新编电气工程师手册(一).doc

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第一篇电气工程基础篇

第一篇 电气工程基础篇

·0·

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+

·/·

新编电气工程师手册

!

!

"#!

$%&’"

!

（"#!

$%&

!

"

（））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

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。



图!

%&电流的种类

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。

第一篇 电气工程基础篇

·/·

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



图!

"#$、%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"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

·.·

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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

电阻率#［’%+］



平均电阻温度系数$

用途 材料名称

碳银

（!

·&&’（&）

#%-%

%-%#./

［%,#%%+］（#（+）

*%-%%%/

%-%%2.

导电材料

电阻材料

铜铝

低碳钢

锰 铜康 铜镍铬铁铝铬铁铂

%-%#0/

%-%’12

%-#2

%-3’

%-33

#-%

#-’

%-#%.

%-%%3

%-%%3

%-%%.

%-%%%%%/

%-%%%%%/

%-%%%#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

第一篇 电气工程基础篇

·*·

!

"时，电阻值增大的百分数叫做电阻的温度系数，用符号!

表示。

在#$!

##"之间，导体电阻所增加的相对数值，基本上与温度上升的值成正比。

即

!

%&!

!

〔!

’!

（"%（"!

）〕式中 !

!

———起始温度"!

时的导体电阻（"）；

!

%———温度增加到"%时导体电阻（"）；

!

———电阻温度系数（!

）"）。

有些金属或合金，它们处于接近绝对零度（（%*+"）时，电阻值会突然下降，甚至变为零，这种现象叫做超导电性。

具有这种性质的物体称为超导体。

目前，利用低温超导体材料制成的元件，正在广泛应用于电子计算技术、原子能技术等方面。

（+）电阻的种类：

电阻分为线性电阻和非线性电阻两种。

电阻值!

只与导体本身的材料和几何尺寸有关，而不随电压或电流的变化而变化，电阻值是一个常量。

具有这种特性的电阻元件称为线性电阻。

它的电压和电流之间的关系，即伏安特性是一直线，如图!

（*,所示。

电阻值!

随电压或电流的变化而变化的电阻元件，称非线性电阻。

它的伏安特性是一曲线，图!

（*-是二极管的伏安特性。

它与直线相差很大，因此，二极管是一种非线性电阻元件。

我们提到的电阻，除了特别说明者外均为线性电阻。

图!

（*电阻的伏安特