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第一篇 电气工程基础篇
第一章 电气工程基础理论
第一节 电路及其基本定律
一、电路的内涵
(一)电路的物理量
!"
电流 当我们合上电源开关的时候,电灯就会发光,电炉就会发热,电动机就会转动,这是因为在电
路中有电流通过的缘故。电流虽然用肉眼看不见,但是可以通过它的各种表现而被人们所觉察。
那么什么叫做电流呢?电流是电荷(带电粒子)有规则的定向运动而形成的。如图
! # !
所示,若将电源
开关闭合,灯泡就会发光,从灯泡闪光的一瞬间开始,就发生了电荷向一定方向的移动。
图
! # !
简单电路
(
!
)电流的大小和单位:表征电流强弱的物理量叫做电流强度,简称电流,用字母“
!
”或“
"
”表示。
电流在数值上等于单位时间内通过某一导体横截面的电荷量,即
" $ %& ’ %(
如果电流不随时间而变化,即
%& ’ %( $
常数,则这种电流称为恒定电流,简称直流,常用大写字母
!
表示。
即
! $ # $ %
式中
#
是在时间
%
内通过导体横截面
&
的电荷量。
在国际单位制(
)*
)中,电流的单位名称是安培,简称安,用符号
+
表示。并规定每秒钟通过导线截面的
电量为
!
库时的电流为
!
安。电流的单位也可用千安(
,+
)、毫安(
-+
)、微安(
!
+
)或纳安(
.+
)表示,它们之间
的换算关系是:
!,+ $ !///+
!-+ $ !/
# 0
+
·
0
·
第一篇 电气工程基础篇
!
!
" # !$
% &
’"
!(" # !$
% &
!
"
(
)
)电流的方向:实际上,导体中的电流是由负电荷在导体中流动形成的,而我们习惯上规定正电荷运动
的方向或负电荷运动的相反方向作为电流的方向(实际方向)。
电流的实际方向是一定的,但在实际电路中,电流的实际方向,往往难以确定。为此,在分析与计算电路
时,常可任意选定某一方向作为电流的正方向或称为参考方向。所选电流的正方向并不一定与电流的实际方
向一致。当电流的实际方向与其正方向一致时,则电流为正值(图
! % )*
);反之,电流为负值(图
! % )+
)。因此,
在正方向选定之后,电流之值才有正负之分,显然,在未标定正方向的情况下,电流的正或负是毫无意义的。
图
! % )
电流的方向
图
! % &
电流的种类
综上所述,导体中的电流不仅具有大小,而且具有方向性。
大小和方向都不随时间而变化的电流为恒定直流,简称直流,如图
!
% &*
所示。
方向始终不变,大小随时间而变化的电流称为脉动直流电流,如图
!
% &+
所示。
大小和方向均随时间变化的电流称为交流电流,通常其大小和方向
随时间作周期性变化,且平均值为零的交流电,简称交流。
工业上普遍应用的交流电流是按正弦函数规律变化的,称为正弦交
流电流,如图
! % &,
所示。图
! % &-
所表示的电流,是非正弦交流电流。
).
电压(电位差)与电位 电路中负载与电源接通后就会有电流通
过。电灯发光,是因为电源正负极之间存在电压。电压是电场中两点间
的电位差,是变量电场力做功本领的物理量,是产生电流的能力,如图
!
% /
所示,在导体内部,单位正电荷自
*
点移动到
+
点,电场力所作的功
定义为
*
、
+
两点间的电压。用
!
*+
表示。即
!
*+
#
"
*+
#
式中
"
*+
———电场力所做的功,单位为焦(
0
);
#
———被移动正电荷的电量,单位为库(
1
)。
电压有时也叫电位差。电位是电场中某点与零电位之间的电位差,
其数值与零电位点的选择有关。供电线路中,通常选择大地的电位为零
电位;但在电路中通常以电源的负极作为参考点(零电位)。
若
!
*
、
!
+
分别表示
*
点、
+
点电位(且
*
点电位高于
+
点电位),若用
电位来表示
*
、
+
两点间的电压,则
!
*+
#
!
*
%
!
+
在电路中,习惯上将正电荷受电场力方向即电位降方向,定为电压
方向。当正电荷顺电场方向由
*
点移向
+
点,电场力作正功,
!
*+
2 $
,即
*
点电位高于
+
点电位,反之相反。
电流总是从高电位向低电位流动,就像水从高处流向低处一样,电位差愈大即电压愈高,产生的电流就
愈大。
·
/
·
新编电气工程师手册
图
! " # $
、
%
两点间的电压
电压通常用
!
表示,在国际单位制中,电压的基本单位名称是伏特,简称
伏,用字母
&
表示。电压的单位也可用千伏(
’&
)、毫伏(
(&
)和微伏(
!
&
)表示,它
们之间的换算关系是:
!’& ) !***&
!(& ) !*
" +
&
!
!
& ) !*
" +
(&
+,
电动势 在电路中,电源是维持流过持续的电流,设法不断地向电路补
充能量的装置。电源的正、负极之间存在电位差,这是因为电源产生电源力克服
电场力所做功的缘故。不同的电源产生电源力的方向不同。例如:蓄电瓶靠内部的电极与电解液之间的化
学反应产生电源力;发电机靠磁场中电磁感应的作用产生电源力。它们分别依靠化学能和机械能将正电荷
从低电位(负极)移到高电位(正极)。我们用电动势这个物理量衡量电源力对电荷做功的能力。
在电源内部,电源力把单位正电荷从电源负极(低电位),移到正极(高电位)所做的功叫做电源的电动
势,用符号
"
表示,单位为伏(
&
)。即
" )
#
$
式中
#
———电源力做的功,单位为焦(
-
);
$
———被移动电量,单位为库(
.
)。
在国际单位制中,电动势和电压的单位名称一样,都采用伏特,简称伏(
&
)。
电源电压与电源电动势在概念上不能混淆。电压指两个电极之间的电位差,它表示电能输出做功的能
力;电动势是指电源内部建立电位差的本领,它表明电源依靠化学能或机械能产生电压的能力。
如图
! " /
所示,电源电压
!
$%
,也就是
$
、
%
两点间的电压,是单位正电荷从
$
点(高电位)经导线和负载
移到
%
点(低电位)所失去的电能。电源电动势
"
是在电源内部电源力克服电场力,将单位正电荷从
%
点(低
电位)移到
$
点(高电位)所得到的电能。
通常习惯上,将正电荷所受电源力的方向定为电动势正方向,因此,电动势的正方向是从电源负极到正
极的方向,即电位升的方向;电压的正方向是正极到负极的方向,即电位降的方向。因此,电动势的正方向与
电压的正方向相反,如图
! " /
所示。
在电路中,电动势的符号如图
! " 0
所示。图
! " 0$
为电池的表示符号,图
! " 0%
为直流发电机的表示符
号。电动势和电压的方向如图所示。
图
! " /
电源电动势和电源电压
图
! " 0
电动势的符号
(
$
)电池 (
%
)直流发电机
(二)电路的基本参数
电阻、电感和电容是电路的三个基本参数。在电路中,电阻元件发热而消耗能量,是耗能元件;电感元件
要产生磁场而储存磁场能量,是储能元件;电容元件要产生电场而储存电场能量,也是储能元件。下面分别
介绍电路中电阻、电感、电容的三个基本参数。
!,
电阻 电阻具有阻碍电流流动的本性,表征导体对电流呈现阻碍作用的电路参数叫做电阻,用符号
%
表示。电源内部的电阻称为内阻,电源以外导线及负载的电阻称为外电阻。在国际单位制中,电阻的单位
·
/
·
第一篇 电气工程基础篇
名称是欧姆,简称欧,用希腊字母
!
表示。也可以用千欧(
!
!
)、或兆欧(
"
!
)表示。它们之间的关系是
#!
!
$ #%%%
!
#"
!
$ #%%%!
!
(
#
)在一定的温度下,电阻与导体的尺寸及材料有关。
实验证明,金属导体电阻
!
的大小与导体的长度成正比,与导体的截面积成反比,还与材料的导电能力
有关。即
! $
!
"
#
式中
"
———导体的长度,单位为米(
&
);
#
———导体的截面积,单位为平方米(
&
’
);
!
———导体的电阻率,单位为欧米(
!
·
&
)。
在实际应用时,为了方便,截面
#
的单位常用平方毫米(
&&
’
);电阻率的单位便是欧平方毫米每米(
!
·
&&
’
( &
)。计算时,应注意单位的换算。
电阻
!
的倒数称为电导,是表征元件导电能力的电路参数,用符号
$
表示。其国际单位名称是西门子,
简称西,用符号
)
表示。即
$
#
!
电阻率的倒数叫电导率,用符号
"
表示,单位是西门子每米(
) ( &
)。实际常用西门子米每平方毫米(
)
·
& ( &&
’
)表示。即
$ $
"
·
#
"
"
$
#
!
不同的材料,有不同的电阻率。表
# * #
列出了常用电工材料在温度
’%+
时的电阻率。
表
# * #
常用电工材料的电阻率和电阻温度系数
用途 材料名称
电阻率
#
[
’%+
]
(
!
·
&&
’
( &
)
平均电阻温度系数
$
[
% , #%%+
](
# ( +
)
导电材料
碳
银
铜
铝
低碳钢
#% - %
% - %#./
% - %#0/
% - %’12
% - #2
* % - %%%/
% - %%2.
% - %%3
% - %%3
% - %%.
电阻材料
锰 铜
康 铜
镍铬铁
铝铬铁
铂
% - 3’
% - 33
# - %
# - ’
% - #%.
% - %%%%%/
% - %%%%%/
% - %%%#2
% - %%%%1
% - %%214
注
%
表中给出的是近似值。这些数值随着材料纯度和成分的不同而有所变化。
&
表中碳的电阻温度系数前有负号,表示碳的电阻值随着温度的升高而降低。
(
’
)温度对电阻的影响。实践证明,金属导体的电阻除了决定于材料的性质和导体的几何尺寸外,还受
温度的影响。对一般金属来说,温度在
% , #%%+
范围内电阻随着温度的增高而增大,而碳和一些纯净的半导
体材料则电阻随着温度的增高而变得愈小。为了计算导体在不同温度下的电阻值,我们把导体温度每升高
·
.
·
新编电气工程师手册
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