基本物理量和电与磁及单相交流电与三相交流电等电气基础知识讲解

1、电场、电位及电压

1. 电场：当两个带电物体相互靠近时，同性带电相互排斥，异性带电相互吸引。说明带电物体周围的空间存在一种特殊物质，相互作用力就是靠这种特殊物质来传递的，我们把它称为电场。电荷的多少和位置都不变化，则电场也不变化，这种电场称为静电场。

2. 电位：一个物体带有电荷时，这物体就具有一定的电位能，我们把这电位能叫作电位。参考点点位为零

3 。电压（电位差）：电路中任意两点间的差值称为电压（电位差）。A，B两点的电压以UAB表示，UAB=VA-VB。

2、电流与电流密度

1. 电流：就是电荷有规律定地向移动。电流的方向规定为正电荷移动的方向。

通常规定：1S内通过导体横截面的电量称为电流强度，以字母I表示。若在t时间内通过导体横截面的电量是Q，则电流强度I就可以用下式表示：

电流强度I——A（安培）。安培简称安，以字母A表示。

电流分交流电和直流电：直流电路中的电流、电压和电动势的大小和方向都是不随时间变化的。

大小随时间变化，方向不随时间变化的电压或电流称为脉动直流电。

大小方向都随时间变化的电流称为交流。

2. 电流密度：是指电流I在导体的横截面S上均匀分布时，该电流I与导体横截面S的比值，用字母J表示，即：

导体允许通过的电流强度随导体的截面不同而不同。1mm2的铜导线允许通过6A的电流。

3、电源与电动势

电源是将其他能量转换为电能的装置。电动势是衡量电源将其他能量转换为电能的本领大小的物理量。电动势简称为电势，单位是V（伏）。

电荷的运动规律：①电源外部：正电荷由高电位向低电位移动。②电源内部：正电荷由低电位向高电位移动。

当电路开路时电源端电压在数值上等于电源的电动势。

4、电阻与电导

1、 电阻：反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。导体对电流的阻力小，导电能力强；导体对电流的阻力大，导电能力差。

电阻用字母R表示，单位是欧姆，简称欧，用字母Ω表示。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，同时跟导体材料的性质、环境温度很多因素有关。电阻的表达式为：

式中：ρ——电阻率，单位是欧姆·米（Ω·m）；L——导体的长度，单位是米（m）; S——导体的截面积，单位是平方毫米（mm2）。

2、 电导：电阻的倒数称为电导，电导用符号G表示，即：

导体的电阻越小，电导就越大，表示该导体的导电性能越好。电导的单位是1/欧姆（1/Ω），称西门子，用字母s表示。

5、欧姆定律

欧姆定律是反映电路中电压、电流、电阻三者之间关系的定律，它是电路的基本定律之一，应用非常广泛。

1. 部分电路欧姆定律

如果加在电阻R两端电压U发生变化时，流过电阻的的电流I也随着变化，而且成正比例变化，即电压和电流的比值是一个常数，这个常数就是电路中的电阻R，写成公式为：

式中：U——电压（V）；R——电阻（Ω）；I——电流（A）。

2. 全电路欧姆定律

在闭合回路中，电流强度与电源的电动势成正比，与电路中内阻和外阻之和成反比。这个定律称为全电路欧姆定律。

式中：E——电源的电动势（V）；R——外电路的电阻（Ω）；R0——电源内电阻（Ω）；I——电路中电流（A）。

流过导体的电流强度与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比，这一规律称为欧姆定律。

6、电路连接（串联、并联、混联）

1. 电阻串联电路

两个或两个以上的电阻按头尾相接的顺序一个接一个地连接起来，使电流中有一条回路，电阻的这种连接方式称为电阻的串联。

电阻串联电路中具有一下一些特点：

（1）串联电路中通过每个电阻的电流相等，是同一个电流，即I=I1=I2=I3=···=In

（2）电路两端的总电压等于各个电阻两端电压之和，即U=U1+U2+U3++Un=IR1+IR2+IR3+···+IRn

（3）串联电路的等效电阻（即总电阻）等于各电阻之和，即R=R1+R2+R3+···+Rn

2. 电阻并联电路

两个或两个以上的电阻一端连在一起，尾端也连在一起（各个电阻的头连在一起，尾也连在一起），使每个电阻两端都承受同一电压的作用，电阻的这样连接方式称为电阻并联。

电阻并联电路具有下面的一些特点：

（1）各电阻两端的电压相等，且电路两端的电压，即 U=U1=U2=U3=···=Un

（2）电路中的电流等于各电阻中的电流之和，即I=I1+I2+I3++In=U/R1+U/R2+U/R3+···+U/Rn

（3）电路的等效电阻（总电阻）的倒数，等于各并联电阻倒数之和，即 1/R=1/R1+1/R2+1/R3+···+1/Rn

两个电阻R1、R2并联，其等效电阻R可直接按下式计算：

在并联电路中，所有支路负载都相互独立，互不影响。

3. 电阻混联电路

在一个电路中既有电阻的串联，又有电阻的并联，这种连接方式称为混合连接，简称混联。

计算混联电路时要根据电路的情况，运用串联和并联电路的知识，逐步化简，最后求出总的等效电阻，计算出总电流。

7、电路与电路的三种状态

电流经过的路径称为电路，又称回路由电源、负荷、开关和连接导线组成，如下图所示。

电路通常有三种状态：

通路：开关s闭合，电路构成回路，电路中有电流流过。

开路（断路）：开关s断开或电路中某处断开，电路被切断，这时电路中没有电流流过，开路又称断路。

短路：若灯泡两端用导线直接接通，称为负载短路。若电池两端用导线直接接通，称电源短路。

8、电能与电功率

1. 电能：在直流电路中，两点间的电压为U，电路中形成的电流为I，在t时间内电流I所做的功被电阻R吸收并全部转换为热能，此时电阻元件消耗（或吸收）的电能为W，即

根据欧姆定律，也可以表示为：

2. 电功率：单位时间内消耗的电能，成为电功率，简称功率，用字母P表示，即

式中：W——电能（焦耳）；t——时间（秒）；P——电功率（千瓦）。

电功率为1kW的设备，用电1h消耗的电能为1kW·h，俗称1度电。

9、磁现象

（一）磁体与磁极

人们把具有吸引铁、镍、钴等物质的性质称为磁性，具有磁性的物体叫做磁体。把原来不带磁性的物体具有磁性称为磁化。磁铁两端磁性最强的区域称为磁极。小磁针转动静止时，指北的一端叫N极（指北极）；指南的一端叫S极（指南极）。

同性磁极相排斥，异性磁极相吸引。

（二）磁场与磁力线

磁体周围存在磁力作用的空间称为磁场，磁场的磁力用磁力线来表示。磁力线是由N极出发到S极的光滑曲线。磁极附近磁力线最密，表示这里磁场最强；在磁体中间，磁力线较疏，表示这里磁场较弱。因此可以用磁力线的多少和疏密程度来描绘磁场的强度。

（三）通电导体产生的磁场

一根导体通过电流，它周围就要产生磁场，通的电流越强，周围产生的磁场亦强，反之亦弱。电流的方向改变，则磁场的方向也改变。磁场的方向可用右手定则来判断。

1.直流电流的磁场：磁场的方向用右手螺旋定则确定。用有右手握直导体，大拇指的方向表示电流的方向，弯曲四指的指向即为磁场的方向。

2.环形电流的磁场：一个线圈中通有电流，该线圈在周围产生磁场，通过电流越大，产生磁场越强，反之越弱。线圈圈数越多磁场越强。

磁场的方向用右手螺旋定则判别。用右手握螺旋管，弯曲四指表示电流方向，则拇指方向便是磁场N极方向。

10、磁场的基本物理量

（一）磁通

通过与磁场方向垂直的某一面积上的磁力线总数，称为通过该面积的磁通。用字母Ф表示。磁通的单位是Wb（韦伯），简称韦，工程上常用比韦小的单位，叫Mx麦克斯，简称麦。

（二）磁感应强度

磁感应强度是表示磁场中某点磁场强弱的方向的物理量，用符号B表示。磁场中某点磁感应强度B的方向就是该点磁力线的切线方向。

如果磁场中各处的磁感应强度相同，则这样的磁场称为均匀磁场。磁感应强度可用下式表达：

在均匀磁场中，磁感应强度B等于单位面积的磁通量。磁感应强度有时又称磁通密度。

磁感应强度的单位是“特斯拉”，简称“特”，用字母“T”表示。在工程上，常用较小的磁感应强度单位“高斯（Gs）”。1T=10^4Gs。

（三）导磁率

不同的材料其导磁性能也不同。通常用导磁率（导磁系数）μ来表示该材料的导磁性能。导磁μ的单位是H/m（亨/米）。

其他材料的导磁率和真空相比较，其比值称为相对导磁率。

（三）导磁率（导磁系数）

表征磁介质磁性能的物理量，叫做导磁率（或导磁系数）用符号 表示μ。单位：亨/米（H/m），亨（H）是电感的单位。

式中 μr ——相对导磁率；μ。——真空导磁率。

1）反磁物质μr《1

2）顺磁物质μr》1

3）铁磁物质μr》》1

（四）磁场强度

磁场强度是一个矢量，长用字母H表示，其大小等于磁场中某点的磁感应强度B与媒介质导磁率μ的比值，即

磁场强度的单位是A/m（安/米），较大的单位是奥斯特，简称奥，换算关系为：1奥斯特=80安/米。

即同样的导线，通过同样的电流，在同一相对位置的某一点来说，如果磁介质不同，有不同的磁感应强度，但有相同的磁场强度。

11、电磁感应

当导体相对磁场运动而切割磁力线或者线圈中磁通发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势，若导体或线圈构成闭合回路，则导体或线圈中就有电流产生，这种现象称为电磁感应。

由电磁感应产生的电动势称为感应电动势。

由感应电动势引起的电流称为感应电流。

感应电动势公式计算：

式中：B——磁感应强度（Wb/m2）；

v ——导体切割磁力线速度（m/s）；

L——导体在磁场中的有效长度（m）

α——导体运动方向与磁力线的夹角。

（一）法拉第电磁感应定律

回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通量变化速率成正比，这个规律称为法拉第电磁感应定律。

设通过线圈的磁通量为Ф，则单匝线圈的感应电动势的大小为：

对N匝线圈，其感应电动势为：

式中：e——感应电动势（V）；

∆Ф∕∆t——磁通变化速率（Wb/s）；

N——线圈匝数。

（二）愣次定律

当闭合线圈回路中磁通量发生变化时，回路中就有感应电流产生。

感应电流的方向总是使它产生的磁场阻碍闭合回路中原来磁通量的变化，即闭合线圈回路中的感应电流，它又要产生磁场，其磁场的方向总是阻碍闭合回路中原来磁通的变化。

当感应电流产生的磁场方向确定后，用右手定则就很容易判定出感应电流的方向。

12、磁场对通电导体的作用

通电直导体在磁场中，将受到力的作用，磁场越强所受的力就越大，磁场越弱所受的力就越小；导体通过的电流大所受的力就大，通过的电流小所受的力就小。

在均匀磁场中，直导体受力大小：

式中：B——均匀磁场的磁感应强度（Wb/m2）；

I——导体中的感应强度（A）；

L——导体在磁场中的长度（m）；

α——导体与磁力线的夹角；

F——导体受到的磁力（N）。

通电直导体在磁场中受力的方向可用左手定则判断。如下图：

13、自感与互感现象

（一）自感现象

当线圈电流变化时，由这个电流所产生的磁通量相应发生变化。根据电磁感应原理，线圈中产生感应电动势。由于感应电动势由自身电流变化产生，所以称自感电动势，即这种现象称为自感现象。

（二）互感现象

两个线圈靠的很近，第一个线圈中电流变化时，产生变化磁通，有一部分穿过第二个线圈，在第二个线圈中会产生感应电动势。同时第二个线圈也产生变化磁通，使第一个线圈也产生感应电动势，这中现象称为互感现象，产生电势为互感电动势。

14、单相交流电

（一）概述

把在电路中，电动势、电压、电流的大小和方向随时间作周期性变化的电称为交流电。

正弦交流电：随时间按正弦规律变化的交流电

描述交流电大小的物理量

（1）瞬时值：某一瞬时的数值

（2）最大值：最大瞬时值

（3）有效值：与它的热效应相等的直流值

（4）平均值：正半周内，其瞬时值的平均数

瞬时值常用小写字母表示 ，有效值常用大写字母表示。

2.描述交流电变化快慢的物理量

（1）周期：交流电变化一次所需要的时间T=1/f

（2）频率：1s内交变电重复变化的次数 f=1/T

（3）角频率：每秒内变化的角度ω=2πｆ

工频率：f=50Hz ；T =0.02s；ω=314（rad/s）

3.正弦交流电的初相角、相位、相位差。

4.趋肤效应（集肤效应）

在直流电路中均匀导线横截面上的电流密度是均匀的。但在导线流过交变电流时，根据楞次定律会在导线内部产生涡流，与导线中心电流方向相反。由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。

趋肤效应使导线的有效面积减小，等效电阻增加。

（二）纯电阻电路

1.纯电阻电路中电压与电流的关系：I=U/R

2.纯电阻电路中的功率： P=UI

电压的瞬时值与电流的瞬时值的乘积叫作瞬时功率。

电流和电压同相位

（三）纯电感电路

（1）纯电感电路中电压与电流相位关系：电流的相位滞后于电压90°且同为同频率正弦量

注：XL=ωL=2πｆＬ称为感抗，反映电感对交流电的阻碍作用；与频率有关。

（2）功率关系

有功功率：P=0（即不消耗电能）

无功功率：Q=ULI=I2XL（乏）

无功功率的“无功”的含义是“交换”的意思

（四）纯电容电路

1.纯电容电路中电压与电流的关系

注：Xc=1／ωc=1／2πｆc，称为容抗，反映电容对交流电的阻碍作用；与频率有关。ｆ→0，Xc→∞；ｆ→∞， Xc→0说明电容有“隔直通交”的作用。

2.纯电容电路中的功率

有功功率：P=0（即不消耗电能）

无功功率：Q=UCI=I2XC（乏）

（五）电阻、电感、电容串联电路

1.电路中电压与电流的关系

2.单相交流电功率关系

视在功率：电源提供的功率：S=UI（伏安）

有功功率：电阻上消耗的功率：P=URI=UIcosφ（瓦）

无功功率：电感、电容上的功率：Q= UIsinφ（乏）

（六）电阻电感串联再与电容并联的电路及功率因数提高

1.提高功率因数的意义：提高发、配电设备的利用率；减少输电线路的电压降和功率损失。

2.提高功率因数的方法：在感性负载上并联适当的电容。

必须注意功率因素cosφ不能提高到等于1。

15、三相交流电

（一）概述

1.三相交流点的特点

频率相同、幅值相等、相位相差120度

三相交流电具有以下优点：

（1）三相发电机比尺寸相同的单相发电机输出的功率要大。

（2）三相发电机的结构和制造并不比单相发电机复杂多少，而且使用、维护也方便，运转时比单相发电机的振动小。

（3）同样条件下，输送同样大的功率时，三相输电线比单相输电线可省约25%左右的材料。

2.三相正弦交流电动势的产生

三相交流电由三相交流发电机产生。如上图所示，三相交流发电机单相交流发电机一样，它也是由定子（磁极）和转子（电枢）组成。发电机的转子绕组有U1—U2，V1—V2，W1—W2三个，每一个绕组称为一相，各相绕组匝数相等、结构相同，它们的始端（U1、V1、W1）在空间位置上彼此相差120°。

3.三相正弦交流电动势的表达方法

4.相序

黄 U、绿 V、红 W

一般称U→V→W→U为正序或顺序 V→U→W→V为负序或逆序

（二）三相电源绕组的连接

连接方法：星形（Y）连接和三角形（D）连接

1.三相电源绕组的星形（Y）连接

2.三相电源绕组的三角形（D）连接

（三）三相负载的连接

三相负载的星形（Y）连接法

各相负载的相电压就等于电源的相电压。（1）相电流：负载中的电流。（2）线电流：火线中的电流

2.三相负载的三角形（D）连接

线电流的有效值为相电流有效值的1.73倍。各线电流在相位上比各相应的相电流滞后30°。

（四）三相电路的功率

1.对于负载不对称电路，有功功率等于各相有功功率之和。即：

P＝Pu＋Pv＋Pw

2.对于负载对称的电路