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作者：《电力》编写组

出版社：世界图书出版公司

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电力试读：

第一章 电的基本知识

第一节 电的发现

你小时候有没有玩过垫板吸纸片的游戏？将垫板夹在腋下用力摩擦后，很快地平举在桌面上预先撕好的小纸片之上，这时有些最轻的小纸片会被吸到垫板上，有些次轻的会竖立起来像小人跳舞般晃来晃去，还有些比较重的则无动于衷地停在桌上。你可知道吸引这些小纸片的力量是如何形成的吗？

在对电有具体认知之前很多年，人们就已经知道发电鱼会发出电击。在远古埃及书籍中，这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”，是所有其他鱼的保护者。大约2500年之后，希腊人、罗马人，阿拉伯自然学者和阿拉伯医学者，才又发现关于发电鱼的记载。一位古代罗马医生建议患有像痛风或头疼一类病痛的病人，去触摸电鳐，也许强力的电击会治愈他们的疾病。

大约在公元前600年，希腊人便发现琥珀经过摩擦后会吸引干燥的树叶、羽毛及碎布片等轻小的物质。他们称琥珀为“elektron”，因此当时这种神秘的吸引力便被称为“electric”，意为“如同琥珀”，这个字也被英语系国家用以形容电力且沿用至今。如此，人们开始认识电这一神秘事物。电鳗是南美洲一种以能短暂强力放电而闻名的淡水鱼类，电鳗的头部是正极，尾部是负极，有数以千计的放电体，每个放电体约可制造0.15伏特的电压，而当数千个放电体一起全力放电时的电压便高达600～800伏特。

当我们玩“垫板吸纸片”的游戏时，其实是重复做着2000多年前希腊人所做的事；不过当你玩这个游戏时是否想过为什么塑胶做的垫板摩擦衣服后会吸小纸片？如果用其他的东西如木片、铁片等做尝试是否会有类似的效果？如果没有的话也别太难过，因为希腊人发现摩擦琥珀可以吸引轻小物质后，一直过了约2000年，也就是在西元16世纪早期，才有人发现琥珀并非唯一有这种特性的物质。用防静电布或橡胶制成的防静电手套，用于需用手套操作的防静电环境。

实际上，这种摩擦生电就是我们今天说的“静电”。人们就是从这种生活中常见的“静电现象”中开始认识电的。

在对电现象的早期研究中，最早进行系统研究的首推英国医生威廉·吉尔伯特，他在文章中说：“随便用一种金属制成一个指示器……在这个指示器的另一端，移近一个轻轻摩擦过的琥珀或者是光滑的摩擦过的宝石，这指示器就会立即转动”，他通过大量的实验驳斥了许多关于电的迷信说法，并且发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且其他物质像金刚石、水晶、硫磺、硬树脂、明矾等也有这种性质，他把这种性质称为电性。

1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机，他用硫磺制成形如地球仪的可转动物体，用干燥的手掌擦着干燥的球体使之停止可获得电，盖利克的摩擦起电机经过不断改进，在静电实验中起着非常重要的作用。

18世纪，一位法国科学家更进一步发现，经摩擦后有吸引力的物质中，有的会互相吸引，有的则互相排斥。他经过研究整理后，归纳出带正电及带负电两类物质，若两种物质同样带正电或负电便会相排斥，就像男生与男生或女生与女生之间会互相竞争比较一样；而两种物质若带不同的电便会如男女之间般互相吸引。

18世纪中叶，电学实验逐渐普及，在法国和荷兰有不少人公开表演认为娱乐。1731年，英国牧师格雷从实验中发现，由摩擦产生的电在玻璃和丝绸这类物体上可以保持下来而不流动，而有的物体如金属，它们不能由摩擦而产生电，但却可以用金属丝把房里摩擦产生的电引出来绕花园一周，在末端仍具有对轻小物体的吸引作用，他第一次分清了导体和绝缘体，并认为电是一种流体。电既是一种流体，而流体比如水是可以用容器来蓄存的。莱顿瓶示意图

1745年，德国牧师克茉斯脱试用一根钉子把电引到瓶子里去，当他一手握瓶，一手摸钉子时，受到了明显的电击。1746年，荷兰莱顿城莱顿大学的教授穆欣布罗克无意中发现了同样的现象，用他自己的话说：“手臂和身体产生了一种无形的恐怖感觉，总之，我认为自己的命没了”。穆欣布罗克公布了自己意外的发现：把带电的物体放进玻璃瓶里，就可以把电保存起来。于是电学史上第一个保存电荷的容器诞生了。它是一个玻璃瓶，瓶里瓶外分别贴有锡箔，瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接，棒的上端是一个金属球，由于它是在莱顿城发明的，所以叫作莱顿瓶。

莱顿瓶很快在欧洲引起了强烈的反响，电学家们不仅利用它们做了大量的实验，而且做了大量的示范表演，有人用它来点燃酒精和火药。其中最壮观的是法国人诺莱特在巴黎一座大教堂前所作的表演，诺莱特邀请了路易十五的皇室成员临场观看莱顿瓶的表演，他让700名修道士手拉手排成一行，队伍全长达900英尺（约275米）。然后，诺莱特让排头的修道士用手握住莱顿瓶，让排尾的握瓶的引线，一瞬间，700名修道士，因受电击几乎同时跳起来，在场的人无不为之口瞪目呆，诺莱特以令人信服的证据向人们展示了电的巨大威力。

知识链接

人体静电“静电”就是人类最早认识的摩擦起电现象，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，静电是通过电子或离子的转移而形成的。它相对于经常使用的动力电，是静止的，特性是电流小，不形成回路。其特点是有运动、有摩擦就会产生静电反映，电位有时可高达几千伏或几万伏，放电后迅速消失，不能输送和分配。人体在日常工作中，会与所穿的衣服、鞋帽、手套产生摩擦，并且衣服与周围物体之间、鞋子与地板之间、手与工件之间等都可产生摩擦。此外，当人体靠近带电物体时，也会感应出大小相等、符号相反的电荷以及带电颗粒的吸附，所有这些都是人体产生静电电荷的诱因，进而通过传导和静电感应，最终使人体呈带电状态。冬天里，在日常生活中，我们常常会受到静电的困扰：早上起来梳头，越梳越乱；晚上脱衣服睡觉时，黑暗中除了听到噼啪的声响外，还伴有蓝光；触摸门把手时感觉到电火花还有手指的疼痛。为了防止静电的发生，室内要保持一定的湿度，室内要勤拖地、勤洒些水，或用加湿器加湿；要勤洗澡、勤换衣服，以消除人体表面积聚的静电荷。发现头发无法梳理时，将梳子浸入水中片刻，等静电消除之后，便可以将头发梳理服帖了。脱衣服之后，用手轻轻摸一下墙壁，摸门把手或水龙头之前也要用手摸一下墙，将体内静电“放”出去，这样静电就不会伤你了。对于老年人，应选择柔软、光滑的棉纺织或丝织内衣、内裤，尽量不穿化纤类衣物，以使静电的危害减少到最低限度。雷电

其实在人类有意识之时，天空中的电闪雷鸣就引起了人类的思考和崇拜。雷电长时间被看作是神秘的力量，是神的意志。雷电引发的森林火灾使人类接触火，并开始吃熟食。在漫长的生产活动中，人类一直在观察和研究雷电。雷电

我国古代也有人观察和研究雷电现象，在《南齐书》中有关雷电的记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也。”意思是：强大的放电电流通过佛像的金属膜，金属被融化。由于窗户是木质的，依然保持原样。

人们谈起沈括，就一定会谈到他的《梦溪笔谈》，这本书对于雷电的描述就更为详细了：“内侍李舜举家曾为暴雷所震，入庙之西室，雷火自窗而出，赫然出檐，人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆黔。有一木格其中杂贮诸器扣者，银悉熔流在地。漆器曾不焦灼。有一宝刀极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石，今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也？”其实，由于漆器、刀室这些东西是绝缘体，宝刀和银扣则是导体，才会出现这一现象。

但总的说来人们对于电还茫然无知，当时西方人把雷电叫作“上帝的火”，他们还以为雷和电是一回事。

1750年5月，英国皇家学会突然收到一篇论文，说天上的雷电和我们在实验室里摩擦产生的电是一回事，还列举了12条相同处，如：放光、有声、能点燃易燃物、能杀伤动物等等。还说到电是通过金属的尖端释放传递的，因此为使建筑物免遭雷击，可以在屋顶上装一个尖头铁棒，再以金属线接地，电就被引入地下。那皇家学会的会员们大都是天文、力学、数学方面的专家，他们研究的是那些高深的题目，那时化学还刚刚起步，这电学还不算一门学问呢。学会秘书看着这篇文章想，这大概又是什么江湖骗子的法术，“啪”地一声扔到纸篓里去了。富兰克林

这个大胆送论文的人就是本杰明·富兰克林。富兰克林是世界上最早进行电学试验的人之一。他是电学史上第一个正确解释电荷性质的人。他提出了电学史上一项重要的假说：电是一种在平常条件下以一定比例存在于一切物质中的要素。他还发现，电可以从一个物体转移到另一个物体，在任一绝缘体中，总电量是不发生变化的。这一结论就是近代电学中所谓的电荷守恒定律。1752年6月，终于盼来了一个大雷雨的天气。这天下午富兰克林正在家里摆弄着一些瓶瓶罐罐、金属导线，突然一阵风扑来，窗户被摇得嘎嘎直响，他探头一看，不觉喜上心头，忙领着儿子，架着一架用丝绸制成的大风筝迎着狂风向野外奔去。

富兰克林选了一块广阔的草地，将风筝向天空徐徐放去。突然大雨淋漓，富兰克林转身一看，草地上有一间牧人用过的旧房，忙招呼儿子站到房门里，让他拉紧风筝线，这样靠近手的一节线就不会因淋湿而导电。这一切都是精心设计好的，风筝是绸子制的，不怕雨淋，线是麻绳很结实，靠手的一节又换成绸带，不导电，麻绳与绸带间用金属线挂一把铜钥匙。富兰克林站在屋檐下紧张地注视着西边的天空，只见电光闪过一道又是一道，这时他发现，那拉紧的麻绳，本来是光溜溜的，那些细纤维突然一根一根都直竖起来。富兰克林眼睛一转，高兴地喊道：“天电引来了!”因为毛皮摩擦带电时细毛也会竖起，这说明风筝线上已有电了。他一边嘱咐儿子小心，一边用手握成拳头慢慢接近那把铜钥匙。突然他像被谁推了一把，跌倒在地上，浑身发麻，他顾不得疼痛，也不知道害怕，喊着：“是他来了，他乘着风筝下来了!我们握手了!”富兰克林将随身带来的莱顿瓶接在钥匙上，果然这瓶里储存了电，而且这电也有火花，可以点燃酒精灯，可以用它做各种电气实验，天电地电原来是一回事。

富兰克林成功了，人们说：“是富兰克林把上帝和雷电分了家。”富兰克林风筝试验

富兰克林把雷引入地下来防止雷击的建议却遭到皇家学会的“科学家们”的讥讽和嘲笑，但他并没有气馁，而是相信自己的想法是对的，就写信告诉一个法国朋友。那法国人用一根铁杆直立在屋顶上，在雷雨时真的把天空中的闪电引到了地下，这就是富兰克林发明的避雷针，我们至今还在使用。

富兰克林的在电学方面的重大贡献就是让人们认识到雷电和静电是一回事，彻底破除了人们对雷电的恐惧。特别是风筝实验的报告轰动了欧洲，使人们看到电学是一门有广大前景的科学，推动了电学、电工学的发展。

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雷电的产生雷电是自然界中一种常见的放电现象，是发生在大气层中的声、光、电物理现象，常见的雷电是一部分带电云层与另一部分带异种电荷的云层与大地之间的放电过程。关于雷电的产生有多种解释理论，通常我们认为由于大气中热空气上升，与高空冷空气产生摩擦，从而形成了带有正负电荷的小水滴。当正负电荷累积达到一定的电荷值时，会在带有不同极性的云团之间以及云团对地之间形成强大的电场，从而产生云团对云团和云团对地的放电过程，这就是通常所说的闪电和响雷。具体来说，空中的尘埃、冰晶等物质在云层中翻滚运动的时候，分别带上了正电荷与负电荷。经过运动，带上相同电荷的质量较重的物质会到达云层的下部（一般为负电荷），带上相同电荷的质量较轻的物质会到达云层的上部（一般为正电荷）。这样，同性电荷的汇集就形成了一些带电中心，当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成闪电。在闪电通道中，电流极强，温度可骤升至2万摄氏度，气压突增，空气剧烈膨胀，人们便会听到爆炸似的声波振荡，这就是雷声。闪电的形状最常见的是枝状，此外还有球状、片状、带状。随着人类社会经济的发展，因雷电引发的灾害越来越严重，常遭受雷电影响的领域有建筑、电网、通讯、林业、交通、易燃易爆场所、军事设施，以及居民的电冰箱、电视、VCD等电器设施等。电子

1862年，德国物理学家威廉·爱德华·韦伯首次以带电粒子的移动解释电流现象，使“静电”与“动电”的本质统一起来了。1871年为了解释安培的分子电流假说，韦伯又提出“带正电的粒子围绕负电中心旋转”，这使认识电的物质基础的范围已缩小到原子内部。

化学电源出现之后，人们可能获得比较稳定而持续的电流，并且可以控制电压的高低、电流的强弱。这为进一步研究电流本身的规律，以及电流与其他各种物理现象之间的联系提供了优越的条件。1820年奥斯特发现了电流的磁效应。

但对电的本质的进一步认识，还是在研究稀薄气体放电现象中得到的。19世纪初，人们在封入稀薄空气的玻璃管两端，加上几百伏以上的电压，观察到放电现象。但由于高真空技术不成熟，研究工作进展不大，直到1855年德国玻璃工人盖斯勒发明了水银空气泵，才创制出真空度较高的盖斯勒发光管。1859年德国学者普留卡用盖斯勒管做实验时，发现在阳极方面的玻璃上出现了荧光，当时他猜想可能有一种神奇的东西从阳极发出来，打在管壁上。这种东西受磁场作用，路径会发生弯曲。后来，他的学生希特洛夫在两个电极中间放个小物体，发现盖斯勒管放电时，在阳极方面的玻璃上呈现出这个物体的阴影。1876年科学界确认了这项发现，称阴极发出的东西为“阴极射线”。

英国物理学家约翰·汤姆生经过大量实验后，确认“阴极射线”是带负电的，并测量出射线中粒子的荷质比。实验表明，不论射线管中充以何种气体，电极用哪种金属材料制成，所得射线中粒子的荷质比都相同。由此汤姆生认为阴极射线中带负电的粒子存在于任何元素之中，是一切物质中共有的粒子，并把这种粒子称为“电子”。

1909年美国物理学家密立根用油滴实验，测得电子的电荷值为－191.6×10库仑，证实了汤姆生关于电子性质的预言。

第二节 电是什么

现在，我们已经知道了电是怎样被人发现的，下面我们来了解一下电的基本构造和常用元件。原子和电子

世间一切的物质都是由不同的“分子”组成，例如水是由水分子组成，氧气是由氧分子组成；分子又是由不同的原子组成，如水分子由两个氢原子及一个氧原子所构成。想明白电是如何形成的道理，还必须研究原子的构造。

原子的直径约为一亿分之一厘米，原子虽然很小，但剖析其内部还可发现它是由中子、质子及电子等3种更小的粒子组成，其中电子带负电，质子带正电，中子则不带电，而这些粒子的数目因原子种类的不同而有异，如氢原子中只有一个质子及一个电子，氧原子却由8个中子、8个质子及8个电子所组成。正如左图所示，中子与质子会紧密结合形成“原子核”。原子核外电子排布

电子则循着固定的轨道绕着原子核旋转，原子的直径即是最外层电子轨道的直径，而原子核的直径约为原子直径的1/10000，如果把原子比喻为一个直径100米的棒球场，则原子核就像放在球场中心的一粒樱桃，由此不难想象其中的中子与质子是多么微小。

看到这里，你太概可以猜到“电”是与电子有关。事实上原子核周围的电子是很规则地在一层层的轨道绕行，外层电子因为受到原子核的束缚力较小，容易受外力激发脱离轨道，如受到其他电子撞击，或受电场的吸引，而成为自由电子，有这种特性的物质便很容易传送电流，而这种物质便是我们熟称的“导体”，如银、铜、金及铝等物质。如果产生自由电子的能力极低，这种物质就是我们所熟悉的“绝缘体”，如玻璃、橡胶或羊毛等。

正因绝缘体不导电，所以它们之间互相摩擦时，有的在表层会积存多余的电子，有的则因失去电子而维持正电，此时若将不同电性的两种物质互相靠近，便会产生吸引力，这种引力便是希腊人摩擦琥珀后观察到的神秘引力。电荷实验的基本现象

前面我们说过，电是一种自然现象。正电荷和负电荷具有产生排斥和吸引力的属性。电场的作用是自然界4种基本相互作用之一。电或电荷有2种：我们把一种叫作正电、另一种叫作负电。通过实验我们发现带电物体同性相斥、异性相吸，其吸引力或排斥力遵从库仑定律。关于电，有这样的看法：丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷；毛皮摩擦过的橡胶棒带有负电荷。

一个带电体所带电荷的多少可以用电子数目来表示，不过在实用上这个单位的大小，我们常以库伦作为电量的单位。18

1库伦=6.24×10个电子电荷电流

我们虽然看不到电，但是电线随处可见。电线内有电流流动，肉眼并没有办法看见电流，它却可以让日常生活中的电器运转。那电流是什么呢？电流是如何产生的呢？在电源的作用下，带电微粒会发生定向移动，正电荷向电源负极移动，负电荷向电源正极移动。带电微粒的定向移动就是电流，一般以正电荷移动的方向为电流的正方向。

电流的方向和大小不随时间变化的电流称为直流电，电流的大小和方向随时间做周期性变化的电流称为交流电。

通常情况下，我们把电流的大小称为电流强度，电流强度简称为电流。电流的国际单位叫安培，简称为安，符号为A。安培是以法国物理学家安德烈-玛丽·安培的名字命名的。安培对电磁学的发展可说是功不可没。他不但创造了“电流”这个名词，又将正电流动的方向定为电流的方向。1820年他根据奥斯特的发现的“电流的磁力效应”，进行了很多有关电流和磁铁相互作用的实验，得出几个重要的结果：（1）两个距离相近、强度相等、方向相反的电流对另一电流产生的作用力可以相互抵消（2）在弯曲导线上的电流可被看成由许多小段的电流组成，它的作用就等于这些小段电流的矢量和。（3）当载流导线的长度和作用距离同时增加相同的倍数时，作用力将保持不变。安培

经过一番定量的分析之后，他终于在1822年发现了安培定律，并在1826年推出两电流之间的作用力的公式。电压

大家都知道，水在水管中所以能流动，是因为高水位和低水位之间的差别，产生一种压力，水才能从高处流向低处。城市中使用的自来水，之所以一打开水龙头，就能从管中流出水，也是因为自来水的贮水塔比地面高。

电也是如此，电流所以能够在导线中流动，也是因为有高电位和低电位之间的差别。这种差别叫电位差，也叫电压。换句话说，在电路中，任意两点之间的电位差称为这两点的电压。

电压用符号“U”表示。电压的作用，是使某段电路中产生电流。

电压是指稳恒电路中任意两点间的电势差。单位为伏特。在交流电路中，电压有瞬时值、平均值和有效值之分，有时简称其有效值为电压。如通常照明用电为220伏即指电压有效值。电压的字母是U，单位是V。

高电压可以用千伏（kV）表示，低电压可以用毫伏（mV）表示。

它们之间的换算关系是：1千伏（kV）=1000伏（V），1伏（V）=1000毫伏（mV）

千伏大于伏特大于毫伏，进率为1000。

高压电线电压可分为高电压与低电压。

高低压的区别则是以火线的对地间的电压值为依据的。对地电压高于250伏的为高压。对地电压小于250伏的为低压。

习惯的说法是380伏或500伏以上的电压为高压。220伏的为低压。其实质是一种误解，也是对电的不了解。只要高于250伏，哪怕是1千、1万、10万伏的只要对地电压高于250伏就是高压。像我们的家庭用电220伏是一种低压。工业常用的380伏电压其实也是一种低压。因为它是3根火线1根零线，火线的对地电压是220伏，所以它也是低压。电阻

顾名思义，导体的电阻就是导体对电流的阻碍作用，它是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压分流的作用，交流与直流信号都可以通过电阻。电阻一电阻二

电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“Ω”表示。格奥尔格·西蒙·欧姆是德国物理学家。1827年欧姆发现了电阻中电流与电压的正比关系，即著名的欧姆定律，意识是在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比。格奥尔格·西蒙·欧姆

欧姆是这样定义的：当在一个电阻器的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值为1欧姆。除了欧姆外，电阻的单位还有千欧（KΩ），兆欧（MΩ）等。

电阻的种类很多，通常分为碳膜电阻、金属电阻、线绕电阻等。它又包含固定电阻与可变电阻、光敏电阻、压敏电阻、热敏电阻等。但不管电阻是什么种类，它都有一个基本的表示字母“R”。电阻的单位用欧姆（Ω）表示。它包括Ω（欧姆），KΩ（千欧），MΩ（兆欧）。其换算关系为：1MΩ=1000KΩ，1KΩ=1000Ω。电容

除电阻外，电容是第二种最常用的元件。电容的主要物理特征是储存电荷。由于电荷的储存意味着能的储存，因此也可说电容器是一个储能元件，确切的说是储存电能。两个平行的金属板即构成一个电容器。电容

电容的基本工作原理就是充电放电，当然还有整流、振荡以及其他的作用。另外电容的结构非常简单，主要由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成，所以电容类型主要是由电极和绝缘介质决定的。

电容按结构可分为：固定电容、可变电容、微调电容。

按介质材料可分为：气体介质电容、液体介质电容、无机固体介质电容、有机固体介质电容、电解电容。我们最常见到的就是电解电容。电容

电容在电路中具有隔断直流电，通过交流电的作用，因此常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐。

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常见的电压1．电视信号在天线上感应的电压约0.1mV2．维持人体生物电流的电压约1mV3．干电池两极间的电压1.5V4．电子手表用氧化银电池两极间的电压1.5V5．一节蓄电池电压2V6．手持移动电话的电池两极间的电压3.6V7．对人体安全的电压不高于36V8．家庭电路的电压220V9．动力电路电压380V10．无轨电车电源的电压550～600V11．列车上方电网电压1500v12．电视机显像管的工作电压10kV以上13．发生闪电的云层间电压可达103kV

第三节 直流电与交流电

18世纪研究电的科学家们发现不同的金属释放电子的能力不同，将能力高（如锌）与能力低（如铜）的两种金属，用适当的溶液及导线相连，则会产生持续性的电流，这种电流便是“直流电”，而类似的装置即为今日常用电池的基本构造。

直流电的发明为当时的生活带来许多便利，但它有不易大量生产以及持续性不够久的缺点。幸而在19世纪中，科学家发现了磁场，同时也发现导线在磁场中移动会产生电流，更因此而发明了便宜又好用的交流电，丰富了人类的生活。

直流电，是指方向和时间不做周期性变化的电流，但电流大小可能不固定，而产生波形，又称恒定电流。所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。

在直流电路中，形成恒定的电场。在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。

测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有灵敏电流表（G表）、电流表、伏特计、电桥、电势差计等。

直流电源有化学电池、燃料电池、温差电池、太阳能电池、直流发电机等。直流电主要应用于各种电子仪器、电解、电镀、直流电力拖动等方面。利用直流电还可以进行水的电解实验。将负极插入水中，可以使水电解为氢气，正极则使水电解为氧气。

在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距离传输，直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来，由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。交流电

交流电就是随时间而改变方向的电流，因导线在磁场中无法永远在同一方向移动，而必须做周期性的往返运动，因此其产生的电流也会定期改变方向，就像我们的呼吸一样，吸饱气时必须呼气才能吸一下口气，而我们肺部也就跟着做氧气与二氧化碳的周期性交换动作。

图中是一个简单的交流发电机原理示意图，图中环状导线藉着连接其上的转轴不断旋转，并与南北两磁极连成的磁力线相交而产生交流电，转轴前端的电刷则将导线所产生的电流引出送到输配电系统，再送到工厂或家中使用。简而言之，我们只要想办法让一组环状导电线圈在磁场中持续转动，原则上就可以得到电灯、电视、电冰箱、冷气机……所需的电力。

交流电也称“交变电流”，简称“交流”。一般指大小和方向随时间做周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。我国交流电供电的标准频率规定为50赫兹，日本等国家为60赫兹。交流电随时间变化可以以多种多样的形式表现出来。不同表现形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。交流电以正弦交流电应用最为广泛，且其他非正弦交流电一般都可以经过数学处理后，化成为正弦交流电的迭加。正弦电流（又称简谐电流），是时间的简谐函数。当线圈在磁场中匀速转动时，线圈里就产生大小和方向做周期性改变的交流电。现在使用的交流电，一般是方向和强度每秒改变50次。我们常见的电灯、电动机等用的电都是交流电。在实用中，交流电用符号“～”表示。

欧姆定律是电学基本定律之一，是指同一导体中，通过导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。由德国物理学家格奥尔格·欧姆于1827年提出。它说明了电流和电压与电阻之间的关系。各有长处——交流电和直流电

交流电是用交流发电机发出的，在发电过程中，多对磁极是按一定的角度均匀分布在一个圆周上，使得发电过程中，各个线圈就切割磁力线，由于具有多对磁极，每对磁极产生的磁力线被切割产生的电压、电流都是按弦规律变化的，所以能够不断地产生稳定的电流。交流电的频率一般是50赫兹，即每秒变化50次。当然也有其他频率，如电子线路中有方波的、三角形的等，但这些波形的交流电不是导体切割磁力线产生的，而是电容充放电、开关晶体管工作时产生的。

直流电的方向则不随时间而变化。通常又分为脉动直流电和稳恒电流。脉动直流电中有交流成分，如彩电中的电源电路中大约300伏的电压就是脉动直流电成分，可通过电容去除。稳恒电流则是比较理想的，大小和方向都有不变。

把一节电池的头（正极）对着另一节的尾（负极）装在手电筒中，手电筒就亮了：如果倒过来，头对头或尾对尾，手电筒就不亮。这是因为电池所产生的电流总是朝一个方向流动，所以叫做直流电。

通过输电线或电缆送入家中的电，不是直流电，而是交流电。因为这种电流一会儿朝某个方向、一会儿又朝相反的方向流动。

尽管交流电“变化多端”，但它比起直流电来，有一个最大的优点，就是可以使用变压器，根据需要来升高或降低交流电电压。因为发电厂产的电，都要输送到很远的地方，供用户使用。电压越高，输送中损失越小。当电压升高到3.5万伏或22万伏，甚至高达50万伏时，输送起来就更加经济。无论什么地方要使用电，为适应其特定的用途，又都得把电压降低。例如家庭用电只要220伏，而工厂常用380伏，等等。

直流电也有它的优点，在化学工业上，像电镀等，就非要直流电不可。开动电车，也是用直流电比较好。

为了适应各种电器的特定用途，也可把交流电变成直流电，这叫整流。一些半导体收音机或录音机上，都可用外接电源。通过一个方块形装置，把交流电变成直流电来使用。这个降压和整流用的装置，叫电源变换器。

第四节 电路

几根零乱的电线将5个电子元件连接在一起，就形成了世界历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克-基尔比之手。

电路，我们又叫它电子回路，是由电气设备和元器件，按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径的总体，也叫电子线路或称电气回路，简称网络或回路。如电源、电阻、电容、电感、二极管、三极管、电晶体、IC和电键等，构成的网络、硬体。负电荷可以在其中流动。最简单的电路，是由电源、负载、导线、开关等元器件组成。电路导通叫做通路。只有通路，电路中才有电流通过。电路中某一处因中断，没有导体连接，电流无法通过，导致电路中电流消失，叫做断路或者开路。一般对电路无损害。电源未经过任何负载而直接由导线接通成闭合回路，也就是说电路某一部分的两端直接接通，使这部分的电压变成零，叫做短路。易造成电路损坏、电源瞬间损坏，如温度过高烧坏导线、电源等。

电路是电流所流经的路径，电路分为很多种类。电路的大小，可以相差很大，小到硅片上的集成电路，大到高低压输电网。它可以分为电源电路、电子电路、基频电路、高频电路等；按元件种类分，又可以分为被动元件和主动元件两种。在这里我们只详细介绍电子电路中的模拟电路和数字电路。

根据所处理信号的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。

模拟电路是由自然界产生周期性变化的连续性的物理自然变量，在将连续性物理自然变量转换为连续的电信号，并通过运算连续性电信号的电路即称为模拟电路。模拟电路对电信号的连续性电压、电流进行处理。最典型的模拟电路应用包括：放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路）、运算连续性电信号。

数字电路，亦称为逻辑电路。将连续性的电讯号，转换为不连续性定量的电信号，并运算不连续性定量电信号的电路，称为数字电路。数字电路中，信号大小为不连续并定量化的电压状态。多数采用布尔代数逻辑电路对定量后信号进行处理。典型数字电路有振荡器、寄存器、加法器、减法器等运算不连续性定量电信号。

集成电路，运用集成电路设计程式（IC设计），将一般电路设计到半导体材料里的半导体电路（一般为硅片），称为积体电路。利用半导体技术制造出集成电路（IC）。

在我们的日常生活当中，电路无处不在。单说我们使用的计算机，平时爱不释手的游戏机，以及MP3等各种影音播放器，还有各样家电中，都有微处理器电路，它又叫做微控制器电路。

比微处理器电路再高一级的呢，就是电脑电路。顾名思义，我们平时用的台式电脑笔记本电脑掌上电脑，还有用于工业的专业电脑等，都离不开电脑电路。

在我们日常通讯中，电路还有着至关重要的作用。比如手机、座机、有线网络、无线网络、有线传送、无线传送、红外线、微波通讯、卫星通讯等等。它使我们能在任何位置都能够和相隔千里的朋友进行联系。这就是通讯电路。

当然还有显示器电路，它形成荧幕、电视、仪表等各类显示器。光电电路，比如太阳能电路就是光电电路中的一种。电机电路则常用于大电源设备，比如电力设备、运输设备、医疗设备、工业设备等等。

电路如此伟大，它又是怎样组成的呢？其实，电路由电源，负载，连接导线和辅助设备4大部分组成。实际应用的电路都比较复杂，因此，为了便于分析电路的实质，通常用符号表示组成电路实际原件及其连接线，即画成所谓电路图。其中导线和辅助设备合称为中间环节。

1.电源

电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如，电池是把化学能转变成电能；发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多，转变成电能的方式也很多，所以，目前实用的电源类型也很多，最常用的电源是固态电池、蓄电池和发电机等。

2.负载（用电器）

在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例如，电炉把电能转变为热能；电动机把电能转变为机械能，等等。通常使用的照明器具、家用电器、机床等都可称为负载。

3.导线

连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路，起着传输电能的作用。

4.辅助设备

辅助设备是用来实现对电路的控制、分配、保护及测量等作用的。辅助设备包括各种开关、熔断器及测量仪表等。

第五节 电与磁

以前，人们觉得电和磁是互不相关、完全不同的两码事，对它们的研究也是分别进行的。

第一个发现电磁之间有联系的是著名物理学家奥斯特。奥斯特（1777～1851）是丹麦人，从小聪明好学，小学和中学的成绩都很突出。1794年，奥斯特以优异成绩考入哥本哈根大学学习，后来便成为这所著名大学的物理学教授。

当时很多科学家都认为电和磁之间不可能有什么关系。法国物理学家库仑表示：电与磁是完全不同的实体；另一位法国物理学家、安培定律的创立者安培也说过：电和磁是相互独立的两种不同的流体。

然而，也有一些人猜测电和磁之间可能存在着某种联系。一位名叫威克菲尔德的小商人，就曾描述过雷电使他箱子中的刀、叉、钢针磁化现象；美国科学家富兰克林曾做过莱顿瓶放电实验，结果放电电流把焊条磁化了。这一实验使奥斯特认定电磁转化是很有可能的，所以一直想找到能证明这种转化的方法。

1820年4月的一天，奥斯特在一次讲演快结束的时候，抱着试试看的心情又做了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下。这一跳使有心的奥斯特喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。以后的2个月里，奥斯特闭门不出，设计了几十个不同的实验，都证实了通电导线周围存在磁场。同年7月，奥斯特发表了《关于磁体周围电冲突的实验》论文，向学术界宣布了电流的磁效应，整个物理学界都震动了。

奥斯特的重大发现，揭示了电与磁之间的联系，为以后法拉第发现电磁感应定律、麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础。法拉第后来在评价奥斯特的发现时说：“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”

奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁能否产生电，磁能否对电作用的问题。1831年法拉第证明了电磁感应现象，他通过实验证明，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，导体中就会产生电流。这种现象叫电磁感应现象。产生的电流称为感应电流。

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它揭示了电、磁现象之间的相互联系。法拉第电磁感应定律的重要意义在于：一方面，依据电磁感应的原理，人们制造出了发电机，电能的大规模生产和远距离输送成为可能；另一方面，电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用。人类社会从此迈进了电气化时代。电磁辐射

要了解电磁辐射，先来看看什么是电磁波。

根据麦克斯韦建立的电磁场理论的基本概念和实践证明，在任何区域有变化的电流产生，在其附近感应出相应变化的电场并在邻近区域内将引起变化的磁场；这个变化磁场感应出新的电场；这种电场和磁场交替产生；由近及远，似近于光的速度在空间内传播的过程，称为电磁波。电视台向空间发射的电视信号；手机发射台的通讯信号：雷达发射的微波信号都是电磁波；所有的电力输送线路、通讯线路、电子设备、电脑、微波炉、复印机……一切用电设备及产品，他在工作时均有交变的电流产生，有交电流就会感应出交变电场，交变电场又产生交变磁场，如此向空间辐射，传送“电磁波”。

简单地说，电场和磁场的交互变化产生电磁波。电磁波向空中发射或泄漏的现象叫电磁辐射。近年来电磁辐射对人类健康的影响成为世界性的话题。

其实人类一直生活在电磁环境里。地球本身就是一个大磁场，其表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐射。此外，太阳及其他星球也自外层空间源源不断地产生电磁辐射。但天然产生的电磁辐射对人体是没有损害的，对人体构成威胁、对环境造成污染的是人工产生的电磁辐射。过量的电磁辐射就造成了电磁污染，从而威胁到人们的健康。

1998年世界卫生组织调查显示，电磁辐射对人体有5大影响：①电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因；②电磁辐射对人体生殖系统、神经系统和免疫系统造成直接伤害；③电磁辐射是造成流产、不育、畸胎等病变的诱发因素；④过量的电磁辐射直接影响大脑组织发育、骨髓发育、视力下降、肝病、造血功能下降，严重者可导致视网膜脱落；⑤电磁辐射可使男性性功能下降，女性内分泌紊乱、月经失调。

电磁辐射对人的影响虽普遍存在，却并不可怕。世界卫生组织明确地在其官方文件中指出：没有一个综合评估已表明，低于国际导则限值的电磁场曝露水平，会具有有害的健康影响。它同时指出：较低频率的电磁波通常应称为“电磁场”，只有非常高频率的电磁波才可称为“电磁辐射”。

另外，不同的人或同一人在不同年龄段对电磁辐射的承受能力是不一样的，即使在超标环境下，也不意味着所有人都会得病，因此大可不必对电磁辐射“草木皆兵”。当然，对老人、儿童、孕妇和装有心脏起搏器的病人，对电磁辐射敏感人群及长期在超剂量电磁辐射环境中工作的人应采取防范措施。

电磁辐射污染对人体危害到底有多大，时至今日，科学界仍存在很大争议。

知识链接

怎样预防电磁辐射关于电磁污染标准的学界争论还在继续，但我们还需在各种电磁辐射环境中工作与生活，人们又该如何预防并减轻电磁辐射对自身的伤害呢？1.提高自我保护意识，重视电磁辐射可能对人体产生的危害，多了解有关电磁辐射的常识，学会防范措施，加强安全防范。2.不要把家用电器摆放得过于集中，或经常一起使用，以免使自己暴露在超剂量辐射的危害之中。特别是电视、电脑、冰箱等电器更不宜集中摆放在卧室里。3.各种家用电器、办公设备、移动电话等都应尽量避免长时间操作。如电视、电脑等电器需要较长时间使用时，应注意至少每1小时离开1次，采用眺望远方或闭上眼睛的方式，以减少眼睛的疲劳程度和所受辐射影响。电视、电脑等电器的屏幕产生的辐射会导致人体皮肤干燥缺水，加速皮肤老化，严重的会导致皮肤癌，所以，在使用完上述电器后及时洗脸。对各种电器的使用，应保持一定的安全距离。如眼睛离电视荧光屏的距离，一般为荧光屏宽度的5倍左右;微波炉在开启之后要离开至少1米远，孕妇和小孩应尽量远离微波炉。4.手机接触瞬间释放的电磁辐射最大，为此最好在手机响过一两秒后或电话两次铃声间歇中再接听电话。手机在使用时，应尽量使头部与手机天线的距离远一些，最好使用耳机接听电话。5.多食用一些胡萝卜、豆芽、西红柿、油菜、海带、卷心菜、瘦肉、动物肝脏等富含维生素A、C和蛋白质的食物，以利于调节人体电磁场紊乱状态，加强肌体抵抗电磁辐射的能力。

第二章 电的生产

第一节 发电机

发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，最早产生于第二次工业革命时期，由德国工程师西门子于1866年制成，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流、气流、燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。

发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

前面说过英国科学家法拉第于1831年发现了电磁感应原理：当磁场的磁力线发生变化时，在其周围的导线中就会感应产生电流。

第二年，受法拉第发现的启示，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机。

皮克希的发电机是在靠近可以旋转的U形磁铁的地方，用两根铁芯绕上导线线圈，使其分别对准磁铁的N极和S极，并将线圈导线引出。这样，摇动手轮使磁铁旋转时，由于磁力线发生了变化，结果在线圈导线中就产生了电流。

后来皮克希在磁铁的旋转轴上加装两片相互隔开成圆筒状的金属片，由线圈引出的两条线头，经弹簧片分别与两个金属片相接触。另外，再用两根导线与两个金属片接触，以引出电流。这个装置，就叫做整流子，在后来的发电机上仍得到应用。

从皮克希发明发电机后的30多年间，虽然有所改进，并出现了一些新发明，但成果不大，始终未能研制出能输出像电池那样大的电流，而且可供实用的发电机。

1867年，德国发明家韦纳·冯·西门子对发电机提出了重大改进。他认为，在发电机上不用磁铁，而用电磁铁，这样可使磁力增强，产生强大的电流。

西门子用电磁铁代替永久磁铁发电的原理是，电磁铁的铁芯在不通电流时，也还残存有微弱的磁性。当转动线圈时，利用这一微弱的剩磁发出电流，再反回给电磁铁，促使其磁力增强，于是电磁铁也能产生出强磁性。

接着，西门子着手研究电磁铁式发电机。很快就制成了这种新型的发电机，它能产生皮克发电机所远不能相比的强大电流。同时，这种发电机比连接一大堆电池来通电要方便得多，因而它作为实用发电机被广泛应用起来。汽车发电机

西门子的新型发电机问世后不久，意大利物理学家帕其努悌于1865年发明了环状发电机电枢。这种电枢是以在铁环上绕线圈代替在铁芯棒上绕制的线圈，从而提高了发电机的效率。

实际上，帕斯努悌早在1860年就提出了发电机电枢的设想，但未能引起的人们的注意。1865年，他又在一本杂志上发表了这一独创性的见解，仍未得到社会的公认。

到了1869年，比利时学者古拉姆在法国巴黎研究电学时，看到了帕其努悌发表的文章，认为这一发明有其优越性。于是，他就根据帕其努悌的设计方案，兼采纳了西门子的电磁铁式发电机原理进行研制，于1870年制成了性能优良的发电机。

在帕其努悌的发明中，对发电机的整流子部分进行了重要改进，使发电机发出的电流强度变化极小。而采用帕其努悌设计方案制成的古拉姆式发电机，其发出的电流强度变化也很小。这是古拉姆发电机的优良性能的表现之一。古拉姆发电机的性能好，所以销路很广，他不仅发了财，而且被人们誉为“发电机之父”。

随着发电机的逐渐大型化，转动发电机的动力也发生了变化。其中以水力作动力更使人们感兴趣。这是因为用水力转动大型发电机较方便，而且不消耗燃料，成本低。因此，西门子公司又投入水力发电的研究工作。

利用水力发电与水力发电不同，前者必须将发电机安装在水流湍急的地方，也就是水流落差大的地方。这样，就必须在山中河川的上游发电，然后再输送到远方的城市。水轮发电机安装

为了远距离输送电，就要架设很长的输电线。但是，在输电线中通过很强的电流时，电线就要发热，这样，好不容易发出的电能在送向远方的途中，却因为电线发热而损耗掉了。

为了减少电能在长距离输送中的发热损耗，可以采用的办法有两个：一是增加电压的截面积，即将电线加粗，减小电阻；二是提高电压而减小电流。

前一个措施因需要大量的金属导线，而且架设很粗的导线有很多困难，因而很难得到采用。比较起来，还是后一个措施有实用价值。然而，对于当时使用的直流电来说，使其电压提高或降低都是难以实现的。于是，人们只得开始考虑利用电压很容易改变的交流电。

看来，将直流发电机改为交流电发电机比较容易，主要是取掉整流子就行了。所以，西门子公司的阿特涅便于1873年发明了交流发电机。此后，对交流发电机的研究工作便盛行起来，从而使交流发电机得到了迅速的发展，并在今天仍占据主要地位。

发电机的种类有很多种。从原理上分为同步发电机、异步发电机、单相发电机、三相发电机；从产生方式上分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机等；从能源上分为柴油发电机、火力发电机、水力发电机、核能发电机等。

第二节 火力发电

在所有发电方式中，火力发电是历史最久的、也是最重要的一种。火力发电的基本生产过程是，燃料在锅炉中燃烧，将其热量释放出来，传给锅炉中的水，从而产生高温高压蒸汽；蒸汽通过汽轮机又将热能转化为旋转动力，以驱动发电机输出电能。

利用煤、石油、天然气等固体、液体燃料燃烧所产生的热能转换为动能以生产电能，都可以称为火电。按燃料的类别可分为燃煤火电厂、燃油火电厂和燃气火电厂等。按功能又可分为发电厂和热电厂。发电厂只生产并供给用户以电能；而热电厂除生产并供给用户电能外，还供应热能。按服务规模可分为区域性火电厂、地方性火电厂以及流动性列车电站。区域性电厂装机容量较大，一般建造在燃料基地，如大型煤矿附近，其电能通过长距离的输电线路供给用户。火力发电厂

1875年法国巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂并开始发电，采用很小的直流电机专供附近照明用电。美国、俄国、英国也相继建成小火电厂。1886年，美国建成第一座交流发电厂。1882年，中国在上海建成一座装有1台12千瓦直流发电机的火电厂，供电灯照明用。

20世纪80年代以后，中国火电厂的燃料主要是煤。1987年，火电厂发电量的87％是煤电，其余13％是烧油或其他燃料发出的。火力发电厂的基本生产过程

现代化火电厂是一个庞大而又复杂的生产电能与热能的工厂。它由下列5个系统组成：

①燃料系统。

②燃烧系统。

③汽水系统。

④电气系统。

⑤控制系统。

火电厂最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机，它们安装在主厂房内。主变压器和配电装置一般装放在独立的建筑物内或户外，其他辅助设备如给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则安装在辅助建筑中或在露天场地。火电厂基本生产过程是，燃料在锅炉中燃烧，将其热量释放出来，传给锅炉中的水，从而产生高温高压蒸汽；蒸汽通过汽轮机又将热能转化为旋转动力，以驱动发电机输出电能。到20世纪80年代为止，世界上最好的火电厂的效率达到40％，即把燃料中40％的热能转化为电能。

火力发电厂的汽水系统（或称为热力系统），汽水系统包括由锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵等组成的汽水循环和水处理系统、冷却水系统等。火力发电冷却系统

水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，经过热气进一步成为过热蒸汽，然后经管道送入汽轮机。

在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽冲动汽轮机的转子，带动发电机发电。在膨胀的过程中，蒸汽的压力和温度不断降低，最后排入凝汽器。

在凝汽器中，汽轮机的排汽被冷却水冷却，凝结成水。

汽水系统中的蒸汽和凝结水总有一些损失，必须不断向系统补充经过化学处理的水或蒸馏水。补给水通常加入除氧器中。别看我们说得这么简单，实际上高参数大容量火电机组的汽水系统（热力系统）要比这复杂得多。

燃烧系统包括锅炉的燃烧部分及输煤、除灰系统等。煤炭由皮带输送到锅炉房煤斗，进入磨煤机中磨成煤粉，然后和经过预热的空气一起喷入炉内燃烧，烟气经过除尘器后由引风机抽出，最后经烟囱排入大气。炉渣和除尘器下部的细灰通常由灰渣泵排至灰场。

我国的一些大中型燃煤的火电厂，一般采用煤粉炉，它们的生产过程是：将进厂的原煤经碎煤机破碎、磨煤机磨成煤粉，用热风吹送，喷入锅炉炉膛，通过煤粉燃烧生成的高温烟气，首先加热炉膛内的水冷壁管与过热器管，然后经过烟道内的再热器、省煤器和空气预热器而进入除尘器，在清除烟气中的飞灰之后，通过烟囱排入大气。

火电厂生产过程中，各个环节都有能量损失。提高火电厂效率的办法除提高锅炉、汽轮机等设备的制造、运行水平外，主要是提高蒸汽参数和采用中间再热。

然而锅炉设备是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人们生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。火力发电站集控室

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉是生产蒸汽的设备。燃料在锅炉内燃烧，将化学能转变为热能，使水变为蒸汽，通过管道送到汽轮机。火力发电对环境的影响

从火力、水力和核能发电相比较来说，火电生产对环境污染最大，治理工作最重，可归纳成废水、废气、废渣（以上3项俗称三废）、废热、噪声5种基本污染形式。污染源有以下几种:（1）粉尘。它是随烟气进人大气的微小固体污染物，包括材料然烧后的飞灰和未燃烧完全的炭粒，分飘尘和降尘两种，以飘尘的有害影响最大。

治理的方法是采用各式降尘器来消除烟尘。其中以静电除尘器效率最高，可达9.99%，是今后的发展方向。（2）二氧化硫。它是燎料中的硫嫩烧后生成的污染物随烟气排入大气，是形成酸雨的主要物质之一。目前我国火电厂二氧化硫排放基本处于失控状态，将是制约电力发展的重要因素。防治二氧化硫的措施有然烧前燃料脱硫、燃烧中炉内喷钙或流化床脱硫和燃烧后烟气脱硫。目前可以推广的主要是烟气脱硫。（3）粉煤灰。它包括燎烧后的煤灰、炉渣和收集的飞灰，是电厂排放量最大的一种固体污染物。粉煤灰目前仍以灰场贮存为主，浪费土地资源，并随其扩散、迁移、积累，污染大气、水和土壤环境。但粉煤灰可用于填充山沟、低洼地、矿井等，上面覆土造田可防治二次污染又可充分利用土地。此外粉煤灰又是一种潜力很大的宝贵资源，可以综合利用如回收有用成分做建筑材料、筑路、做肥料等，用途广泛。20世纪50年代以来，人们努力发展灰渣综合利用，化害为利。如用灰渣制造水泥、砖和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又从粉煤灰中提取空心微珠，作为耐火保温等材料。（4）冲灰水。排放量大，酸碱度高（>9），浊度、氟离子、砷等超标，这些是冲灰水的主要污染间题冲灰水治理是一个较突出的难题核心集中在解决酸碱度超标、管道结垢、排放量大的问题上。既节水又少污染的冲灰水循环利用是有待完善的发展方向。（5）热污染。它是指火电厂不采用冷却塔的直接水系统的温排水。这类火电厂热量的50%以上是以温排水方式排入水中，使水（或局部）温度升高，会破坏水生物的正常温度环境，影响其生存和繁殖。巨大的烟囱是火力发电站最醒目的标志

目前，解决热污染的办法是局部采用冷却塔，将循环水冷却到允许的温度再返回接纳水体。（6）噪声。火电厂大功率旋转设备及高压、高速蒸汽的扩容、排放、泄漏是主要的噪声源，如汽轮机、电动机、磨煤机、风机等。

噪声对人的影响是广泛的。严重的可造成耳聋（听力损失）、耳外伤等。噪声影响人的生理机能，造成神经紧张、失眠、消化不良等;噪声干扰睡眠和正常交谈，降低工作效率，使人烦燥、易怒，甚至影响生物正常生长。

特别是排汽等高频噪声，突发性强，危害更大。噪声防治除采用屏蔽设备、隔离设备，还应重视个人防护。洁净煤发电技术

火力发电对环境会产生不利影响，那么，有没有办法解决这一问题呢？事实上，多年来人们为“煤电”的可持续发展正进行着不懈的努力，目前主要发展洁净煤发电技术，争取让“煤电”成为真正的绿色电力。

所谓洁净煤发电技术，是为了提高发电机组的效率和控制因燃煤而引起的污染物的排放。清洁煤发电技术是一项先进的电力生产新技术。清洁煤发电技术是把满足供电需求、提高效率、控制环境三位一体进行综合考虑，可使供电效率提高，供电煤耗下降，二氧化碳（CO2）、二氧化硫（S02）的排放量减少，基本上没有粉尘排放。清洁煤发电是一种高效、环境清洁的发电技术。

我国是一个以煤炭为主要能源的国家。我国煤炭占发电能源的比重一直在75%左右。现在发电用煤占煤的生产总量将超过40%。在我国已探明的可开采化石能源地质储量中，煤炭占95.5％，石油占4％，天然气占0.5%。客观的资源状况决定了我国的能源格局仍不得不以煤炭为主。在未来的二三十年内，煤炭在能源结构的比重会有所降低，但主体地位不会根本改变。随着电力生产的发展，煤炭燃烧造成的环境污染也越来越严重，加快发展高效环保的清洁煤发电技术也成为我国煤炭产业和电力工业发展的必然选择和根本出路。

清洁煤技术主要包括两个方面：一是直接烧煤洁净技术。这是在直接烧煤的情况下，需要采用相应的技术措施：①燃烧前的净化加工技术，主要是洗选、型煤加工和水煤浆技术。②燃烧中的净化燃烧技术，主要是流化床燃烧技术和先进燃烧器技术。③燃烧后的净化处理技术，主要是消烟除尘和脱硫脱氮技术。二是煤转化为洁净燃料技术，主要是煤的气化以及液化技术、煤气化联合循环发电技术和燃煤磁流体发电技术。

第三节 水力发电

水力发电是一种可再生能源，因为水是通过地球的水循环系统不断地补充。所有水力发电系统需要一个持久而不断流动的水源。它不像太阳能和风能，而是可以全天候24小时产生电力。水力发电是运用水的势能和动能转换成电能来发电的方式。以水力发电的工厂称为水力发电厂，简称水电厂，又称水电站。

水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，利用水力（具有水头）推动水力机械（水轮机）转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械（发电机）随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。

水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能，再转变成电能的过程。

水力发电有多种方式，一般可分为河川发电、抽水蓄能发电、潮汐发电3大家族。

河川式电站，又称常规水电站，一般是通过修建拦河坝将河流的水汇集起来，提高上下水位的落差，利用落差形成的水力能量，由引水管路将水流引到水轮机，驱动水轮机旋转，带动与水轮机相联的发电机发出电力。

抽水蓄能电站一般需要修建上、下两个水库，上、下水库之间水位的高度差就是抽水蓄能电站的水头。抽水蓄能电站在电力系统用电负荷高峰期，将上水库所蓄积的水放下来，推动水轮发电机组发电，此时电站机组运行工况称为水轮机工况。当电力系统用电负荷处于低谷时，电站机组采用水泵运行工况，把下水库的水抽到高处的上水库中，将电力系统的剩余电能以水的势能形式储存起来备用。抽水蓄能电站示意图

由于海洋受到月球引力的作用，在一些海滩上会形成潮汐，一会儿水面降得很低，露出海滩，过一段时间，又涨得很高，把海滩全部淹没了，如此往复循环。潮汐电站正是利用在海边潮汐形成的水位落差来发电的水电站。潮汐电站属于对海洋能的利用，是一种新能源。

除了以上3种类型水电站之外，还有利用波浪能、温差能、潮流能和盐度差等发电的水电站。水力发电特点

水力发电有诸多优势，水能是一种取之不尽、用之不竭、可再生的清洁能源。但为了有效利用天然水能，需要人工修筑能集中水流落差和调节流量的水工建筑物，如大坝、引水管涵等，因此工程投资大、建设周期长，但水力发电效率高，发电成本低，机组启动快，调节容易。由于利用自然水流，受自然条件的影响较大。水力发电往往是综合利用水资源的一个重要组成部分，与航运、养殖、灌溉、防洪和旅游组成水资源综合利用体系。

水力发电是再生能源，除可提供廉价电力外，还有下列之优点:控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的交通、电力供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。美国田纳西河的综合发展计划，是首个大型的水利工程，带动整体的经济发展。

水力发电也有一些不利方面，如需筑坝移民，基础建设投资大。水坝属战略设施，战时是打击目标。水坝倒塌会严重影响下游安全，等等。

而修建大中型水库过程与建成之后，对环境也会产生一定的影响，主要包括以下几个方面：

自然方面：巨大的水库可能引起地表的活动，甚至诱发地震。此外，还会引起流域水文上的改变，如下游水位降低或来自上游的泥沙减少等。水库建成后，由于蒸发量大，气候凉爽且较稳定，降雨量减少。

生物方面：对陆生动物而言，水库建成后，可能会造成大量的野生动植物被淹没死亡，甚至全部灭绝。对水生动物而言，由于上游生态环境的改变，会使鱼类受到影响，导致灭绝或种群数量减少。同时，由于上游水域面积的扩大，使某些生物（如钉螺）的栖息地点增加，为一些地区性疾病（如血吸虫病）的蔓延创造了条件。

物理化学性质方面：流入和流出水库的水在颜色和气味等物理化学性质方面发生改变，而且水库中各层水的密度、温度、甚至溶解氧等有所不同。深层水的水温低，而且沉积库底的有机物不能充分氧化而处于厌氧分解，水体的二氧化碳含量明显增加。

社会经济方面：修建水库可以防洪、发电，也可以改善水的供应和管理，增加农田灌溉，但同时亦有不利之处。如受淹地区城市搬迁、农村移民安置会对社会结构、地区经济发展等产生影响。如果整体、全局计划不周，社会生产和人民生活安排不当，还会引起一系列的社会问题。另外，自然景观和文物古迹的淹没与破坏，更是文化和经济上的一大损失，应当事先制定保护规划和落实保护措施。世界水电发展现状

人类利用建坝挡水、建造水利工程已有几千年的历史。从中国的都江堰引水灌溉到古罗马的城市供水系统，通过修渠建坝成功的控制洪水和利用水利资源已经成为人类几千年文明史的重要组成部分。工业化以后，特别是发明电以后，利用水力发电造福人类，更是一度成为人类文明进步的象征。

1878年法国建成世界第一座水电站。美洲第一座水电站建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上，由1台水车带动2台直流发电机组成，装机容量25千瓦，于1882年9月30日发电。欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃利水电站，于1885年建成，装机65千瓦。19世纪90年代起，水力发电在北美、欧洲许多国家受到重视，利用山区湍急河流、跌水、瀑布等优良地形位置修建了一批数十至数千千瓦的水电站。1895年在美国与加拿大边境的尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750千瓦水电站。

进入20世纪以后，由于长距离输电技术的发展，使边远地区的水力资源逐步得到开发利用，并向城市及用电中心供电。到20世纪初，建筑大型水坝成了经济发展和社会进步的同义词，仅以美国20世纪三四十年代建成的不少重要水坝和水电站纷纷以总统的名字命名的举动，就不难看出当时的国际社会对大型水坝的仰慕和对能够建成水电站的自豪心情。由于建坝被视为是现代化和人类控制、利用自然资源能力的象征，水坝建设风起云涌，到20世纪70年代达到顶峰时，全世界几乎每天都有二三座新建的水坝交付使用。根据有关组织的统计，至20世纪末，世界上有24个国家的90%电力来自水电，有1/3的国家的水电比重超过50%。以总统名字命名的美国胡佛大坝

2002年底，全世界己经修建了49700多座大坝（高于15米或库容大于100立方米），分布在140多个国家，其中中国的大坝有25000多座。世界上有24个国家依靠水电为其提供90％以上的能源，如巴西、挪威等国；有55个国家依靠水电为其提供50％以上的能源，包括加拿大、瑞士、瑞典等国；有62个国家依靠水电为其提供40％以上的能源，包括南美的大部分国家。全世界大坝的发电量占所有发电量总和的19%，水电总装机容量为728.49吉瓦。发达国家水电的平均开发度已在60％以上，其中美国水电资源已开发约82%，日本约84%，加拿大约65%，德国约73%，法国、挪威、瑞士也均在80％以上。美国葛兰峡谷大坝

中国是世界上水力资源最丰富的国家，可开发量约为3.78亿千瓦。中国大陆第一座水电站为建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站，始建于1910年7月，1912年发电，当时装机480千瓦，以后又分期改建、扩建，最终达6000千瓦。1949年中华人民共和国成立前，全国建成和部分建成水电站共42座。

新中国成立后，我国的水电得到了很好的发展。水电建设者于20世纪50年代末60年代初就自行设计、自行施工、自行制造成功建设成了我国第一座大型水电站——新安江水电站。之后，虽然也经历了不少的曲折，我国的水电仍然得到了一定的发展，到1978年年底，全国水电装机容量达到了1728万千瓦。

我国于1978年年末实行改革开放30年来，随着国家经济社会的快速发展和改革的不断深入，我国的水电发展顺利地先后较好地解决了技术、资金、市场和体制等制约问题，以超过每10年翻一番的速度发展，取得了令世人瞩目的成就，从2004年起我国水电装机容量就一直居世界第一，截至2008年底，中国水电装机容量达到1.72亿千瓦。

知识链接

三峡电站中华人民共和国成立后，由于长江上游频发洪水，屡屡威胁武汉等长江中游城市的安全，一些人提出修建三峡工程。毛泽东1953年初视察三峡时曾说：“三峡水利枢纽是需要修建而且可能修建的”，“但最后下决心确定修建及何时开始修建，要待各个重要方面的准备工作基本完成之后，才能作出决定。”文化大革命结束后，三峡工程被再次提上议事日程。1992年4月3日议案获得通过，标志着三峡工程正式进入建设期。三峡大坝为混凝土重力坝，它坝长2335米，底部宽115米，顶部宽40米，高度海拔185米，正常蓄水位175米。大坝下游的水位约66米。大坝坝体可抵御万年一遇的特大洪水，最大下泄流量可达每秒钟10万立方米。整个工程的土石方挖填量约1.34亿立方米，混凝土浇筑量约2800万立方米，耗用钢材59.3万吨。水库全长600余千米，水面平均宽度1.1千米，总面积1084平方千米，总库容393亿立方米，其中调洪库容约220亿立方米，调节能力为季调节型，规模十分宏大。三峡水电站的机组布置在大坝的后侧，共安装32台70万千瓦水轮发电机组，其中左岸14台，右岸12台，地下6台，另外还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦，远远超过位居世界第二的巴西伊泰普水电站。1994年12月14日，各方在三峡坝址举行了开工典礼，宣告三峡工程正式开工。三峡电站2006年5月20日三峡大坝主体部分完工。2008年10月29日，右岸15号机组投产发电，是三峡水电站右岸电厂最后一台发电的机组。至此，三峡水电站26台机组全部投产发电。

第四节 核能发电

火力发电站利用煤、石油和天然气发电，水力发电站利用水力发电，而核电站是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站。核电站大体可分为两部分：一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统；另一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统。

核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。

核能发电的历史与动力堆的发展历史密切相关。动力堆的发展最初是出于军事需要。1954年，前苏联建成世界上第一座装机容量为5兆瓦（电）的核电站。英、美等国也相继建成各种类型的核电站。到1960年，有5个国家建成20座核电站，装机容量1279兆瓦（电）。由于核浓缩技术的发展，到1966年，核能发电的成本已低于火力发电的成本。核能发电真正迈入实用阶段。

1978年全世界22个国家和地区正在运行的30兆瓦（电）以上的核电站反应堆已达200多座，总装机容量已达107776兆瓦（电）。20世纪80年代因化石能源短缺日益突出，核能发电的进展更快。到1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为3.275亿千瓦，其发电量占全世界总发电量的约16％。

从世界范围看，上世纪70年代和80年代初是核电的高速发展期，鼎盛时期平均每17天就会有一座新核电站投入运行。但1979年的美国三里岛核电站事故和1986年的苏联切尔诺贝利核电站事故后，全球核电发展迅速降温。三里岛事故以后，美国30多年没有兴建一座新的核电站。

近年核电复兴已经拉开帷幕，核电复兴有3大助力：全球能源需求迅速增长，人们关注全球变暖问题（核电是没有温室气体排放的清洁能源），以及技术发展提高了核电安全性。目前中国投入运行的核电装机不足1000万千瓦，但到2020年，中国核电运行装机容量计划达到4000万千瓦，占全部发电装机的4％。美国将推动新建10座核电站，创造约3000个建设岗位和850个永久性就业岗位。据国际原子能机构预计，到2030年，全球运行核电站将可能在目前400多座的基础上增加约300座。

我国核电工业走过了一条从无到有、从弱到强的发展之路。改革开放初期，我国做出了自主设计、建造秦山30万千瓦压水堆核电站和引进建设大亚湾100万千瓦压水堆核电站的战略决策。继1991年秦山核电站和1994年大亚湾核电站建成投运后，我国又先后建设了秦山二期、岭澳、秦山三期和田湾核电站，形成浙江秦山、广东大亚湾和江苏田湾3个核电基地。目前我国已经投运的核电机组11台，总装机容量910万千瓦。2008年，核电占全国电力装机总容量的1.3%，核电年发电量683.94亿千瓦时，占全国总发电量的2％左右。

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