第1章 電工基礎(chǔ)入門

1.1 電路基礎(chǔ)

1.1.1 電磁感應(yīng)

1 電流感應(yīng)磁場

通俗地講，磁場就是存在磁力的場所，可以用鐵粉末驗證磁場的存在。

在一塊硬紙板下面放一塊磁鐵，在紙板上面撒一些細的鐵粉末，鐵粉末會自動排列起來，形成一串串曲線的樣子。如圖1-1所示，在兩個磁極附近和兩個磁極之間被磁化的鐵粉末所形成的紋路圖案是很有規(guī)律的線條。它是從磁體的N極出發(fā)經(jīng)過空間到磁體的S極的線條，在磁體內(nèi)部從S極又回到N極，形成一個封閉的環(huán)。通常說磁力線的方向就是磁性體N極所指的方向。

如圖1-2所示，如果金屬導線通過電流，那么借助鐵粉末，可以看到在導線周圍產(chǎn)生的磁場，而且導線中通過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強。

流過導體的電流方向和所產(chǎn)生的磁場方向之間有著明確的關(guān)系。圖1-3所示為安培定則（即右手定則），說明了電流周圍磁場方向與電流方向的關(guān)系。

直線電流的安培定則：用右手握住導線，讓伸直的大拇指所指的方向與電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁力線的環(huán)繞方向，如圖1-3a所示。

環(huán)形電流的安培定則：讓右手彎曲的四指和環(huán)形電流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是環(huán)形電流中心軸線上磁力線（磁場）的方向，如圖1-3b所示。

2 磁場感應(yīng)電流

磁場能感應(yīng)出電流。把一個螺線管兩端接上檢測電流的檢流計，在螺線管內(nèi)部放置一根磁鐵。當把磁鐵很快地抽出螺線管時，可以看到檢流計指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且磁鐵抽出的速度越快，檢流計指針偏轉(zhuǎn)的程度越大。同樣，如果把磁鐵插入螺線管。檢流計也會偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)方向和抽出時相反。檢流計指針偏擺表明線圈內(nèi)有電流產(chǎn)生。圖1-4所示為磁場感應(yīng)電流。

當閉合電路中一部分導體在磁場中做切割磁力線運動時，電路中就有電流產(chǎn)生；當穿過閉合線圈的磁通發(fā)生變化時，線圈中有電流產(chǎn)生。這種由磁產(chǎn)生電的現(xiàn)象，稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流叫作感應(yīng)電流。圖1-5為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

感應(yīng)電流的方向，與導體切割磁力線的運動方向和磁場方向有關(guān)，即當閉合電路中一部分導體作切割磁力線運動時，所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向可用右手定則來判斷，如圖1-6所示。伸開右手，使拇指與四指垂直，并都跟手掌在一個平面內(nèi)，讓磁力線穿入手心，拇指指向?qū)w運動方向，四指所指的即為感應(yīng)電流的方向。

1.1.2 電流與電壓

1 電流與電動勢

（1）電流

在導體的兩端加上電壓，導體內(nèi)的電子就會在電場力的作用下定向運動，形成電流。電流的方向規(guī)定為電子（負電荷）運動的反方向，即電流的方向與電子運動的方向相反。

圖1-7為由電池、開關(guān)、燈泡組成的電路模型，當開關(guān)閉合時，電路形成通路，電池的電動勢形成了電壓，繼而產(chǎn)生了電場力，在電場力的作用下，處于電場內(nèi)的電子便會定向移動，這就形成了電流。

（2）電動勢

電動勢是描述電源性質(zhì)的重要物理量，用字母“E”表示，單位為“V”（伏特，簡稱伏），它是表示單位正電荷經(jīng)電源內(nèi)部，從負極移動到正極所做的功，它標志著電源將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電路的動力即電源供應(yīng)電路的能力。

電動勢用公式表示為

式中，E為電動勢，單位為伏特（V）；W為將正電荷經(jīng)電源內(nèi)部從負極引導正極所做的功，單位為焦耳（J）；Q為移動的正電荷數(shù)量，單位為庫倫（C）。

圖1-8為由電源、開關(guān)、可調(diào)電阻器構(gòu)成的電路模型。

在閉合電路中，電動勢是維持電流流動的電學量，電動勢的方向規(guī)定為經(jīng)電源內(nèi)部，從電源的負極指向電源的正極。電動勢等于路端電壓與內(nèi)電壓之和，即

E=U_路+U_內(nèi)=IR+Ir

式中，U_路表示路端電壓（即電源加在外電路端的電壓）；U_內(nèi)表示內(nèi)電壓（即電池因內(nèi)阻自行消耗的電壓）；I表示閉合電路的電流；R表示外電路總電阻（簡稱外阻）；r表示電源的內(nèi)阻。

2 電位與電壓

（1）電位

電位是指電路中的某一點與指定的零電位的大小差距。電位也稱電勢，單位是伏特（V），用符號“E”表示，它的值是相對的，電路中某點電位的大小與參考點的選擇有關(guān)。

圖1-9是由電池、三個阻值相同的電阻和開關(guān)構(gòu)成的電路模型（電位的原理）。電路以A點作為參考點，A點的電位為0V（即E_A=0V），則B點的電位為0.5V（即E_B=0.5V），C點的電位為1V（即E_C=1V），D點的電位為1.5V（即E_D=1.5V）。

圖1-10為以B點為參考點，B點的電位為0V（即E_B=0V），則A點的電位為-0.5V（即E_A=-0.5V），C點的電位為0.5V（即E_C=0.5V），D點的電位為1V（即E_D=1V）。

（2）電壓

電壓也稱電位差（或電勢差），單位是伏特（V）。電流之所以能夠在電路中流動是因為電路中存在電壓，即高電位與低電位之間的差值。

圖1-11為由電池、兩個阻值相等的電阻器和開關(guān)構(gòu)成的電路模型。

1.1.3 電功與電功率

1 電功

能量被定義為做功的能力。它以各種形式存在，包括電能、熱能、光能、機械能、化學能以及聲能等。電能是指電荷移動所承載的能量。

電能的轉(zhuǎn)換是在電流做功的過程中進行的。因此，電流做功所消耗電能的多少可以用電功來度量。電功的計算公式為

W=UIt

式中，U為電壓，單位V；I為電流，單位A；W為電功，單位為J。

日常生產(chǎn)和生活中，電功也常用度作為單位，家庭用電能表如圖1-12所示，是計量一段時間內(nèi)家庭的所有電器耗電（電功）的綜合。1度=1kW·h=1kV·A·h。

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾娔苤饕獊碜云渌问侥芰康霓D(zhuǎn)換，包括水能（水力發(fā)電）、熱能（火力發(fā)電）、原子能（原子能發(fā)電）、風能（風力發(fā)電）、化學能（電池）及光能（光電池、太陽電池等）等。電能也可轉(zhuǎn)換成其他所需能量形式，它可以采用有線或無線的形式進行遠距離的傳輸。

2 電功率

功率是指做功的速率或者是利用能量的速率。電功率是指電流在電位時間內(nèi)（秒）所做的功，以字母“P”表示，即

P=W/t=UIt/t=UI

式中，U的單位為V；I的單位為A；P的單位為W（瓦特）。例如圖1-13為電功率的計算案例。

電功率也常用千瓦（kW）、毫瓦（mW）來表示。例如某電機的功率標識為2kW，表示其耗電功率為2千瓦。也有用馬力（hp）來表示的（非我國法定計量單位），它們之間的關(guān)系是

1kW=10³W

1mW=10^-3W

1hp=0.735kW

1kW=1.36hp

根據(jù)歐姆定律，電功率的表達式還可轉(zhuǎn)化為

由P=W/t=UIt/t=UI，U=IR，因此可得

P=I²R

由P=W/t=UIt/t=UI，I=U/R，因此可得

P=U²/R

由上公式可看出：

1）當流過負載電阻的電流一定時，電功率與電阻值成正比。

2）當加在負載電阻兩端的電壓一定時，電功率與電阻值成反比。

大多數(shù)電力設(shè)備都標有電瓦數(shù)或額定功率。如電烤箱上標有“220V 1200W”字樣，則1200W為其額定電功率。額定電功率即是電氣設(shè)備安全正常工作的最大電功率。電氣設(shè)備正常工作時的最大電壓叫額定電壓，例如AC 220V，即交流220V供電的條件。在額定電壓下的電功率叫作額定功率。實際加在電氣設(shè)備兩端的電壓叫實際電壓，在實際電壓下的電功率叫實際功率。只有在實際電壓與額定電壓相等時，實際功率才等于額定功率。

在一個電路中，額定功率大的設(shè)備實際消耗功率不一定大，應(yīng)由設(shè)備兩端實際電壓和流過設(shè)備的實際電流決定。