新编电气工程师手册范本

1、第一篇电气工程基础篇28 / 28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与其基本定律一电路的涵（一电路的物理量电电这!电流当我们合上电源开关的时候，灯就会发光，炉就会发热，动机就会转动，是因为在电路但中有电流通过的缘故。电流虽然用肉眼看不见，是可以通过它的各种表现而被人们所觉察。（有若那么什么叫做电流呢？电流是电荷带电粒子）规则的定向运动而形成的。如图!#!所示，将电源灯从就开关闭合，泡就会发光，灯泡闪光的一瞬间开始，发生了电荷向一定方向的移动。电量为!库时的电流为!安。电流的单位也可用千安,+）安-+）安!+）纳安.+）示，们之间的换算图!#!简单电路电表简用“（!）流的大小

2、和单位：征电流强弱的物理量叫做电流强度，称电流，字母!”或”表示。电即流在数值上等于单位时间通过某一导体横截面的电荷量，$%&%(即则简常如果电流不随时间而变化，%&%($常数，这种电流称为恒定电流，称直流，用大写字母!表示。即!$#$%（中电用简式中#是在时间%通过导体横截面&的电荷量。在国际单位制)*），流的单位名称是安培，称安，符号+表示。并规定每秒钟通过导线截面的毫微（、（、（或（表它关系是：!,+$!/+!-+$!/#0+/新编电气工程师手册!#!$%&!(#!$%&!电实导而（)）流的方向：际上，体中的电流是由负电荷在导体中流动形成的，我们习惯上规定正电荷运动（。的方向或负电荷运动

3、的相反方向作为电流的方向实际方向）往在电流的实际方向是一定的但在实际电路中，流的实际方向，往难以确定。为此，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（反（。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!%)*）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!%)电流的方向导而综上所述，体中的电流不仅具有大小，且具有方向性。大小和简如方向都不随时间而变化的电流为恒定直流，称直流，图!大%&*所示。方向始终不变，小随时间而变化的电流称为脉动直流电如流

4、，图!通%&+所示。大小和方向均随时间变化的电流称为交流电流，常其大小和方向且简周期性变化，平均值为零的交流电，称交流。工业上普遍应用的交流电!*+#若!*!+分别表示*点、点电位且*点电位高于+点称如流是按正弦函数规律变化的，为正弦交流电流，图!%&,所示。是图!%&-所表示的电流，非正弦交流电流。（与).电压电位差）电位电路中负载与电源接通后就会有电流通是过。电灯发光，因为电源正负极之间存在电压。电压是电场中两点间是是如在单电的电位差，变量电场力做功本领的物理量，产生电流的能力，图!%/所示，导体部，位正电荷自*点移动到+点，场力所作的功+定义为*、两点间的电压。用!*+表示。即*+#单（

5、；式中*+电场力所做的功，位为焦0）单（。#被移动正电荷的电量，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，通但（。其数值与零电位点的选择有关。供电线路中，常选择的电位为零电位；在电路常以电源的负极作为参考点零电位）（+则，若电位）用电位来表示*、两点间的电压，习!*+#!*%!+在电路中，惯上将正电荷受电场力方向即电位定降方向，为电压方向。当正电荷顺电场方向由*点移向!电即+点，场力作正功，*+2$，*点电位高于+点反电位，之相反。图!%&电流的种类就电产电流总是从高电位向低电位流动，像水从高处流向低处一样，位差愈大即电压愈高，生的电流就愈大。伏，字母&表示。电压的单

6、位也可用千伏&）伏(&）微伏!&）示，们第一篇电气工程基础篇/在电简电压通常用!表示，国际单位制中，压的基本单位名称是伏特，称毫用（、（和（表它之间的换算关系是：!&)!*&!(&)!*+&!&)!*+图!#$%两点间的电压(&设+,电动势在电路中，源是维持流过持续的电流，法不断地向电路补充负这能量的装置。电源的正、极之间存在电位差，是因为电源产生电源力克服蓄发（移（。（，移（所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：电瓶靠部的电极与电解液之间的化学反应产生电源力；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）到高电位正极）我们用电动势

7、这个物理量衡量电源力对电荷做功的能力。在电源部，源力把单位正电荷从电源负极低电位）到正极高电位）做的功叫做电源的电动势，单（。用符号表示，位为伏&）即)#$单（；式中#电源力做的功，位为焦-）单（。$被移动电量，位为库.）电都简（。在国际单位制中，动势和电压的单位名称一样，采用伏特，称伏&）电源电压与电源电动势在概它念上不能混淆。电压指两个电极之间的电位差，表示电能输出做功的能电它力；动势是指电源部建立电位差的本领，表明电源依靠化学能或机械能产生电压的能力。%电也是（经（所将（移（所如图!/所示，源电压!$%，就是$、两点间的电压，单位正电荷从$点高电位）导线和负载移到%点低电位）失去的电能。

8、电源电动势是在电源部电源力克服电场力，单位正电荷从%点低电位）到$点高电位）得到的电能。将因电即即通常习惯上，正电荷所受电源力的方向定为电动势正方向，此，动势的正方向是从电源负极到正极的方向，电位升的方向；压的正方向是正极到负极的方向，电位降的方向。因此，动势的正方向与如电压的正方向相反，图!/所示。图在电路中，动势的符号如图!0所示。图!0$为电池的表示符号，!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电直图!0电动势的符号（$）池（%）流发电机压（二电路的基本参数是电是电也电电阻、感和电容是电路的三个基本参数。在电路中，阻元件发热而消耗能量，耗能元件；

9、感元件要产生磁场而储存磁场能量，储能元件；容元件要产生电场而储存电场能量，是储能元件。下面分别介绍电路中电阻、感、容的三个基本参数。表!,电阻电阻具有阻碍电流流动的本性，征导体对电流呈现阻碍作用的电路参数叫做电阻，符号%表示。电源部的电阻称为阻，源以外导线与负载的电阻称为外电阻。在国际单位制中，阻的单位!导体的电阻率，位为欧米!&）。.新编电气工程师手册简用（、或（表名称是欧姆，称欧，希腊字母!表示。也可以用千欧!）兆欧!）示。它们之间的关系是#!$#%!#!$#%!在电（#）一定的温度下，阻与导体的尺寸与材料有关。金还实验证明，属导体电阻!的大小与导体的长度成正比，导体的截面积成反比，与材料

10、的导电能力有关。即!$!#单（；式中导体的长度，位为米&）单；（#导体的截面积，位为平方米&）单（为截（；电（在实际应用时，了方便，面#的单位常用平方毫米&）阻率的单位便是欧平方毫米每米!。应&(&）计算时，注意单位的换算。是用电阻!的倒数称为电导，表征元件导电能力的电路参数，符号$表示。其国际单位名称是西门子，$#用简称西，符号)表示。即$#!用单（。（电阻率的倒数叫电导率，符号表示，位是西门子每米)(&）实际常用西门子米每平方毫米)表&(&）示。即$#!有不同的材料，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

11、%+平均电阻温度系数$（!&(%,#%+（#(+）导电材料电阻材料碳银铜铝低碳钢锰铜康铜镍铬铁铝铬铁铂&）#%-%-%#./%-%#0/%-%12%-#2%-3%-33#-%*%-%/%-%2.%-%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，示碳的电阻值随着温度的升高而降低。温还金（）度对电阻的影响。实践证明，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，受温度的影响。对一般金属来说，度在%,#%+围电阻随着温度的增高而增大，碳和一些纯净的我半导体材料则

12、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，们把导体温度每升高第一篇电气工程基础篇*电用导!时，阻值增大的百分数叫做电阻的温度系数，符号!表示。在#$!#之间，体电阻所增加的相对基数值，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!)）它（时电甚这有些金属或合金，们处于接近绝对零度(%*+），阻值会突然下降，至变为零，种现象叫做超利正原导电性。具有这种性质的物体称为超导体。目前，用低温超导体材料制成的元件，在广泛应用于电子计算技术、子能技术等方面。电电（+）阻的种类：阻分为线性电阻和非线性

13、电阻两种。电阻值!只与导体本身的材料和几何尺寸有而关，不随电压或电流的变化而变化，阻值是一个常量。具有这种特性的电阻元件称为线性电阻。它的即如称因图电压和电流之间的关系，伏安特性是一直线，图!(*,所示。电阻值!随电压或电流的变化而变化的电阻元件，非线性电阻。它的伏安特性是一曲线，!(*-是二极管的伏安特性。它与直线相差很大，二除此，极管是一种非线性电阻元件。我们提到的电阻，了特别说明者外均为线性电阻。图!(*电阻的伏安特性曲线线非（,）性电阻（-）线性电阻二极管）在如在%.电感我们知道，静止电荷的周围存在着电场，果电荷运动就形成了电流，电流的周围就会产只它载导也“生磁场。电和磁是不可分割的统

14、一体，要有电流存在，的周围就有磁场。磁场对电流有作用力，流导体在磁场中受到电磁力的作用，体在磁场中的运动或变动的磁场能够产生电动势和电流，就是动磁生电”。很继变电都目前，多设备如发电机、动机、电器、压器、工测量仪表等等，是根据电磁作用原理而制作的。二我电流就有磁现象，磁现象说明有电流存在，者既互相联系又互相作用。为了讲明电感参数，们首先介绍电磁感应现象和感应电动势的大小和方向。电叫（!）磁感应。变动的磁场能够在导体中引起电动势的现象，做电磁感应。由电磁感应产生的电动势叫做感应电动势。由感应电动势所引起的电流叫做感应电流。只才而实验证明，有在导体作切割磁力线运动时，会产生电磁感应，当导体在磁场中

15、平行磁力线左右移是动时，不会产生感应电动势的。感取（%）应电动势的大小和方向。下面分两种情况分别讨论如何确定感应电动势的大小和方向。#直导体中的感应电动势。当导体对磁场作相对运动而切割磁力线时，体中感应电动势的大小，导决于磁感强度、体长度和切割速度。当与沿所实验表明，直导体在均匀磁场中，着与磁力线垂直的方向运动时，产生的感应电动势的大小#，导磁导线的有效长度$、线的运动速度%、感应强度&成正比。即0新编电气工程师手册!#$单$（，也，以式中磁感应强度，位名称是特斯拉）就是韦伯#米（%&#$）前也常用电磁制单位高斯表（()）示。它们的关系是!*!（%&#$）*+,（()）#导线的有效长度；（）$

16、导线在垂直于磁力线向上运动的速度。（#)）磁感应强度的大小!%&#或!（；（；（；单。（式中%载流导线受到的电磁力-）#与磁场方向垂直的导线长度）&导线中流过的电流.）!磁通，位是韦%&）既而磁感应强度和磁通!，有联系又有区别。是描述磁场各点性质的物理量，磁通!是用来描述磁场某一个面上磁场状况的物理量。如大感应电动势的方向按发电机右手定则确定，图*/0所示。即把右手伸开，心迎着磁力线，拇指指其向导体运动的方向，余四指所指的方向就是感应电动势的方向。感应电流的方向与感应电动势的方向一致。图*/0发电机右手定则感其必须指出，应电流只有在闭合回路中才能产生，大还只其这小除了与感应电动势的大小有关外，

17、与电路中电阻的大小有关。而导体中的感应电动势则不论电路是否闭合，要切割磁力线就会产生，大小与回路中的电阻无关。当导体在磁场中产生感应电动势时，体便成了电源。若把它的两端和外电路接通形成闭合回路时，就能输出一定的电能。借助于磁场把机械能转变为电能，就是发电机如的基本原理，图*/1所示。!线圈中的感应电动势。当线圈回路中的磁通发生变回取化时，路中产生的感应电动势的大小，决于磁通变化的（和速度即磁通变化率）线圈的匝数。图*/1发电机绕组中的感应电动势线实验表明，圈中的感应电动势的大小与磁通变化率成正比，线圈的匝数成正比。即!(2!2)第一篇电气工程基础篇0可感总感线圈中产生的感应电动势的方向，以根据

18、楞次定律应用线圈的右手螺旋定则来确定。楞次定律指出：应电动势的方向，是企图阻止回路中磁通的变化。也就是当磁通要增加时，应电当感回新的磁通反抗它的增加；磁通要减少时，应电流要产生新的磁通去反抗它的减少。右手螺旋定则指出，路大四图中磁通变化时，拇指指向磁通变化的反方向，指则指感应电动势的方向。如图!#所示，中!图图为原磁通!为感应电动势产生的磁通，!#$为!增加时，!#%为!减小时。（，当图!#应用楞次定律来确定感应电动势方向习惯上规定感应电动势的正方向与磁通的正方向之间符号右手螺旋定则图!）磁通!增大时，即反即为负值，&!&#(#时，)#；之为正值，&!&#)#时，(感#。因此，应电动势的公式可

19、写成*&!&#对于$匝*$&!&#*&#即式中磁链*$!，与线圈各匝相链的磁通总和。自因（+）感应和电感。线圈有电流就产生磁场。当电流变化时，圈中的磁通也跟着变化，此线圈叫便产生感应电动势。这种由于线圈自身电流变化而产生感应电动势的现象，做自感应。由此产生的用所感应电动势叫做自感电动势，符号,表示。自感电动势是感应电动势的一种，以自感电动势的大小和方向可以用电磁感应定律来确定。叫简简也用电图!的正方向与的正方向之间符合右螺旋定则体现线圈自身产生自感电动势能力的物理量，做自感量，称自感，叫电感，符号%表示。在国际单位制中，感的基本单位名称是亨利，称亨，-表示。还常用毫亨.-）微亨!-）示。它们之

20、间的关系是或用（、（表!.-*!#+-!-*!#/-当（和实验证明，线圈中没有铁磁材料时，圈的磁链或磁通）电流成正比。即*$!*%&!&0新编电气工程师手册或!#称。（式中!比例常数，为线圈的电感自感）其线电线圈的匝数#愈多，电感愈大；圈中单位电流产生的磁通量愈大，感也愈大。可见，感!在数值上等于单位电流所产生的磁通链，以电感!是表示电感线圈产生磁通链能力的物理量。将磁链!则代入式中，得$!#%$!称为自感电动势。即自感电动势的大小和线圈中电流的变化率成正比。其方向总是阻碍线圈电流的自变化。因而，感电动势实际上总是力图维持线圈的电流不变。（尺有。一一个线圈电感的大小决定于线圈的结构。如匝数、寸

21、、无铁芯、芯的形状和磁性质等）譬如，个铁芯线圈的电感比空心线圈的电感大得多。所以常常把导体绕成的线圈叫做电感线圈。密&若，长，匝介!，则实验证明，绕的长线圈，截面为（$%）度为（$）数为，质的磁导率为（()$）其电感*为：*!+!%&在移隔旁,-电容电容器是一种能够储存电荷的元件，电子电路中利用电容器来实现滤波、相、直、路、在以选频等作用；电力系统中利用电容器来改善系统的功率因数，减少电能的损失和提高电气设备的利用率。就可“纸云油塑两块用绝缘体隔开但又互相接近的金属导体，构成了一个电容器。组成电容器的金属板叫做极板。两极板间绝缘材料叫做绝缘介质，采用空气、母、料等材料。电容器在电路中的符号用”

22、表示。把于在如图&%所示，电容器的两个极板分别接到电压为的直流电源上，是，电源电压就形因负叫“电叫“的作用下，会有电荷流向电容器，成电流。由于电容器极板间是绝缘的，荷通不过，此电荷会聚积在电容器的极板上。正电荷聚积在与电源正极相连的极板上；电荷聚积在与电源负极相连的极板上。两个极板上的电荷聚积过程，做电容器的充电”过程。相反，容器极板上电荷的释放过程，做电容器的放电”过程。负在用而电图&%电容器与直流电源接通由于电容器两个极板上聚积了正、电荷，电容器极板间便产生了电位差，(表示。电源电压和电容电压)对电荷来说作用是相反的。电源电压是促使电荷向极板上聚积，电容电压)则阻止电荷的聚积。极板上聚积的

23、电荷越多，)越大，路中流过电流越小。当电容器电压等于电源电压时，路中电再没有电荷的移动，流就为零，源电压对电容器的充电就停止。这时电容器的极板上聚积着一定的电荷。电即即实验证明，容器所充的电量，电容器极板上所储集的电量*与其极板上电压成正比，*!)或)!*采用微法!.）皮法/.）它们之间关系是：称简用式中)为比例常数，为电容器的电容量，称电容。它的国际单位名称是法拉，符号.表示。工程上多（或（。!$%&第一篇电气工程基础篇!#!$%&!#!平电容器电容!的大小与电容器本身的结构有关。实验证明，行板电容器的电容!和极板的面积和还有成正比，极板之间距离#成反比，与极板间的绝缘材料（()）关。即#!#!当将电容器接于交流电源时，容器便开始周期性充电和放电。当极板上的电量$或电压%发生变在化时，电路中就要产生电流。即#&#*$*%!*电否可见，容电路中电流与电压的变化率成正比。上