1.2　電路的基本物理量及應(yīng)用

1.2.1　電流

（1）什么是電流

水管中的水沿著一個(gè)方向流動(dòng)，我們就說(shuō)水管中有水流。同樣，電路中的電荷沿著一個(gè)方向定向運(yùn)動(dòng)，就形成了電流。

在圖1-1所示的電路中，當(dāng)新電池裝入時(shí)，燈泡能正常發(fā)光，說(shuō)明電路中有電流通過(guò)；若換上電能已耗盡的無(wú)電電池時(shí)，燈泡不能發(fā)光，說(shuō)明電路中沒(méi)有電流通過(guò)。

如圖1-6所示，當(dāng)有電電池接入電路時(shí)，自由電子向電池正極（+）移動(dòng)，電池的負(fù)極（-）供給電子，這樣就產(chǎn)生了連續(xù)的電子流。我們把電荷的定向有規(guī)則移動(dòng)稱為電流。

在導(dǎo)體中，電流是由各種不同的帶電粒子在電場(chǎng)作用下作有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)形成的。

電流這個(gè)名詞不僅僅表示一種物理現(xiàn)象，也代表一個(gè)物理量。

記憶口訣

電流神速來(lái)傳輸，好似鋼管進(jìn)鋼珠，

電子流動(dòng)負(fù)向正，電流規(guī)定正向負(fù)。

鉆研電工有興趣，多思多想道理出，

博采電學(xué)智慧樹(shù)，有了知識(shí)窮變富。

（2）電流的大小

電流大小取決于在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面電荷量的多少，一般用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

I=

式中，電荷q的單位為C（庫(kù)），時(shí)間t的單位為s（秒），電流的單位為A（安）。

電流的常用單位還有kA（千安）、mA（毫安）、μA（微安），其換算關(guān)系為

1A=103mA=106μA

在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，電流的大小可以用安培表進(jìn)行測(cè)量。注意測(cè)量前要選擇好電流表的量程。

（3）電流的方向

電流的實(shí)際方向有兩種可能，如圖1-7所示。我們規(guī)定電流的方向?yàn)檎姾啥ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)的方向；在金屬導(dǎo)體中，電流的方向與自由電子定向運(yùn)動(dòng)方向相反。

電流參考方向的表示法有箭標(biāo)法和雙下標(biāo)法。例如某電流的參考方向?yàn)锳指向B，其表示法如圖1-8所示。

在分析與計(jì)算電路時(shí)，常常需要知道電流的分析，但有時(shí)對(duì)某段電路中電流的方向往往難以判斷，可先假設(shè)一個(gè)電流方向，稱為參考方向（也稱為正方向）。如果計(jì)算結(jié)果電流為正值（i＞0），說(shuō)明電流實(shí)際方向與參考方向一致；如果計(jì)算結(jié)果為負(fù)值（i＜0），表明電流的實(shí)際方向與參考方向相反。也就是說(shuō)，在分析電路時(shí)，電流的參考方向可以任意假定，最后由計(jì)算結(jié)果確定，如圖1-9所示。

記憶口訣

形成電流有規(guī)定，電荷定向之移動(dòng)。

正電移動(dòng)的方向，定為電流的方向。

金屬導(dǎo)電靠電子，電子方向電流反。

（4）形成電流的條件

電場(chǎng)是產(chǎn)生電流的微觀必要條件。如圖1-10所示，電路中能產(chǎn)生持續(xù)電流必須同時(shí)具備兩個(gè)條件。

① 要有電源（導(dǎo)體兩端必須保持一定的電壓）。

② 電路要閉合（形成通路）。

電路中有電流通過(guò)，常常表現(xiàn)為熱、磁、化學(xué)效應(yīng)等物理現(xiàn)象。如燈泡發(fā)光、電飯煲發(fā)熱、揚(yáng)聲器發(fā)出聲音等。

（5）電流的種類及特點(diǎn)

依據(jù)電的性質(zhì)劃分，電流可分為直流電流與交流電流，直流電流也可以分為穩(wěn)恒直流電流和脈動(dòng)直流電流。穩(wěn)恒直流電流、脈動(dòng)直流電流和交流電流與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1-11所示。

① 直流電流　是指方向不隨時(shí)間變化的電流。直流電的正負(fù)極是固定不變的。

a.輸送相同功率時(shí)，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2/3～1/2。

b.在電纜輸電線路中，直流輸電沒(méi)有電容電流產(chǎn)生。直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。

c.穩(wěn)恒的直流電不產(chǎn)生電磁輻射。

② 交流電流　又稱為交變電流，簡(jiǎn)稱“交流”。一般指大小和方向隨時(shí)間作周期性變化的電壓或電流。它的基本形式是正弦電流。交流電的正負(fù)極沒(méi)有固定，在隨時(shí)間交替變化，所以交流電有“頻率”的概念。

單相交流電供電只需要2根導(dǎo)線即可。三相交流電供電至少需要3根導(dǎo)線，最多可用5根導(dǎo)線，分別是3根火線、1根零線和1根接地線。

（6）安全電流

① 負(fù)載的安全電流　為了保證電氣線路的安全運(yùn)行，所有線路的導(dǎo)線和電纜的截面都必須滿足發(fā)熱條件，即在任何環(huán)境溫度下，當(dāng)導(dǎo)線和電纜連續(xù)通過(guò)最大負(fù)載電流時(shí)，其線路溫度都不大于最高允許溫度（通常為700℃左右），這時(shí)的負(fù)載電流稱為安全電流。

② 人體的安全電流　在特定時(shí)間內(nèi)通過(guò)人體的電流，對(duì)人體不構(gòu)成生命危險(xiǎn)的電流值稱為安全電流。

電流越大，致命危險(xiǎn)越大；持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，死亡的可能性越大。能引起人感覺(jué)到的最小電流值稱為感知電流，交流為1mA，直流為5mA；人觸電后能自己擺脫的最大電流值稱為擺脫電流，交流為10mA，直流為50mA；在較短的時(shí)間內(nèi)危及生命的電流值稱為致命電流，如100mA的電流通過(guò)人體1s，可足以使人致命，因此致命電流為50mA。

（7）電流的測(cè)量

直流電流的測(cè)量采用直流電流表串聯(lián)在被測(cè)電路內(nèi)，接線時(shí)要注意“正”“負(fù)”極性，如圖1-12所示。正確接線，還要正確選擇量程，估計(jì)的被測(cè)電流應(yīng)為滿刻度的75%左右。

（8）電流的熱效應(yīng)及應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，由于自由電子的碰撞，導(dǎo)體的溫度會(huì)升高。這是因?yàn)閷?dǎo)體吸收的電能轉(zhuǎn)換成為熱能的緣故，這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應(yīng)。

電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的熱量與電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體本身的電阻以及電流通過(guò)的時(shí)間成正比，這一結(jié)論稱為焦耳-楞次定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Q=I2Rt

式中　Q——電流通過(guò)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量，J；

I——通過(guò)導(dǎo)體的電流，A；

R——導(dǎo)體的電阻，Ω。

如果熱量以卡為單位，則公式Q=I2Rt可寫(xiě)成

Q=0.24I2Rt=0.24Pt

此公式稱為焦耳-楞次定律。其中t的單位為s（秒），R的單位是Ω（歐），I的單位是A（安），熱量Q的單位是Cal（卡）。

電流的熱效應(yīng)在生產(chǎn)上有許多應(yīng)用。電燈是利用電流產(chǎn)生的熱使得燈絲達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光，熔斷器是利用電流產(chǎn)生的熱使其熔斷而切斷電源。電流的熱效應(yīng)也是近代工業(yè)中的一種重要加熱方式，如利用電爐煉鋼、電機(jī)通電烘干等。

電流的熱效應(yīng)也有它不利的一面，由于構(gòu)成電氣設(shè)備的導(dǎo)線存在電阻，所有電氣設(shè)備在工作時(shí)要發(fā)熱，使溫度升高。如果電流過(guò)大，溫度升高得多就會(huì)加速絕緣體老化，甚至損壞設(shè)備。

為了保證電氣設(shè)備能正常工作，各種設(shè)備都規(guī)定了限額，如額定電流、額定電壓和額定電功率等。電氣設(shè)備的額定值通常用下標(biāo)“e”表示，如I_e、U_e、P_e等，各種電氣設(shè)備的銘牌上都有標(biāo)注它們的數(shù)值。

（9）電流的趨膚效應(yīng)及應(yīng)用

① 趨膚效應(yīng)　當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說(shuō)電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流較小，如圖1-13所示。其結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。

② 趨膚效應(yīng)的應(yīng)用　在高頻電路中可用空心銅導(dǎo)線代替實(shí)心銅導(dǎo)線以節(jié)約銅材。架空輸電線中心部分改用抗拉強(qiáng)度大的鋼絲。雖然其電阻率大一些，但是并不影響輸電性能，又可增大輸電線的抗拉強(qiáng)度。利用趨膚效應(yīng)還可對(duì)金屬表面淬火，使某些鋼件表皮堅(jiān)硬、耐磨，而內(nèi)部卻有一定柔性，防止鋼件脆裂。

（10）電流的化學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用

電流通過(guò)導(dǎo)電的液體會(huì)使液體發(fā)生化學(xué)變化，產(chǎn)生新的物質(zhì)，電流的這種效果叫做電流的化學(xué)效應(yīng)。如電解、電鍍、電離等就屬于電流的化學(xué)效應(yīng)的例子，如圖1-14所示為水的電解。

（11）電流的磁效應(yīng)及應(yīng)用

給繞在軟鐵芯周圍的導(dǎo)體通電，軟鐵芯就產(chǎn)生磁性，這種現(xiàn)象就是電流的磁效應(yīng)。如電鈴、蜂鳴器、電磁揚(yáng)聲器等都是利用電流的磁效應(yīng)制成的，如圖1-15所示為電鈴的結(jié)構(gòu)示意圖。