电流的基本作用及应用探析

电流的基本作用主要有3种，即电流的化学作用（如充电电池充电、电镀），电磁作用（如各种继电器、接触器）和电热作用（如电炉）。

1.化学作用

电流通过导电的液体会使液体发生化学变化，产生新的物质。电流的这种作用也叫作电流的化学效应。如电解、电镀、电离等就属于电流化学作用的例子，如图1－34所示。

图1－34　电流的化学作用

2.电磁作用

电磁作用是利用通有电流的导线在周围会产生磁场的原理实现的。其应用非常广泛，也称为电流的磁效应。显像管中电子的聚焦、电磁炉、电话（使用磁场中的通电导线达到驱动发音膜发出声音）、手机（将电能转化为电磁信号进行发射和接收）等利用的就是电磁作用。根据电磁作用力的大小，电路中的组件可以分为电磁元件与电磁器件。

电磁元件通常分为两类：一类是利用自感原理制成的电感线圈，另一类是利用互感作用制成的变压器。

1）电感

导线绕成圆圈的形状就可以制成电感。圈数越多，电感越大，如图1－35所示。

图1－35　磁棒绕线电感

电感的电路符号是“”，用L表示，标准单位是“亨利”（H）。常用的单位还有“毫亨”（mH）和“微亨”（μH）。电感有固定容量和可调容量两种。可调电感一般有一个可插入的磁芯，通过改变磁芯在线圈中的位置来微调容量。

实验发现，当通过电感元件的电流i随时间变化时，电感元件中就产生自感电动势。元件两端电压u和电流i的关系表示为

该式表明：电感（线性）两端电压在任意瞬间与di/dt成正比，也就是说电感具有阻止电流变化的特性。对于直流电流，电感元件的端电压为零，故电感元件对直流电路而言相当于短路，而对交流电有阻抗。

电感是一个储存磁场能量的元件。当通过电感的电流增大时，它所储存的磁场能量也增大。如果电流减小到零，则所储存的磁场能量将全部释放出来。当通过电感元件的电流为i时，理论证明，它所储存的磁场能量为

上式表明，电感元件在某一时刻的储能只取决于该时刻的电流值，而与电流的过去变化进程无关。

2）变压器

变压器是利用互感原理工作的电磁器件。输电、配电和用电所需的各种不同的电压都是通过变压器进行变换后而获得的。这是因为在日常生活和生产中，常常要用各种不同的交流电压（工厂中常用的三相或单相异步电动机，它们的额定电压是280 V或220 V；机床照明、低压电钻等，只需要36 V以下的电压；而高压输电则需要用30 kV、110 kV以上的输送电压），如果采用许多输出电压不同的发电机来提供各种不同电压的话，不但不经济、不方便，而且实际上也是不可能的。

变压器的主要功用除了将某一电压值的交流电压转换为同频率另一电压值的交流电压外，还可以变换电流（如变流器、大电流发生器），变换阻抗（如电子电路中的输入输出变压器）和改变相位（如改变线圈的连接方法来改变变压器的极性）。变压器是输配电、电子线路和电工测量中十分重要的电气设备。变压器的类型很多，一般可分为以下几种。

（1）电力变压器：包括升压变压器、降压变压器、配电变压器等。

（2）仪器用变压器：包括电压互感器、电流互感器等。

（3）特殊变压器：如电炉变压器、电焊变压器、整流变压器等。

（4）试验用变压器：主要是高压变压器和调压器等。

（5）电子设备及控制线路用变压器：如输入、输出变压器，脉冲变压器，电源变压器等。

下面介绍变压器的工作原理。变压器是将两组或两组以上的线圈围绕在同一个线圈骨架上制成的，如图1－36所示。

图1－36　变压器

其中接电源的绕组叫原绕组（又称初级绕组、一次绕组），接负载的绕组称为副绕组（又称次级绕组、二次绕组）。

变压器的基本原理也是异步电动机和其他一些电气设备的基础，它利用的是以铁芯中集中通过的磁通Φ为桥梁的典型的互感现象，如图1－37所示。原绕组加交变电流产生交变磁通，副绕组受感应而产生电动势，它是电－磁－电转换的静止电磁装置。

图1－37　变压器原理

变压器的电路符号是“”，T是它的文字符号。若线圈是空心的，称为空心变压器；若线圈中插入了铁芯（铁芯一般用含硅5％左右、厚0.35～0.5 mm的硅钢片叠成，硅钢片两面涂有绝缘漆，使之相互绝缘，硅钢片一般均为交叠式装配），则称为铁芯变压器。变压器主要有以下参数：(www.xing528.com)

（1）变压器的变比（K）。实验证明，在忽略铁芯、线圈的损耗且副边线圈开路时，原副线圈两端的电压之比等于其对应匝数比，即

式中，K为变压比。

如果N1＞N2，则U1＞U2，变压器使电压降低，这就是降压变压器；如果N1＜N2，则U1＜U2，变压器使电压升高，这就是升压变压器。

（2）电流与电压的关系。变压器从电网中获取能量，并通过电磁感应进行能量转换后，再把电能输送给负载。根据能量守恒定律，在忽略变压器自身损耗的情况下，变压器输出的功率和它从电网中获取的功率相等，即P1＝P2。根据P＝UIcosφ可得

式中，cosφ1、cosφ2是一次绕组和二次绕组电路的功率因数（其含义在后文交流部分详细介绍），通常相差很小，在实际计算中可以认为它们相等，因而得到U1I1≈U2I2，即

也就是说：变压器工作时一、二次绕组中的电流与绕组的匝数成反比。为了减少变压器线圈损耗，变压器的高压绕组匝数多而通过的电流小，可用较细的导线绕制；但低压绕组匝数少而通过的电流大，用较粗的导线绕制。

（3）阻抗变换关系。负载获得最大功率的条件是负载阻抗等于信号源的内阻，此时称为阻抗匹配。在实际工作中，负载的阻抗与信号源的内阻往往是不相等的，所以把负载直接接到信号源上并不能获得最大功率。为此，就需要利用变压器来进行阻抗变换，使负载获得最大功率。

设变压器一次侧输入阻抗为Z1，二次侧负载阻抗为Z2，由于U2/I2，则。

这就是说：在二次侧接上负载阻抗时，就相当于使电源直接接上一个阻抗为的负载。

（4）变压器的效率。上边的讨论是假设变压器本身没有损耗，实际上损耗总是存在的。变压器的损耗主要包括铜损（绕成变压器线圈的导线存在着电阻，电流流过时会发热消耗能量）和铁损（磁滞损耗和涡流损耗，详细资料可参阅相关资料），这会降低变压器的效率。通常将输出功率占输入功率的百分比叫效率，用“η”表示，即

（5）同名端。实际变压器的一、二次绕组的绕向是看不见的，因此引入了同名端的概念。同名端是指电压实际极性相同的端子，是一种标记，如图1－38所示，其判定方法可参阅相关资料。

图1－38　同名端

3）电磁器件

电磁器件是利用通电线圈产生的电磁力进行控制的一种器件，具有控制电流小、控制距离远、使用安全等特点。电磁器件主要有接触器、继电器、电磁铁、电磁阀等，如图1－39所示。

图1－39　继电器和接触器

（a）继电器；（b）接触器

接触器的结构示意图和电路符号如图1－40和图1－41所示。

图1－40　接触器结构示意图

图1－41　接触器的电路符号

继电器的工作原理和接触器基本相同，只是电磁力小些，触头多些。

3.电热作用

电流流过导体时，会产生热量，称为焦耳热。如电灯、电炉、电暖气、电烙铁、电焊等都是电流热作用的例子，如图1－42所示的电炉。

图1－42　电炉

特别提示：

电流只要流过导体就一定会产生焦耳热，这在工作中是必须要考虑的。例如起重机的悬挂负荷如果超过电动机额定容量的话，电流流过电动机绕组时产生的温升会把线圈异常烧粘在一起，其中的原因就是焦耳热。

下面来介绍能量消耗（电功）和电功率。设电路任意两点间的电压为U，流入此部分电路的电流为I，则这部分电路消耗的功率为

功率用P表示，单位是W（瓦特），常用单位还有千瓦（kW），换算关系是1 kW＝1 000 W。灯泡上一般有220 V/60 W等的表示，其中220 V表示该灯泡使用220 V的电压，60 W表示该灯泡在正常情况下消耗的功率。

功率和时间的乘积称为电功。时间单位为秒时，电功的单位是焦耳。日常生产和生活中，用电设备消耗的电能（电功）也常用度作为量纲：