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(yàn)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(xì)的鐵粉末，鐵粉末會(huì)自動(dòng)排列起來，形成一串串曲線的樣子。如圖1-1所示，在兩個(gè)磁極附近和兩個(gè)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(gè)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(dǎo)線通過電流，那么借助鐵粉末，可以看到在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場，而且導(dǎo)線中通過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強(qiáng)。

流過導(dǎo)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(dǎo)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(gè)螺線管兩端接上檢測電流的檢流計(jì)，在螺線管內(nèi)部放置一根磁鐵。當(dāng)把磁鐵很快地抽出螺線管時(shí)，可以看到檢流計(jì)指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且磁鐵抽出的速度越快，檢流計(jì)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(jì)也會(huì)偏轉(zhuǎn)，但是偏轉(zhuǎn)方向和抽出時(shí)相反。檢流計(jì)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(dāng)閉合電路中一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電路中就有電流產(chǎn)生；當(dāng)穿過閉合線圈的磁通發(fā)生變化時(shí)，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(dǎo)體切割磁力線的運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向有關(guān)，即當(dāng)閉合電路中一部分導(dǎo)體作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)平面內(nèi)，讓磁力線穿入手心，拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)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(dòng)勢(shì)

（1）電流

在導(dǎo)體的兩端加上電壓，導(dǎo)體內(nèi)的電子就會(huì)在電場力的作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。電流的方向規(guī)定為電子（負(fù)電荷）運(yùn)動(dòng)的反方向，即電流的方向與電子運(yùn)動(dòng)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(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電路形成通路，電池的電動(dòng)勢(shì)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(huì)定向移動(dòng)，這就形成了電流。

（2）電動(dòng)勢(shì)

電動(dòng)勢(shì)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(fù)極移動(dòng)到正極所做的功，它標(biāo)志著電源將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電路的動(dòng)力即電源供應(yīng)電路的能力。

電動(dòng)勢(shì)用公式表示為

式中，E為電動(dòng)勢(shì)，單位為伏特（V）；W為將正電荷經(jīng)電源內(nèi)部從負(fù)極引導(dǎo)正極所做的功，單位為焦耳（J）；Q為移動(dòng)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(dòng)勢(shì)是維持電流流動(dòng)的電學(xué)量，電動(dòng)勢(shì)的方向規(guī)定為經(jīng)電源內(nèi)部，從電源的負(fù)極指向電源的正極。電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)與指定的零電位的大小差距。電位也稱電勢(shì)，單位是伏特（V），用符號(hào)“E”表示，它的值是相對(duì)的，電路中某點(diǎn)電位的大小與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)。

圖1-9是由電池、三個(gè)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(diǎn)作為參考點(diǎn)，A點(diǎn)的電位為0V（即E_A=0V），則B點(diǎn)的電位為0.5V（即E_B=0.5V），C點(diǎn)的電位為1V（即E_C=1V），D點(diǎn)的電位為1.5V（即E_D=1.5V）。

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

（2）電壓

電壓也稱電位差（或電勢(shì)差），單位是伏特（V）。電流之所以能夠在電路中流動(dòng)是因?yàn)殡娐分写嬖陔妷海锤唠娢慌c低電位之間的差值。

圖1-11為由電池、兩個(gè)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(jī)械能、化學(xué)能以及聲能等。電能是指電荷移動(dòng)所承載的能量。

電能的轉(zhuǎn)換是在電流做功的過程中進(jìn)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(jì)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(jì)量一段時(shí)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(fēng)能（風(fēng)力發(fā)電）、化學(xué)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(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)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(jì)算案例。

電功率也常用千瓦（kW）、毫瓦（mW）來表示。例如某電機(jī)的功率標(biāo)識(shí)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(jì)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(dá)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(dāng)流過負(fù)載電阻的電流一定時(shí)，電功率與電阻值成正比。

2）當(dāng)加在負(fù)載電阻兩端的電壓一定時(shí)，電功率與電阻值成反比。

大多數(shù)電力設(shè)備都標(biāo)有電瓦數(shù)或額定功率。如電烤箱上標(biāo)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(shí)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(shí)際加在電氣設(shè)備兩端的電壓叫實(shí)際電壓，在實(shí)際電壓下的電功率叫實(shí)際功率。只有在實(shí)際電壓與額定電壓相等時(shí)，實(shí)際功率才等于額定功率。

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