基本物理量和電與磁及單相交流電與三相交流電等電氣基礎(chǔ)知識講解

1、電場、電位及電壓

1. 電場：當(dāng)兩個(gè)帶電物體相互靠近時(shí)，同性帶電相互排斥，異性帶電相互吸引。說明帶電物體周圍的空間存在一種特殊物質(zhì)，相互作用力就是靠這種特殊物質(zhì)來傳遞的，我們把它稱為電場。電荷的多少和位置都不變化，則電場也不變化，這種電場稱為靜電場。

2. 電位：一個(gè)物體帶有電荷時(shí)，這物體就具有一定的電位能，我們把這電位能叫作電位。參考點(diǎn)點(diǎn)位為零

3 。電壓（電位差）：電路中任意兩點(diǎn)間的差值稱為電壓（電位差）。A，B兩點(diǎn)的電壓以UAB表示，UAB=VA-VB。

2、電流與電流密度

1. 電流：就是電荷有規(guī)律定地向移動。電流的方向規(guī)定為正電荷移動的方向。

通常規(guī)定：1S內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量稱為電流強(qiáng)度，以字母I表示。若在t時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電量是Q，則電流強(qiáng)度I就可以用下式表示：

電流強(qiáng)度I——A（安培）。安培簡稱安，以字母A表示。

電流分交流電和直流電：直流電路中的電流、電壓和電動勢的大小和方向都是不隨時(shí)間變化的。

大小隨時(shí)間變化，方向不隨時(shí)間變化的電壓或電流稱為脈動直流電。

大小方向都隨時(shí)間變化的電流稱為交流。

2. 電流密度：是指電流I在導(dǎo)體的橫截面S上均勻分布時(shí)，該電流I與導(dǎo)體橫截面S的比值，用字母J表示，即：

導(dǎo)體允許通過的電流強(qiáng)度隨導(dǎo)體的截面不同而不同。1mm2的銅導(dǎo)線允許通過6A的電流。

3、電源與電動勢

電源是將其他能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。電動勢是衡量電源將其他能量轉(zhuǎn)換為電能的本領(lǐng)大小的物理量。電動勢簡稱為電勢，單位是V（伏）。

電荷的運(yùn)動規(guī)律：①電源外部：正電荷由高電位向低電位移動。②電源內(nèi)部：正電荷由低電位向高電位移動。

當(dāng)電路開路時(shí)電源端電壓在數(shù)值上等于電源的電動勢。

4、電阻與電導(dǎo)

1、 電阻：反映導(dǎo)體對電流阻礙作用大小的物理量。導(dǎo)體對電流的阻力小，導(dǎo)電能力強(qiáng)；導(dǎo)體對電流的阻力大，導(dǎo)電能力差。

電阻用字母R表示，單位是歐姆，簡稱歐，用字母?表示。導(dǎo)體電阻的大小與導(dǎo)體的長度成正比，與導(dǎo)體的截面積成反比，同時(shí)跟導(dǎo)體材料的性質(zhì)、環(huán)境溫度很多因素有關(guān)。電阻的表達(dá)式為：

式中：ρ——電阻率，單位是歐姆·米（?·m）；L——導(dǎo)體的長度，單位是米（m）; S——導(dǎo)體的截面積，單位是平方毫米（mm2）。

2、 電導(dǎo)：電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，電導(dǎo)用符號G表示，即：

導(dǎo)體的電阻越小，電導(dǎo)就越大，表示該導(dǎo)體的導(dǎo)電性能越好。電導(dǎo)的單位是1/歐姆（1/?），稱西門子，用字母s表示。

5、歐姆定律

歐姆定律是反映電路中電壓、電流、電阻三者之間關(guān)系的定律，它是電路的基本定律之一，應(yīng)用非常廣泛。

1. 部分電路歐姆定律

如果加在電阻R兩端電壓U發(fā)生變化時(shí)，流過電阻的的電流I也隨著變化，而且成正比例變化，即電壓和電流的比值是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是電路中的電阻R，寫成公式為：

式中：U——電壓（V）；R——電阻（?）；I——電流（A）。

2. 全電路歐姆定律

在閉合回路中，電流強(qiáng)度與電源的電動勢成正比，與電路中內(nèi)阻和外阻之和成反比。這個(gè)定律稱為全電路歐姆定律。

式中：E——電源的電動勢（V）；R——外電路的電阻（?）；R0——電源內(nèi)電阻（?）；I——電路中電流（A）。

流過導(dǎo)體的電流強(qiáng)度與這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與這段導(dǎo)體的電阻成反比，這一規(guī)律稱為歐姆定律。

6、電路連接（串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)）

1. 電阻串聯(lián)電路

兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻按頭尾相接的順序一個(gè)接一個(gè)地連接起來，使電流中有一條回路，電阻的這種連接方式稱為電阻的串聯(lián)。

電阻串聯(lián)電路中具有一下一些特點(diǎn)：

（1）串聯(lián)電路中通過每個(gè)電阻的電流相等，是同一個(gè)電流，即I=I1=I2=I3=···=In

（2）電路兩端的總電壓等于各個(gè)電阻兩端電壓之和，即U=U1+U2+U3++Un=IR1+IR2+IR3+···+IRn

（3）串聯(lián)電路的等效電阻（即總電阻）等于各電阻之和，即R=R1+R2+R3+···+Rn

2. 電阻并聯(lián)電路

兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻一端連在一起，尾端也連在一起（各個(gè)電阻的頭連在一起，尾也連在一起），使每個(gè)電阻兩端都承受同一電壓的作用，電阻的這樣連接方式稱為電阻并聯(lián)。

電阻并聯(lián)電路具有下面的一些特點(diǎn)：

（1）各電阻兩端的電壓相等，且電路兩端的電壓，即 U=U1=U2=U3=···=Un

（2）電路中的電流等于各電阻中的電流之和，即I=I1+I2+I3++In=U/R1+U/R2+U/R3+···+U/Rn

（3）電路的等效電阻（總電阻）的倒數(shù)，等于各并聯(lián)電阻倒數(shù)之和，即 1/R=1/R1+1/R2+1/R3+···+1/Rn

兩個(gè)電阻R1、R2并聯(lián)，其等效電阻R可直接按下式計(jì)算：

在并聯(lián)電路中，所有支路負(fù)載都相互獨(dú)立，互不影響。

3. 電阻混聯(lián)電路

在一個(gè)電路中既有電阻的串聯(lián)，又有電阻的并聯(lián)，這種連接方式稱為混合連接，簡稱混聯(lián)。

計(jì)算混聯(lián)電路時(shí)要根據(jù)電路的情況，運(yùn)用串聯(lián)和并聯(lián)電路的知識，逐步化簡，最后求出總的等效電阻，計(jì)算出總電流。

7、電路與電路的三種狀態(tài)

電流經(jīng)過的路徑稱為電路，又稱回路由電源、負(fù)荷、開關(guān)和連接導(dǎo)線組成，如下圖所示。

電路通常有三種狀態(tài)：

通路：開關(guān)s閉合，電路構(gòu)成回路，電路中有電流流過。

開路（斷路）：開關(guān)s斷開或電路中某處斷開，電路被切斷，這時(shí)電路中沒有電流流過，開路又稱斷路。

短路：若燈泡兩端用導(dǎo)線直接接通，稱為負(fù)載短路。若電池兩端用導(dǎo)線直接接通，稱電源短路。

8、電能與電功率

1. 電能：在直流電路中，兩點(diǎn)間的電壓為U，電路中形成的電流為I，在t時(shí)間內(nèi)電流I所做的功被電阻R吸收并全部轉(zhuǎn)換為熱能，此時(shí)電阻元件消耗（或吸收）的電能為W，即

根據(jù)歐姆定律，也可以表示為：

2. 電功率：單位時(shí)間內(nèi)消耗的電能，成為電功率，簡稱功率，用字母P表示，即

式中：W——電能（焦耳）；t——時(shí)間（秒）；P——電功率（千瓦）。

電功率為1kW的設(shè)備，用電1h消耗的電能為1kW·h，俗稱1度電。

9、磁現(xiàn)象

（一）磁體與磁極

人們把具有吸引鐵、鎳、鈷等物質(zhì)的性質(zhì)稱為磁性，具有磁性的物體叫做磁體。把原來不帶磁性的物體具有磁性稱為磁化。磁鐵兩端磁性最強(qiáng)的區(qū)域稱為磁極。小磁針轉(zhuǎn)動靜止時(shí)，指北的一端叫N極（指北極）；指南的一端叫S極（指南極）。

同性磁極相排斥，異性磁極相吸引。

（二）磁場與磁力線

磁體周圍存在磁力作用的空間稱為磁場，磁場的磁力用磁力線來表示。磁力線是由N極出發(fā)到S極的光滑曲線。磁極附近磁力線最密，表示這里磁場最強(qiáng)；在磁體中間，磁力線較疏，表示這里磁場較弱。因此可以用磁力線的多少和疏密程度來描繪磁場的強(qiáng)度。

（三）通電導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場

一根導(dǎo)體通過電流，它周圍就要產(chǎn)生磁場，通的電流越強(qiáng)，周圍產(chǎn)生的磁場亦強(qiáng)，反之亦弱。電流的方向改變，則磁場的方向也改變。磁場的方向可用右手定則來判斷。

1.直流電流的磁場：磁場的方向用右手螺旋定則確定。用有右手握直導(dǎo)體，大拇指的方向表示電流的方向，彎曲四指的指向即為磁場的方向。

2.環(huán)形電流的磁場：一個(gè)線圈中通有電流，該線圈在周圍產(chǎn)生磁場，通過電流越大，產(chǎn)生磁場越強(qiáng)，反之越弱。線圈圈數(shù)越多磁場越強(qiáng)。

磁場的方向用右手螺旋定則判別。用右手握螺旋管，彎曲四指表示電流方向，則拇指方向便是磁場N極方向。

10、磁場的基本物理量

（一）磁通

通過與磁場方向垂直的某一面積上的磁力線總數(shù)，稱為通過該面積的磁通。用字母Ф表示。磁通的單位是Wb（韋伯），簡稱韋，工程上常用比韋小的單位，叫Mx麥克斯，簡稱麥。

（二）磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁感應(yīng)強(qiáng)度是表示磁場中某點(diǎn)磁場強(qiáng)弱的方向的物理量，用符號B表示。磁場中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向就是該點(diǎn)磁力線的切線方向。

如果磁場中各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，則這樣的磁場稱為均勻磁場。磁感應(yīng)強(qiáng)度可用下式表達(dá)：

在均勻磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B等于單位面積的磁通量。磁感應(yīng)強(qiáng)度有時(shí)又稱磁通密度。

磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位是“特斯拉”，簡稱“特”，用字母“T”表示。在工程上，常用較小的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位“高斯（Gs）”。1T=10^4Gs。

（三）導(dǎo)磁率

不同的材料其導(dǎo)磁性能也不同。通常用導(dǎo)磁率（導(dǎo)磁系數(shù)）μ來表示該材料的導(dǎo)磁性能。導(dǎo)磁μ的單位是H/m（亨/米）。

其他材料的導(dǎo)磁率和真空相比較，其比值稱為相對導(dǎo)磁率。

（三）導(dǎo)磁率（導(dǎo)磁系數(shù)）

表征磁介質(zhì)磁性能的物理量，叫做導(dǎo)磁率（或?qū)Т畔禂?shù)）用符號 表示μ。單位：亨/米（H/m），亨（H）是電感的單位。

式中 μr ——相對導(dǎo)磁率；μ?！婵諏?dǎo)磁率。

1）反磁物質(zhì)μr《1

2）順磁物質(zhì)μr》1

3）鐵磁物質(zhì)μr》》1

（四）磁場強(qiáng)度

磁場強(qiáng)度是一個(gè)矢量，長用字母H表示，其大小等于磁場中某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與媒介質(zhì)導(dǎo)磁率μ的比值，即

磁場強(qiáng)度的單位是A/m（安/米），較大的單位是奧斯特，簡稱奧，換算關(guān)系為：1奧斯特=80安/米。

即同樣的導(dǎo)線，通過同樣的電流，在同一相對位置的某一點(diǎn)來說，如果磁介質(zhì)不同，有不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但有相同的磁場強(qiáng)度。

11、電磁感應(yīng)

當(dāng)導(dǎo)體相對磁場運(yùn)動而切割磁力線或者線圈中磁通發(fā)生變化時(shí)，在導(dǎo)體或線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，若導(dǎo)體或線圈構(gòu)成閉合回路，則導(dǎo)體或線圈中就有電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。

由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢稱為感應(yīng)電動勢。

由感應(yīng)電動勢引起的電流稱為感應(yīng)電流。

感應(yīng)電動勢公式計(jì)算：

式中：B——磁感應(yīng)強(qiáng)度（Wb/m2）；

v ——導(dǎo)體切割磁力線速度（m/s）；

L——導(dǎo)體在磁場中的有效長度（m）

α——導(dǎo)體運(yùn)動方向與磁力線的夾角。

（一）法拉第電磁感應(yīng)定律

回路中感應(yīng)電動勢的大小與穿過回路的磁通量變化速率成正比，這個(gè)規(guī)律稱為法拉第電磁感應(yīng)定律。

設(shè)通過線圈的磁通量為Ф，則單匝線圈的感應(yīng)電動勢的大小為：

對N匝線圈，其感應(yīng)電動勢為：

式中：e——感應(yīng)電動勢（V）；

?Ф∕?t——磁通變化速率（Wb/s）；

N——線圈匝數(shù)。

（二）愣次定律

當(dāng)閉合線圈回路中磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。

感應(yīng)電流的方向總是使它產(chǎn)生的磁場阻礙閉合回路中原來磁通量的變化，即閉合線圈回路中的感應(yīng)電流，它又要產(chǎn)生磁場，其磁場的方向總是阻礙閉合回路中原來磁通的變化。

當(dāng)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向確定后，用右手定則就很容易判定出感應(yīng)電流的方向。

12、磁場對通電導(dǎo)體的作用

通電直導(dǎo)體在磁場中，將受到力的作用，磁場越強(qiáng)所受的力就越大，磁場越弱所受的力就越?。粚?dǎo)體通過的電流大所受的力就大，通過的電流小所受的力就小。

在均勻磁場中，直導(dǎo)體受力大小：

式中：B——均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度（Wb/m2）；

I——導(dǎo)體中的感應(yīng)強(qiáng)度（A）；

L——導(dǎo)體在磁場中的長度（m）；

α——導(dǎo)體與磁力線的夾角；

F——導(dǎo)體受到的磁力（N）。

通電直導(dǎo)體在磁場中受力的方向可用左手定則判斷。如下圖：

13、自感與互感現(xiàn)象

（一）自感現(xiàn)象

當(dāng)線圈電流變化時(shí)，由這個(gè)電流所產(chǎn)生的磁通量相應(yīng)發(fā)生變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于感應(yīng)電動勢由自身電流變化產(chǎn)生，所以稱自感電動勢，即這種現(xiàn)象稱為自感現(xiàn)象。

（二）互感現(xiàn)象

兩個(gè)線圈靠的很近，第一個(gè)線圈中電流變化時(shí)，產(chǎn)生變化磁通，有一部分穿過第二個(gè)線圈，在第二個(gè)線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。同時(shí)第二個(gè)線圈也產(chǎn)生變化磁通，使第一個(gè)線圈也產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這中現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，產(chǎn)生電勢為互感電動勢。

14、單相交流電

（一）概述

把在電路中，電動勢、電壓、電流的大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的電稱為交流電。

正弦交流電：隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的交流電

描述交流電大小的物理量

（1）瞬時(shí)值：某一瞬時(shí)的數(shù)值

（2）最大值：最大瞬時(shí)值

（3）有效值：與它的熱效應(yīng)相等的直流值

（4）平均值：正半周內(nèi)，其瞬時(shí)值的平均數(shù)

瞬時(shí)值常用小寫字母表示 ，有效值常用大寫字母表示。

2.描述交流電變化快慢的物理量

（1）周期：交流電變化一次所需要的時(shí)間T=1/f

（2）頻率：1s內(nèi)交變電重復(fù)變化的次數(shù) f=1/T

（3）角頻率：每秒內(nèi)變化的角度ω=2πｆ

工頻率：f=50Hz ；T =0.02s；ω=314（rad/s）

3.正弦交流電的初相角、相位、相位差。

4.趨膚效應(yīng)（集膚效應(yīng)）

在直流電路中均勻?qū)Ь€橫截面上的電流密度是均勻的。但在導(dǎo)線流過交變電流時(shí)，根據(jù)楞次定律會在導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生渦流，與導(dǎo)線中心電流方向相反。由于導(dǎo)線中心較導(dǎo)線表面的磁鏈大，在導(dǎo)線中心處產(chǎn)生的電動勢就比在導(dǎo)線表面附近處產(chǎn)生的電動勢大。這樣作用的結(jié)果，電流在表面流動，中心則無電流，這種由導(dǎo)線本身電流產(chǎn)生之磁場使導(dǎo)線電流在表面流動。

趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線的有效面積減小，等效電阻增加。

（二）純電阻電路

1.純電阻電路中電壓與電流的關(guān)系：I=U/R

2.純電阻電路中的功率： P=UI

電壓的瞬時(shí)值與電流的瞬時(shí)值的乘積叫作瞬時(shí)功率。

電流和電壓同相位

（三）純電感電路

（1）純電感電路中電壓與電流相位關(guān)系：電流的相位滯后于電壓90°且同為同頻率正弦量

注：XL=ωL=2πｆＬ稱為感抗，反映電感對交流電的阻礙作用；與頻率有關(guān)。

（2）功率關(guān)系

有功功率：P=0（即不消耗電能）

無功功率：Q=ULI=I2XL（乏）

無功功率的“無功”的含義是“交換”的意思

（四）純電容電路

1.純電容電路中電壓與電流的關(guān)系

注：Xc=1／ωc=1／2πｆc，稱為容抗，反映電容對交流電的阻礙作用；與頻率有關(guān)。ｆ→0，Xc→∞；ｆ→∞， Xc→0說明電容有“隔直通交”的作用。

2.純電容電路中的功率

有功功率：P=0（即不消耗電能）

無功功率：Q=UCI=I2XC（乏）

（五）電阻、電感、電容串聯(lián)電路

1.電路中電壓與電流的關(guān)系

2.單相交流電功率關(guān)系

視在功率：電源提供的功率：S=UI（伏安）

有功功率：電阻上消耗的功率：P=URI=UIcosφ（瓦）

無功功率：電感、電容上的功率：Q= UIsinφ（乏）

（六）電阻電感串聯(lián)再與電容并聯(lián)的電路及功率因數(shù)提高

1.提高功率因數(shù)的意義：提高發(fā)、配電設(shè)備的利用率；減少輸電線路的電壓降和功率損失。

2.提高功率因數(shù)的方法：在感性負(fù)載上并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙荨?/p>

必須注意功率因素cosφ不能提高到等于1。

15、三相交流電

（一）概述

1.三相交流點(diǎn)的特點(diǎn)

頻率相同、幅值相等、相位相差120度

三相交流電具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）三相發(fā)電機(jī)比尺寸相同的單相發(fā)電機(jī)輸出的功率要大。

（2）三相發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和制造并不比單相發(fā)電機(jī)復(fù)雜多少，而且使用、維護(hù)也方便，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比單相發(fā)電機(jī)的振動小。

（3）同樣條件下，輸送同樣大的功率時(shí)，三相輸電線比單相輸電線可省約25%左右的材料。

2.三相正弦交流電動勢的產(chǎn)生

三相交流電由三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。如上圖所示，三相交流發(fā)電機(jī)單相交流發(fā)電機(jī)一樣，它也是由定子（磁極）和轉(zhuǎn)子（電樞）組成。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有U1—U2，V1—V2，W1—W2三個(gè)，每一個(gè)繞組稱為一相，各相繞組匝數(shù)相等、結(jié)構(gòu)相同，它們的始端（U1、V1、W1）在空間位置上彼此相差120°。

3.三相正弦交流電動勢的表達(dá)方法

4.相序

黃 U、綠 V、紅 W

一般稱U→V→W→U為正序或順序 V→U→W→V為負(fù)序或逆序

（二）三相電源繞組的連接

連接方法：星形（Y）連接和三角形（D）連接

1.三相電源繞組的星形（Y）連接

2.三相電源繞組的三角形（D）連接

（三）三相負(fù)載的連接

三相負(fù)載的星形（Y）連接法

各相負(fù)載的相電壓就等于電源的相電壓。（1）相電流：負(fù)載中的電流。（2）線電流：火線中的電流

2.三相負(fù)載的三角形（D）連接

線電流的有效值為相電流有效值的1.73倍。各線電流在相位上比各相應(yīng)的相電流滯后30°。

（四）三相電路的功率

1.對于負(fù)載不對稱電路，有功功率等于各相有功功率之和。即：

P＝Pu＋Pv＋Pw

2.對于負(fù)載對稱的電路