1.1 电工基本知识

1.1.1 基本概念

1.电流

电流的形成：电荷的定向移动形成电流，移动的电荷又称载流子。

电流的方向：习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向，因此电流的方向实际上与电子移动的方向相反。

电流的大小：常用电流强度来表示。电流强度指单位时间内通过导体横截面的电荷量，又常简称为电流。

若电流的方向不随时间变化，则称其为直流电流。其中，电流大小和方向都不随时间变化的电流称为恒定电流，简称直流，用符号DC表示；电流大小随时间呈周期性变化，但方向不变的电流，称为脉动电流。若电流的大小和方向都随时间变化，则称其为变动电流，其中电流的大小和方向呈周期性变化，且一个周期内电流平均值为零的变动电流，称为交变电流，简称交流，用符号AC表示。

直流的电流强度用符号I表示，交流的电流强度用符号i来表示。电流的单位是安培（A），另外，常用单位还有kA、mA、μA。

在分析和计算较为复杂的直流电路时，经常会遇到某一电流的实际方向难以确定的问题，这时可先任意假定电流的参考方向，然后根据电流的参考方向列方程求解。如果计算结果I>0，表明电流的实际方向与参考方向相同；如果计算结果I<0，表明电流的实际方向与参考方向相反。

2.电阻

电阻（R）表示物体对电流阻碍作用的大小，它是物体本身的一种性质，单位为欧姆，用Ω表示。它的大小决定于导体的材料、长度（l）和横截面面积（s），可按下式计算：

式中，ρ称为材料的电阻率，电阻率的大小反映了物体的导电能力。

电阻率小、容易导电的物体称为导体；电阻率大、不容易导电的物体称为绝缘体；导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为半导体。

在具有固定阻值的金属材料等物体两端接上导线就构成了电阻器。常见电阻器的图形符号见表1-1。

3.电压

电场力将单位正电荷从a点移到b点所做的功，称为a、b两点间的电压，用U_ab表示。电压的单位是伏特，简称伏，用V表示。常用电压单位还有mV、kV等。

4.电位

电路中某一点与参考点之间的电压即为该点的电位，一般以“地”作为零电位。电位就如水位，若以地面为参考，可得出水位的高度。

电路中任意两点之间的电位差就等于这两点之间的电压，即U_ab=U_a-U_b，故电压又称电位差。

注意：电路中某点的电位与参考点的选择有关，但两点间的电位差（电压）与参考点的选择无关。

5.电动势

电源将正电荷从电源负极经电源内部移到正极的能力用电动势表示，电动势的符号为E，单位为V。

电动势的方向规定为在电源内部由负极指向正极。

对于一个电源来说，既有电动势，又有端电压。电动势只存在于电源内部；而端电压则是电源加在外电路两端的电压，其方向由正极指向负极。

6.欧姆定律

部分电路欧姆定律：导体中的电流，与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。

全电路欧姆定律：闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的总电阻（内电路电阻（r）与外电路电阻（R）之和）成反比。欧姆定律电路图如图1-1所示。

7.电功

电流所做的功，简称电功（即消耗的电能），用字母W表示。

电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I和通电时间t三者的乘积，即

式中，W、U、I、t的单位分别为J、V、A、s。

8.电功率

电流在单位时间内所做的功称为电功率，用字母P表示，单位为瓦特，简称瓦，用W表示。常用单位还有kW、MW。

对于纯电阻电路，上式还可以写为

电能的另一个常用单位是千瓦时（kW·h），即通常所说的1度电，它和焦耳J的换算关系为

1kW·h=3.6×106J

9.电流的热效应

电流通过导体时使导体发热的现象叫电流的热效应。

电流与它流过导体时所产生的热量之间的关系可用式Q=I2Rt表示，Q的单位是J，这种热也称焦耳热。

10.负载的额定值

电气设备安全工作时所允许的最大电流、最大电压和最大功率分别称为它们的额定电流、额定电压和额定功率。

电气设备在额定功率下的工作状态称为额定工作状态，也称满载；低于额定功率的工作状态称为轻载；高于额定功率的工作状态称为过载或超载。

1.1.2 电路的构成

电路即电流流过的路径。

电路的基本组成：电源、负载、开关、连接导线，如图1-2所示。

电路的主要作用：一是用于电能的传输、分配和转换；二是可以实现电信号的产生、传递和处理。

1.1.3 电路的状态

电路的三种状态是通路、开路（断路）、短路，如图1-3所示。

1.通路

开关SA接到位置“3”时，电路处于通路状态。电路中电流为

端电压与输出电流的关系为

2.开路（断路）

开关SA接到位置“2”时，电路处于开路状态。此时I=0，U_内=Ir=0，U_外=E-Ir=E。

即：电源的开路电压等于电源电动势。

3.短路

开关SA接到位置“1”时，相当于电源两极被导线直接相连。电路中短路电流为

由于电源内阻一般都很小，所以短路电流极大。

此时电源对外输出电压

1.1.4 电阻的串联与并联

1.串联

把多个元器件逐个顺次连接起来，就组成了串联电路。电阻的串联如图1-4所示。

电阻串联电路的特点：

1）电路中流过每个电阻的电流都相等。

2）电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和，即

3）电路的等效电阻（即总电阻）等于各串联电阻之和，即

4）电路中各个电阻两端的电压与它的阻值成正比，即阻值越大的电阻分配到的电压越大，反之电压越小。

2.并联

把多个元器件逐个头和头、尾和尾相连，就组成了并联电路。电阻的并联如图1-5所示。

电阻并联电路的特点：

1）电路中每个电阻的端电压都相等。

2）电路中电流的总电流等于各电阻的分电流之和，即

3）电路等效电阻（即总电阻）的倒数等于各并联电阻倒数之和，即

4）电路中各个电阻的电流与它的阻值成反比，即阻值越大的电阻分配到的电流越小，反之电流越大。

注意：大部分的电器设备都是并联工作状态，如图1-6所示。

1.1.5 电容与电感

1.电容

电容是电容器的参数。电容器是一种能存储电荷的元件，电容元件是电容器的理想化模型，是反映电场储能性质的电路参数。其由两块金属电极之间夹一层绝缘电介质构成。当在两金属电极间加上电压时，电极上就会存储电荷，电荷越多，板极间电压越大。电容元件不消耗电能，它在交流电路中与电源之间不停地进行电能与电场能的转换。转换产生的电流所做的功称为无功。电容元件对交流电流有阻碍作用，称为容抗（X_C），电容器的电容量越大，容抗越小，交流电的频率越高，电容器的容抗越小。在直流电路中只能在极板积聚电荷，不能进行能量交换。故电容元件有“隔直流，通交流，阻低频，通高频”作用，因此电容也被称为高通元件。电容器就像一个水桶，对于直流电，就相当于一个已经装满水的水桶；而对于交流电，就相当于一个重复装水和倒水的水桶。常用的电容器图形符号见表1-2。

电容用C来表示，常用单位有法拉（F）、微法（μF）、皮法（pF）。1F=106μF，1μF=106pF。

2.电感

电感是电感器的参数。电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器具有一定的电感，它阻碍电流变化的作用，称为感抗（X_L），线圈的自感越大，感抗就越大，交流电的频率越高，线圈的感抗也越大。电感元件在直流电路中感抗为0，对直流电流基本无阻碍作用，因此电感元件有“通直流，阻交流，通低频，阻高频”的作用，所以也被称为低通元件。常用的电感器图形符号见表1-3。

电感用L来表示，常用单位有亨利（H）、毫亨（mH）、微亨（μH），1H=103mH=106μH。