第1章
電工電路基礎

1.1 電和磁

變化的電流可以產生變化的磁場，變化的磁場也可以產生變化的電流。下面將學習電和磁的基本概念及電和磁的關系。

1.1.1 電和磁的基本概念

1．電的基本概念

電具有同性相斥、異性相吸的特性，如圖1-1所示，當使用帶正電的玻璃棒靠近帶正電的軟木球時會相互排斥；當使用帶負電的橡膠棒靠近帶正電的軟木球時，會相互吸引。

資料與提示

當一個物體與另一個物體相互摩擦時，其中一個物體會失去電子而帶正電荷，另一個物體會得到電子而帶負電荷。這里所說的電是靜電。帶電物體所帶電荷的數量被稱為電量，用Q表示。電量的單位是庫侖。1庫侖約等于6.24×1018個電子所帶的電量。

電根據種類和特性可分為直流電和交流電。直流電包括直流電流和直流電壓；交流電包括交流電流和交流電壓。

電流是單位時間內通過導體橫截面的電量，用符號I或i（t）表示。

圖1-2為電流的基本概念和相關知識。

電壓是單位正電荷受電場力的作用從A點移動到B點所做的功。電壓的方向為高電位指向低電位，如圖1-3所示。

資料與提示

常用的電流單位有微安（μA）、毫安（mA）、安（A）、千安（kA）等，換算關系為

1μA=10-6A 1mA=10-3A 1kA=103A

常用的電壓單位有微伏（μV）、毫伏（mV）、千伏（kV）等，換算關系為

1μV=10-6V 1mV=10-3V 1kV=103V

一般電池、蓄電池等可產生直流電，即電流的大小和方向不隨時間變化，記為DC或dc，如圖1-4所示。

交流電的電流大小和方向隨時間的變化而變化，用AC或ac表示，如圖1-5所示。

2．磁的基本概念

任何物質都具有磁性，只是有的物質磁性強，有的物質磁性弱；任何空間都存在磁場，只是有的空間磁場強度強，有的空間磁場強度弱。

圖1-6為磁的基本概念。

資料與提示

◇ 磁場

磁場是磁體周圍存在的一種特殊物質。磁體之間的相互作用力是通過磁場傳送的。在線圈、電動機、電磁鐵和磁頭的磁隙附近都存在磁場。

磁場具有方向性，可將自由轉動的小磁針放在磁場中的某一點，小磁針N極所指的方向即為該點的磁場方向，也可使用指南針確定磁場的方向。

◇ 磁極和磁性

磁鐵能吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質叫磁性。具有磁性的物體叫磁體。磁體上磁性最強的部分叫磁極。兩個磁極之間相互作用，同性磁極互相排斥，異性磁極互相吸引。當一個棒狀磁體處于自由狀態時，總是傾向于指向地球的南極或北極。指向北極的一端為N極。指向南極的一端為S極。

◇ 磁力線

磁力線是為了理解方便而假想的，即從磁體的N極出發經過空間到磁體的S極，在磁體內部從S極又回到N極，形成一個封閉的環。磁力線的方向就是磁體N極所指的方向。

◇ 磁通量和磁通量密度

穿過磁場中某一個截面的磁力線條數叫做穿過這個截面的磁通量，用Φ表示，單位為韋伯。垂直穿過單位面積的磁力線條數叫做磁通量密度，用B表示，單位為特斯拉（T）。

◇ 磁導率

磁通量密度B與磁場強度H的比值叫磁導率，用μ表示（μ=B/H）。空氣的磁導率μ=1。高磁導率的材料，如坡莫合金和鐵氧體等材料的磁導率可達幾千至幾萬，常用來制作磁頭的磁芯。

◇ 磁場強度和磁感應強度

磁場強度和磁感應強度是表征磁場性質的兩個物理量。由于磁場是由電流或運動電荷引起的，而磁介質（除超導體以外不存在磁絕緣的概念，故一切物質均為磁介質）在磁場中發生的磁化對源磁場也有影響。因此，磁場的強弱可以有兩種表示方法。

在充滿均勻磁介質的情況下，磁場的強弱用磁感應強度B表示，單位為特斯拉（T），是一個基本物理量；若是單獨由電流或運動電荷所引起的磁場，則磁場的強弱用磁場強度H表示，單位為安培每米，是一個輔助物理量。

磁感應強度是一個矢量。它的方向即為該點的磁場方向。勻強磁場中各點磁感應強度的大小和方向均相同。用磁力線可以形象地描述磁感應強度B的大小，在B較大的地方，磁場較強，磁力線較密；在B較小的地方，磁場較弱，磁力線較稀。磁力線的切線方向即為該點磁感應強度B的方向。

1.1.2 電和磁的關系

1．電流感應磁場

電流感應磁場如圖1-7所示。

資料與提示

圖1-7中，如果在一根直的金屬導線中通過電流，那么在金屬導線周圍將產生圓形磁場；通電螺線管周圍的磁場形狀與條形磁鐵產生的磁場形狀相同。

資料與提示

安培定則是表示電流和由電流激發磁力線方向之間關系的定則，也叫右手螺旋定則。

直線電流的安培定則：用右手握住導線，讓伸直的大拇指所指的方向與電流的方向一致，則彎曲的四指所指的方向就是磁力線的環繞方向；環形電流的安培定則：讓右手彎曲的四指與環形電流的方向一致，則伸直的大拇指所指的方向就是環形電流中心軸線上磁力線的方向，如圖1-8所示。

2．磁場感應電流

磁場也能感應電流，將螺線管的兩端接上檢流計，在螺線管內部放置一根磁鐵，當將磁鐵很快抽出時，可以看到檢流計的指針發生了偏擺，抽出的速度越快，指針偏擺越大；同樣，如果將磁鐵插入螺線管，則指針也會偏擺，但偏擺方向與抽出時相反。檢流計指針偏擺表明螺線管內有電流產生，如圖1-9所示。

當閉合回路中的導體在磁場中做切割磁力線運動時，回路中就有電流產生；當穿過閉合線圈的磁通發生變化時，線圈中就有電流產生。這種由磁產生電的現象被稱為電磁感應現象，產生的電流叫感應電流，如圖1-10所示。

感應電流的方向與導體切割磁力線的運動方向和磁場方向有關，即當閉合回路中的導體做切割磁力線運動時，所產生的感應電流方向可用右手螺旋定則來判斷：伸開右手，使拇指與四指垂直，并都與手掌在一個平面內，讓磁力線穿入手掌，拇指指向導體的運動方向，四指所指即為感應電流的方向，如圖1-11所示。