p3 第一章電工基礎知識
本章介紹電工理論基本知識，這些知識是學習電氣專業知識所必需的基礎。主要內容包括：直流電路及基本物理量，磁場及電磁感應、正弦交流電路、三相正弦交流電路。
第一節直流電路及基本物理量
一、直流電路
電路是由電氣裝置和電器元件按一定方式組成的，它為電流的流通提供了路徑。根據電路中電流的性質不同，電路可分為直流電路和交流電路。電路中，電流的大小及方向都不隨時間變化的電路，稱為；電流的大小及方向隨時間變化的電路，稱為。
電路的種類很多，不論結構簡單還是複雜，電路都包含以下三個基本組成部分。
1. 電源
電路中，供給電路能源的裝置稱為電源，如蓄電池、發電機等。電源可以將非電能轉換成電能。
2. 負載
電路中，使用電能的裝置或元器件稱為負載，也叫負荷，如電燈泡、電爐等。負載可以將電能轉換為光能、熱能等其他形式的能量。
3. 中間環節
電路中連線電源和負載的部分稱為中間環節，最簡單的中間環節是開關和導線。導線也叫電線，是電源與負載之間的連線線，它把電流由電源引出來，通過負載再送回電源，構成電流的完整迴路。圖1-1就是乙個簡單電路的示意圖。
電路由外電路和內電路兩部分組成。
外電路：圖1－1中，由電源引出端1經導線、負載、儀表等環節，至返回端2的電路叫外電路。
內電路：電源本身電流的通路為內電路。在圖1－1中，指電源引出端1和2間，由發電機組成的電路。
電流在外電路被認為是從電源的正極流向負極，而在電源內部則相反，是由電源負極流向正極。在電源和外電路形成閉合迴路後，電流才能產生。如果電路斷開，如圖12所示，導線1點和2點間斷開了，電流就不能流通了，此時稱電路為斷路或開路狀態。
二、電流
金屬導體內的自由電子或電解液內的正負離子，通常都處在不規則的運動狀態，因此在任一瞬間通過導體任一截面的電量能相互抵消，即導體內沒有電流流過。
當導體內的自由電子受到電場力的作用後，電子就以一定方向移動。在這種情況下，導體的任何截面（在任一瞬間），將有一定的電量通過，也就是說導體內有電流流動。
1. 直流電流
如果通過導體橫截面上電流的方向和大小不隨時間變化而變化，這種電流叫穩恆電流，或叫直流電流，簡稱直流，用符號i表示，如圖1-3所示。習慣上把正電荷運動的方向為電流的實際方向，即在導體中，電流的實際方向與電子移動的方向是相反的，如圖1－4所示。
2. 電流強度
衡量電流大小、強弱的物理量稱為，簡稱電流。直流電流在單位時間內通過導體模截面的電量是恆定不變的，則電流強度為
式中 i——電流強度，a；
q一一電量，c；
t——時間，s。
電流的單位為安培，用符號a表示。在測量微小電流時，取1a的1／1000為單位，稱為毫安（ma）；或取1a的1／1000000為單位，稱為微安（μa）。式（1-1）中電量的單位為庫侖（c）；時間的單位為秒（s）。
3. 電流密度
流過導體單位截面積的電流叫電流密度，用符號j表示，電流密度的單位是安／公釐2（a／mm2）。所取的截面積應與導體中電流方向相垂直，導體截面積的單位為公釐2（mm2）。
假定電流在導體截面積上分布是均勻的，則
1－2）
式中 j——電流密度，a／mm2；
i——導體中的電流，a；
s——與導體中電流相垂直的橫截面積，mm2。
【例1-1】在橫截面積為2.5mm2的導線中，流過的電流為10a，求電流密度。
解：電流密度為
三、電阻與電導
1. 電阻
在金屬導體中，自由電子在電場力作用下做定向運動時，與晶格中的離子發生碰撞，使自由電子運動受到阻力，即導體對電流有一定的阻力。導體對電流呈現的阻礙作用稱為叫電阻，用引數r表示，電阻符號如圖1－5所示。電阻的單位是歐姆（ω），較大的電阻單位有千歐（kω）、兆歐（mω）。
它們之間的換算關係為1kω＝103ω；1mω＝106ω。
同一物質對電流的阻力，主要決定於導體的長度和橫截面積。截面積相同時，則導體越長，電阻越大；長度相同時，則截面積越大，電阻越小。所以電阻與導線長度l成正比，而與導線截面積s成反比。
用公式表示為
1-3）
式中 ρ一一電阻率（或電阻係數），ω·m。
各種導電材料的電阻率產是不同的，常用的材料中，電阻率最小的是銀，其次是銅和鋁。
2. 電導
電阻的倒數稱為電導，導體的電阻越大，電導越小。電導是表示材料導電能力的引數，用符號g表示。電阻的單位為歐姆時，電導的單位是（1／ω），稱為西門子，用符號s表示。即
1-4）
【例1-2】如有一導線的電阻是100ω，求該導線的電導。
解：該導線的電導為
【例1-3】在某裝置中，需繞乙個2ω的電阻，現採用長度為20m的銅線繞制，已知銅線的電阻率為0.42ω·m，試計算所用銅線的橫截面積。
解：銅線的橫截面積為
3. 電阻與溫度的關係
導體的電阻隨溫度而變化，變化的原因有兩個：
一是當導體的溫度公升高時，導體內自由電子在定向運動過程中與晶格點陣的碰撞次數增多，而平均速度降低，即電阻增大而電流減小，因此導體的電阻隨溫度公升高而增加。金屬導體的電阻基本上是隨溫度的公升高而增加的。
二是當導體的溫度公升高時，某些材料參與導電的載流子濃度增加，使電流增大，電阻減小。因此這類導體的電阻隨溫度公升高而降低。例如電解液和碳素物質的電阻，基本上是隨溫度公升高而降低的。
還有某些導體如康銅、錳銅、鎳鉻合金等，它們的阻值幾乎不隨溫度變化。
由上述可知，溫度變化對不同導體電阻的影響是不同的。為了便於比較，往往取導體電阻為1ω，當溫度變化為1℃時，它的電阻的變化數值作為比較的標準。這個變化數值叫做電阻的溫度係數，一般用字母「ar」表示，電阻溫度係數ar表示溫度增加1℃時，電阻的相對增量，單位為（1／℃）。
如果溫度為t1時導體的電阻為r1，而溫度變化為t2時，其電阻的數值可做如下推算：
當導體電阻是1ω，溫度變化為1℃時，電阻的數值為
r2＝r1＋r1 ar×1℃＝r1（1＋ar ×1℃）
因為 r1＝1ω，所以r2 ＝1＋ar ×1℃。
若溫度變化不是1℃，而是t2一t1，那麼變化後的電阻為
r2＝r1＋r1 ar（t2－t11-5）
或r2＝r1［1＋ar（t2－t1）］
【例1-4】一銅線在＋20℃時，測得的電阻為150ω，過了一段時間後，測得的電阻為210ω，問這時的溫度是多少（已知銅線的電阻溫度係數ar＝0.004／℃）？
解：因為 r2＝r1＋r1 ar（t2－t1）
則 （℃）
四、電動勢與電壓
電動勢表徵電源中外力（非靜電力或電源力）將化學能、機械能、磁能等非電形式的能量，轉變為電能時做功的能力。能量轉換的過程，表現在電源內部正電荷在外力作用下從電源負極移動到正極的過程。電動勢的，等於外力克服電場力把單位正電荷在電源內部從負極移到正極所做的功。
電動勢的方向從負極指向正極，與電源內的電流方向相同。在直流電路中，電動勢用符號e表示，單位是伏特，簡稱伏，用字母v表示。根據定義電動勢的表示式為
1-6）
式中 w一一外力（非靜電力）移動電荷所做的功，j；
q一一被移動的電荷量，c。
蓄電池、乾電池、直流發電機等是提供直流電的裝置，稱為電源，電源符號如圖1-6所示。
電源的一端標「＋」號，另一端標「－」號，表示電源的兩極。「＋」號一端電位高，稱為正極；「－」號一端是電位低，稱為負極。電源的電動勢e是乙個定值，與外電路的負載大小無關。
若將電源接於電路中，則該電源支路兩端的電位差就叫電源端電壓，用符號u表示，該電壓的單位也為伏特（v）。電源端電壓表示電場力在外電路將單位正電荷由高電位移向低電位時所做的功。
電動勢與電源端電壓的關係說明：
圖1-7所示是乙個由電源和內阻r0組成的簡單電路。在開關s閉合後，電路閉合，電路中就有電流產生。這時電源電動勢的一部分消耗在電源的內阻上，叫內電壓降，用ir0表示。
另一部分消耗在外電路中，叫外電壓降，用u表示。因此電源的電動勢等於內電壓降和外電壓降之和。即
e＝ir0＋u1－7）
電源的端電壓為
u＝e－ir01－8）
當電源內阻r0＝0時，電源端電壓等於電動勢；當開關s斷開後，電路斷路，電動勢在數值上等於電源兩端的開路端電壓，用u0表示。
p10 五、歐姆定律
1. 部分電路歐姆定律
部分電路歐姆定律用來分析通過電阻的電流與端電壓的關係。
如圖1-8電路所示，當電阻r一定時，加在電阻兩端的電壓越大，電流也越大，因此通過電阻的電流與電阻兩端的電壓成正比。即
1－9）
式中 u－一電阻兩端電壓，v；
r——電阻，ω；
i——通過電阻的電流，a
式（1-9）表明，若電阻一定，則通過電阻的電流i與電阻兩端的電壓u成正比；若電壓一定，則通過電阻的電流i與電阻成反比。
2. 全電路歐姆定律
全電路歐姆定律用來分析迴路電流與電源電動勢的關係。在閉合電路中，除負載電阻rf 、電源內阻r0外，還有導線電阻rl，如圖1－9（a）所示。當導線較長時，導線電阻與負載電阻和電源內阻相比，就不能忽略不計了。
這時迴路電流就與迴路總電阻rz＝rf＋rl＋r0有關係，如圖1－9（b）所示。迴路電流i與電源電動勢及總電阻rz的關係，可用下式表示
1-10）
上式表明，在閉合迴路中，電流的大小與電源的電動勢成正比，而與整個電路的電阻成反比。這就是全電路歐姆定律。
【例1-5】電源的內電阻是0.2ω，要想使離電源裝置500m遠的工廠得到220v的電壓，工廠裡需用的電流是80a，銅導線的橫截面積是90mm2，銅的電阻係數ρ＝0.0175ωm，求發電機的電動勢是多少？
解：輸電線的電阻
工廠負載電阻
外電路總電阻
發電機電動勢
e ＝i（rz＋r0）－80×（2.94＋0.2）－80×3.14＝251.2（v）
p11 六、電功率和電能
電工基本知識考核
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