回路中,電動(dòng)勢的代數(shù)和恒等于電阻上電壓降的代數(shù)和,即:。此時(shí)規(guī)定:當(dāng)電動(dòng)勢的方向與回路繞行方向一致時(shí),電動(dòng)勢取正,反之則取負(fù);當(dāng)電阻上的電流方向與回路繞行方向一致時(shí),電阻上的電壓取正,反之取負(fù)。

    例2:如圖2所示,已知E1=20伏,E2=10伏,R1=1歐,R2=3歐,R3=6歐,I1=2安,I2=4安,I3=1安,試應(yīng)用基爾霍夫第二定律計(jì)算電動(dòng)勢E3的大小。

    圖2

    解:設(shè)回路繞行方向?yàn)轫槙r(shí)針方向,則:

    -E1+E2+E3=I1R1-I2R2+I3R3,得

    E3=E1-E2+I1R1-I2R2+I3R3=20-10+2×1-4×3+1×6=6伏

    (四)疊加定理中正負(fù)號(hào)的處理

    對(duì)于線性電路,任何一個(gè)支路中的電流(或電壓)等于各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí),在該支路中所產(chǎn)生的電流(或電壓)的代數(shù)和,這就是疊加定理。在計(jì)算時(shí),首先規(guī)定總電路中的電流(或電壓)的正方向,同時(shí)規(guī)定各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)電流(或電壓)的正方向,然后求出各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)的電流(或電壓)。在疊加時(shí),凡各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)電流(或電壓)的正方向與總電流(或總電壓)的正方向一致時(shí),則取正值;反之取負(fù)值。如圖3所示電路,可得:,,。

    圖3

    三、結(jié)語

    電工學(xué)中的正負(fù)號(hào)都具有特定的物理意義,在教學(xué)中如果從總體上進(jìn)行歸納總結(jié),將有利于學(xué)生較全面地把握和運(yùn)用正負(fù)號(hào),使正負(fù)號(hào)的問題不再成為學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙。

    【參考文獻(xiàn)】

    [1]戴統(tǒng)銳.對(duì)《電工學(xué)》中正負(fù)號(hào)的分析[J].職業(yè)技術(shù)教育,1998(12).

    [2]王向軍.談《電工基礎(chǔ)》中正負(fù)號(hào)的含義[J].成才之路,2010(27):87-88.

    [3]朱潔,張圣富.電工學(xué)中的“+”、“-”號(hào)[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2010(03):168-169.

    [4]金瑞.《電工基礎(chǔ)》中正負(fù)號(hào)研究[J].內(nèi)蒙古教育(職教版), 2014(08).

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