第一篇电气工程基础篇」 V222222222222222222522222922222252222222222
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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 电路的内涵 (一)电路的物理量 1.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1-1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1-1简单电路 (1)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“r”或“i”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 ldt 如果电流不随时间而变化,即dqy/t=常数,则这种电流称为恒定电流,简称直流,常用大写字母I表示 l= g/ 式中q是在时间t内通过导体横截面s的电荷量 在国际单位制(S)中,电流的单位名称是安培,简称安,用符号A表示。并规定每秒钟通过导线截面的 电量为1库时的电流为1安。电流的单位也可用千安(kA)毫安(m4)、微安(mA)或纳安(nA)表示,它们之间 的换算关系是 000A ImA= 10-A
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 + 第一篇 电气工程基础篇 · 0 ·
4 新编电气工程师手册 nA=10-3A (2)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1-2a)反之,电流为负值(图1-2b)。因止 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 ① 负 图1-2电流的方向 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1 3a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 -3b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1-3c所示。图1-3d所表示的电流,是非正弦交流电流。 2.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 4所示,在导体内部,单位正电荷自a点移动到b点,电场力所作的功 定义为a、b两点间的电压。用U,表示。即 式中A—电场力所做的功,单位为焦(); Q—被移动正电荷的电量,单位为库(C) 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gapb分别表示a点b点电位(且a点电位高于b点电位),若用 电位来表示a、b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a点移向b点,电场力作正功,U>0,即a 1-3电流的种类 点电位高于b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
! !" # !$ % & ’" !(" # !$ % & !" （)）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
第一篇电气工程基础篇 电压通常用U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Ⅴ表示。电压的单位也可用千伏(kV)毫伏(mV)和微伏(pV)表示,它 们之间的换算关系是 IkV= 1000V ImV=10-3v Iuv=10-mv 3.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 图1-4a、b两点间的电压 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E表示,单位为伏(V)。即 式中A——电源力做的功,单位为焦(J) Q——被移动电量,单位为库(C) 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(V) 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1-5所示,电源电压U山,也就是ab两点间的电压,是单位正电荷从a点(高电位)经导线和负载 移到b点(低电位)所失去的电能。电源电动势E是在电源内部电源力克服电场力,将单位正电荷从b点(低 电位)移到a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1-5所示 在电路中,电动势的符号如图1-6所示。图1-6a为电池的表示符号,图1-6b为直流发电机的表示符 号。电动势和电压的方向如图所示 (a) 图1-6电动势的符号 图1-5电源电动势和电源电压 (a)电池(b)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 R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
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 （$）电池 （%）直流发电机 （二）电路的基本参数 电阻、电感和电容是电路的三个基本参数。在电路中，电阻元件发热而消耗能量，是耗能元件；电感元件 要产生磁场而储存磁场能量，是储能元件；电容元件要产生电场而储存电场能量，也是储能元件。下面分别 介绍电路中电阻、电感、电容的三个基本参数。 !, 电阻 电阻具有阻碍电流流动的本性，表征导体对电流呈现阻碍作用的电路参数叫做电阻，用符号 % 表示。电源内部的电阻称为内阻，电源以外导线及负载的电阻称为外电阻。在国际单位制中，电阻的单位 第一篇 电气工程基础篇 · / ·
新编电气工程师手册 名称是欧姆,简称欧,用希腊字母Ω表示。也可以用千欧(k)或兆欧(M2)表示。它们之间的关系是 k=10000 IMQ= 1000kQ (1)在一定的温度下,电阻与导体的尺寸及材料有关 实验证明,金属导体电阻R的大小与导体的长度成正比,与导体的截面积成反比,还与材料的导电能力 有关。即 式中|一导体的长度,单位为米(m S—导体的截面积,单位为平方米(m2) p导体的电阻率,单位为欧米(”m) 在实际应用时,为了方便,截面S的单位常用平方毫米(mm2)电阻率的单位便是欧平方毫米每米( mm2/m)。计算时,应注意单位的换算 电阻R的倒数称为电导,是表征元件导电能力的电路参数,用符号G表示。其国际单位名称是西门子, 简称西,用符号S表示。即 电阻率的倒数叫电导率,用符号y表示,单位是西门子每米(s/m)。实际常用西门子米每平方毫米(s 不同的材料,有不同的电阻率。表1-1列出了常用电工材料在温度20℃时的电阻率 表1-1常用电工材料的电阻率和电阻温度系数 平均电阻温度系数a 用途 材料名称 电阻率20℃] (Q·mm2/m) [0-100℃]1/℃) 0.0005 0.0165 0.0036 导电材料 铜 0.0175 0.004 低碳钢 0.006 锰铜 康铜 0.44 0.000005 电阻材料 铝铬铁 0.106 0.00389 注①表中给出的是近似值。这些数值随着材料纯度和成分的不同而有所变化 ②表中碳的电阻温度系数前有负号,表示碳的电阻值随着温度的升高而降低。 (2)温度对电阻的影响。实践证明,金属导体的电阻除了决定于材料的性质和导体的几何尺寸外,还受 温度的影响。对一般金属来说,温度在0-100℃范围内电阻随着温度的增高而增大,而碳和一些纯净的半导 体材料则电阻随着温度的增高而变得愈小。为了计算导体在不同温度下的电阻值,我们把导体温度每升高
名称是欧姆，简称欧，用希腊字母!表示。也可以用千欧（!!）、或兆欧（"!）表示。它们之间的关系是 #!!$ #%%%! #"!$ #%%%!! （#）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