第1章　电工基础

1.1　电路

1-1　什么叫电场、电场强度？

在带电体周围的空间引入其他带电体时，被引入的带电体将受到力的作用，我们就说在带电体周围的空间存在电场。电场强度是表示电场作用于带电体上的作用力的大小与方向的一个物理量，以字母E表示，单位为伏/米（V/m）。

1-2　什么叫电流？什么叫电流强度？

在电场力的作用下，自由电荷（包括自由电子和离子）的定向运动叫做电流。

电流强度是衡量电流强弱的物理量。它定义为，通过导体截面电流强度的大小，等于单位时间内通过该截面电荷量的代数和，即

I=Q/t

式中　I——电流强度，A；

      Q——电荷量，C；

      t——时间，s。

电流强度的基本单位是安培，用符号A表示。1A的电流就是在1s内通过导体截面的电量是1库仑（1库仑=6.24×10¹⁸电子电量）。在实用中还以千安（kA）、毫安（mA）或微安（μA）作单位。

1-3　什么是导体、绝缘体和半导体？

各种金属，酸、碱、盐的水溶液以及大地、人体等，因为有自由电子、离子等带电微粒存在，比较善于传导电流，这类物体称为导体。

橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、电木、油类以及干燥的木材、纸张、空气等物体，一般情况下内部几乎没有自由电子，所以不善于传导电流，这类物体被称为绝缘体。

有些物质，如锗、硅、硒等，导电能力介于导体和绝缘体之间，这类物质被称为半导体。用半导体材料制成的各种电子元件被广泛地应用于工农业生产、国防和科学技术的各个领域。

1-4　什么叫电位？什么叫电压？

电场中某点的电位就是该点与大地（零电位点）之间电位的差别，在数值上等于电场力把单位正电荷从该点移到零电位点所做的功。由于零电位可以任意选择，所以电位的数值是相对的，它与零电位的参考点选择有关。电位单位是伏特（V）。

两个带电物体或两点之间电位的差别称为电位差，习惯上称电压。电压单位也是伏特（V）。电位相等的两点叫等电位点，等电位点间的电压等于零。电压的数值是绝对的，与零电位的选择无关。电压的方向是从高电位点指向低电位点，即电位降的方向。因此，电压也叫电位降，俗称电压降。

在实用中还以千伏（kV）、毫伏（mV）或微伏（μV）作单位。

1-5　什么叫电动势？

电源中因其他形式的能量转换为电能所引起的电位差叫做电动势，简称电势。它等于单位正电荷从电源负极移到电源的正极所做的功，用符号E表示，单位伏特（V）。由于电源内部电流的方向是从负极流向正极，因此电动势的正方向是由负极指向正极，即电位升高的方向。

1-6　什么叫电路？电路如何分类？

电路就是能使电流流通的闭合回路。最简单的电路是由电源、负载（用电设备）、连接导线以及控制电器等组成。图1-1是一个最简单的手电筒电路图。

按直流电源和交流电源性质的不同电路可分为直流电路和交流电路，交流电路又分单相交流电路和三相交流电路；按负载线性与非线性性质的不同又可分为线性电路和非线性电路。

线性电路是指由线性元件所组成的电路。例如电阻是线性元件，其阻值是常数，与外加电压、电流数值无关。

若流过元件的电流与外加电压不成比例，则这样的元件就称为非线性元件。含有非线性元件的电路称为非线性电路。

1-7　什么叫电阻？什么叫电阻率？

将电荷在导体内定向运动所受到的阻碍作用称为导体的电阻，以字母R或r表示，单位为欧姆（Ω），简称欧。

在实用中还以兆欧（MΩ）、千欧（kΩ）、毫欧（mΩ）或微欧（μΩ）作单位。

电阻大的物体导电能力差，电阻小的物体导电能力强。电源本身也有电阻，称作电源的内电阻（简称内阻）。

电阻率又叫电阻系数或比电阻。它是衡量物体导电性能好坏的一个物理量，以字母ρ表示，单位为Ω·mm²/m。电阻率决定于导体的材料，在数值上等于用该导体做的长1m，截面积为1mm²的均匀导体，在温度为20℃时的电阻值。电阻率越大，同等条件下则物体电阻愈大，导电性能愈低。

实验证明，金属导体的电阻与其长度成正比，与其横截面积成反比，并与材料、温度等因素有关。20℃时导体的电阻可用下列公式表示，即

R=

式中　R——导体的电阻，Ω；

      l——导体的长度，m；

      S——导体的截面积，mm²；

      ρ——导体的电阻率，Ω·mm²/m。

1-8　为什么一般绝缘材料的绝缘电阻随着温度的升高而减少，而金属导体的电阻却随着温度的升高而增加？

　　同一导体在不同温度下，它的电阻值是不同的。实践证明，各种金属材料温度升高时，电阻将增大；石墨、炭及电解液等一般绝缘材料当温度升高时，电阻则减少。

一般绝缘材料可认为是一个电阻率很大的导电体，其导电性质主要是离子性的，而金属导电性质是自由电子性的。

离子性导电的特点是，其导电电流是由离子的定向移动产生的。而离子是从绝缘体的结晶晶格中分离出来的，常温下所分离出来的离子是很少的，故其导电性很差，即绝缘电阻很大。当温度升高时，绝缘体中的分子热振动加强，脱离晶格结构的离子数目也随之增加，所以导电能力增强，绝缘电阻就降低了。

而在电子性导电的金属导体中，其所具有的自由电子数量是固定不变的，而且不受温度的影响。当温度升高时，材料中的原子、分子活动力增强，自由电子移动时与分子碰撞的可能性增加，因此所受的阻力增大了，所以金属导体当温度升高时电阻增加。

1-9　什么叫电导？什么叫电导率？

物体传导电流的本领称为电导。在直流电路里，电导的大小用电阻值的倒数衡量，用符号G表示，单位为西门子（S）。即

导体的电阻越小，电导就越大，电导大表示导体的导电性能良好。

电导率又叫电导系数，也是衡量物体导电性能好坏的一个物理量。其大小用电阻率的倒数来衡量，以字母γ表示，单位为西门子/米（S/m）。

1-10　什么叫电感？什么叫感抗？

电感是自感与互感的统称。由线圈自身的电流变化而产生的感应电动势称为自感电动势。自感电动势的大小与电流的变化速度与线圈本身的结构及其周围介质的磁导率有关。若将线圈本身的匝数、几何形状、周围介质的磁导率等因素综合起来，称为自感系数，简称自感或电感。其系数等于单位时间内，电流变化一个单位时由于自感而产生的电动势，以字母L表示，单位为亨利（H），简称亨。

两只线圈互相靠近但没有电气联系，在第一只线圈中的电流所产生的磁通有一部分会与第二只线圈相环链。当第一只线圈中电流发生变化时，与第二只线圈环链的磁通也发生变化，在第二只线圈中产生感应电动势和感应电流，此感应电流反过来也会在第一只线圈中产生感应电势。这种现象叫做互感现象。两个线圈的交链磁通与产生交链磁通的电流之比称为两只线圈的互感系数，简称互感，以字母M表示，单位为亨利（H），简称亨。

电感的计量单位有亨利（H）、毫亨（mH）、微亨（μH）。

当线圈接在交流电路中时，由于电流是变化的，将在线圈中产生自感电势，以反抗电流的变化。这说明，电感具有阻碍交流电流通过的作用。我们把电感线圈的这种“阻力”称为电感电抗，简称感抗，用符号X_L表示。根据数学分析得出，当线圈的电感L为常数时，感抗X_L与频率成正比，即

X_L=ωL=2πfL

式中　X_L——感抗，Ω；

      2π——常数；

      f——频率，Hz；

      L——线圈的电感，H。

1-11　什么叫电容？什么叫容抗？

在单位电压作用下，电容器储存电荷的能力叫电容量，简称电容。以字母C表示，单位为法拉（F）。电容在数值上等于导体所具有电量与所加电压的比值，即

式中　C——电容，F；

      Q——电量，C；

      U——电压，V。

在实用中还以微法（μF）、微微法或皮法（μμF或pF）作单位。

串联电容器的等效电容的倒数等于各电容器电容量的倒数之和。

并联电容器的等效电容等于各电容器的电容量之和。

在交流电路中，由于电容器周期性地充电和放电，电容器两个极板上建立的电压极性与电源电压的极性总是相同的，因此电容器极板上的电压相当于反电势，对交流电具有阻碍作用。电容器对交流电流的这种阻力称为电容电抗，简称容抗，用符号X_C表示。

电容器的容抗与其电容和交流电的频率成反比，即

式中　X_C——容抗，Ω；

      2π——常数；

      f——频率，Hz；

      C——线圈的电容，F。

1-12　什么叫阻抗？

当交流电流流过具有电阻、电感、电容的电路时，它们有阻碍交流电流流过的作用，这种作用叫做阻抗，以字母Z表示，单位为欧姆。阻抗的大小可以表示为

1-13　什么叫直流电？什么叫交流电？为什么目前应用较多的是交流电？

　　大小和方向不随时间变化的电流称为直流电流，俗称直流电。大小和方向随着时间而变化的电流叫交流电流，又称交流电或交变电流。

交流电可以通过变压器变换电压，在远距离输电时，通过升高电压以减少线路损耗，获得最佳经济效果。而当使用时，又可以通过降压变压器把高压变为低压，这既有利于安全，又能降低对设备的绝缘要求。此外，交流电动机与直流电动机比较，则具有构造简单、造价低廉、维护简便等优点，所以交流电获得了广泛地应用。

1-14　什么叫正弦电流？什么叫非正弦电流？什么叫脉动电流？

正弦电流是指电流随时间按正弦规律变化的交流电流。电流随时间不按正弦规律变化的交变电流称为非正弦电流。电流大小随时间变化而方向不变化的电流，称为脉动电流。

1-15　什么叫周期？什么叫频率和角频率？

交流电变化一周完成一次正和负的变化所需的时间叫做周期，用字母T表示，单位为秒（s）。单位时间（即1s）内，交流电变化的周数叫做频率。用字母f表示，单位是赫兹（Hz），简称赫。周期与频率的关系为

我国采用的交流电频率为50Hz。

角频率ω与频率f的区别在于它不用每秒变化的周数来表示交流电变化的快慢，而是用每秒所变化的电气角度来表示。变流电变化一周其电角变化为360°，360°等于2π弧度，所以角频率与频率、周期的关系为

1-16　正弦量的三要素是什么？其含义如何？

对于一个正弦量来说，如果幅值、频率、初相角确定了，那么这个正弦量就完全确定了。因此，把幅值、频率、初相角称为正弦量的三要素。

幅值指的是正弦量的最大瞬时值，用大写字母加下标“m”表示。

频率是正弦量在单位时间内重复的次数，在表达式中一般用角频率表示。

初相位指计时起点（t=0时刻）正弦量的相位角。

1-17　什么叫平均值？什么叫瞬时值？什么叫最大值？什么叫有效值？

　　交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷与该段时间的比值。正弦量的平均值通常指正半周内的平均值，它与最大值的关系是：平均值=0.637最大值。

正弦交流电在任一瞬间所具有的数值叫瞬时值。

交流电最大的瞬时值，称为最大值或幅值。

实用上常用热效应相等的直流电流来表示交流电流值的大小。用两个同样的电阻，分别通过交流电和直流电，如果经过相等的时间，它们所产生的热量相等，则该直流电的数值就称为这交流电的有效值。正弦交流电的有效值等于最大值的/2倍。在工程上，一般所说的正弦电压、电流的大小都是指有效值。

1-18　什么叫电功率？其分类如何？各自含义如何？

单位时间内电场力所做的功称为电功率。电功率可分为视在功率、有功功率和无功功率三种。

电阻所消耗的功率叫有功功率，用公式表示P=UIcosφ=I²R（φ为功率因数角），单位是瓦特（W）、千瓦（kW）、兆瓦（MW）。

电抗所消耗的功率叫无功功率，用公式表示Q=UIsinφ，单位是乏（var）、千乏（kvar）、兆乏（Mvar）。

电压有效值与电流有效值的乘积叫视在功率，用公式表示为S=UI，单位是伏安（V·A）、千伏安（kV·A）、兆伏安（MV·A）。

视在功率、有功功率和无功功率间满足　S²=P²+Q²

1-19　电功率与电能有什么区别？

电功率与电能的区别在于，电能是指一段时间内电源所做的功；而电功率是指单位时间内电源所做的功，它们之间的关系为

W=Pt

式中　W——电能，kW·h；

      P——电功率，kW；

      t——时间，h。

1-20　什么叫功率因数？提高功率因数有什么意义？

有功功率与视在功率之比，称为功率因数，以cosφ表示。

在生产实际中，大量使用的交流电动机、变压器等设备都属于电感性负载，功率因数也较低。如交流异步电动机在满载时功率因数方能达到0.7～0.9，空载与轻载时功率因数更低。有功功率是根据生产需要选定的，当有功功率P=UIcosφ确定后，在电压U不变时，供给同样的有功功率P，若cosφ高时，则电源供给负载的电流I小，反之cosφ低，则I大。当cosφ很低时，输出一定的有功功率而占用很大的电流，对电力系统是很不利的。不但使输电线上的损耗增加，而且使发电机和供电变压器的容量不能充分有效利用。

提高功率因数的重要意义在于，一是充分发挥电源设备的潜力；二是提高输电效率。

1-21　什么叫相电压、相电流、线电压、线电流？

三相电路中，每相头尾之间的电压叫做相电压。三相电路中，流过每相电源或每相负载的电流叫做相电流。相与相之间的电压称为线电压。三相输电线各线中流过的电流称为线电流。

1-22　什么是三相电源和负载的星形连接？在星形连接中相、线电压、电流关系如何？

星形连接也称Y接法，如图1-2所示。将三相绕组的末端连在一起，从始端分别引出导线，这就是星形连接。通常绕组的始端用字母A、B、C表示，末端用字母X、Y、Z表示。绕组始端引出的线称为相线（也称火线），三相绕组末端连接在一起的公共点称为中性点，简称中点，用0表示。从中点引出的导线称为中性线（也称零线）。有中性线的三相输电方式，称为“三相四线制”；不引出中性线的三相输电方式，称为“三相三线制”。前者用于低压配电系统；后者用于高压输电系统。

三相负载的星形连接和三相电源星形连接相同。

在星形连接中，由于流过每相绕组或负载的电流就是流过相线的电流，所以星形连接时，线电流等于相电流。

在星形连接中，线电压超前于相电压30°，线电压的有效值是相电压有效值的倍。

1-23　什么是三相电源和负载的三角形连接？在三角形连接中相、线电压、电流关系如何？

　　三角形连接也称△接法。把一相绕组的末端与邻相绕组的始端顺次连接起来，形成一个闭合的三角形，再从三个连接点引出三根端线，这种连接方法称三角形连接。三相电源的三角形连接如图1-3（a）所示。三相负载的三角形连接如图1-3（b）所示。两者连接方法相同。

在三角形连接中，每相绕组两端的电压就是线电压，所以说在三角形连接中，相电压等于线电压。

在三角形连接中，线电流滞后于相电流30°，线电流的有效值是相电流有效值的倍。

1-24　在三角形连接中如果有一相绕组接反，将会产生什么后果？

　　在三角形连接中，正常接线时，三相绕组自成一个闭合回路，虽然绕组本身的阻抗很小，但闭合回路内不会产生环流，这是因为闭合回路中总电势等于零的缘故。但是，如果将一相绕组接反，则闭合回路内的总电势将不再为零。此时回路中总电势的有效值等于每相电势有效值的两倍。由于绕组阻抗很小，回路中将会产生很大的电流而烧坏绕组。所以在进行绕组的三角形连接时，必须认真核对每相绕组的头尾连接是否正确，千万不要发生错误接线事故。

1-25　在三相四线制系统中，中性线的作用是什么？中性线断开将会产生什么后果？

　　在电源和负载做星形连接的系统中，中性线的作用，就是为了消除由于三相负载不对称而引起的中性点位移。如图1-4所示。

负载不对称时接入中性线，由于中性线阻抗很小，则不论三相负载是否对称，中性点位移电压均等于零。

在三相四线制供电系统中，中性线是不允许断开的。如果中性线一旦断开，这时线电压虽然仍对称，但各相不平衡负载所承受的对称相电压即不再对称。有的负载所承受的电压将低于其额定电压，有的负载所承受的电压将高于其额定电压，因此使负载不能正常工作，并且造成严重事故。为避免中性线断开而造成事故，中性线上是不允许安装保险丝的，并且要求中性线具有足够的机械强度。