作者：王璋 著
出版社：北京理工大学出版社
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电力基础新编试读：
新编——电工新说
警句（核心）——本书描述物质（包括电）运动规律的基本思路（概念性、概括总结）。（1）惯性（作用＝反作用）。（2）电流生磁，磁变生电，磁与磁作用，你动我也动（发电机、变压器、电动机的工作原理）。（3）同向后旋定则——多种d、q方程中ωΨd及ωΨq之前的正负号确定的准则（见附件一）。
写书的动机和特点
一、动机
鉴于多年来发现传统文献及国内外书刊有多处失误且长时未被发现和改正（虽经多人阅读和讲述），耐人深思（对于传统文献是否需要从不同的角度加以认识）。
鉴于和多处（上海、昆明、贵阳、广西和内蒙古等地）科技人员的交谈和接触（讨论会和讲习），深感人们对传统理论的认识有困惑感（也许是少数）。
二、写法及特点（1）鉴于上述动机，所以本书特意提出以物质运动的共同规律——惯性，代替左、右手定则和楞次定律，从稳态到暂态（过渡过程）始终以通俗、明确概念性分析为主，伴以严谨的数学工具作总结。（2）各个章节的分析方法首要以瞬时描述为主，然后以矢量、微积分和微分方程、拉氏变换等数学工具作概述。（3）对上述数学工具首先以附注的方式，作概念性、通俗性解释，使高难的数学（如微分方程及拉氏变换等）通俗化、代数化。（4）对复杂的暂态（过渡过程）现象以巧妙的分量方法，使其分析简易化、清晰化、深透化。
三、结构特点（1）正文以系统概念分析为主（从直流到交流，从基本规律到应用，从简单集中参数到长线分布参数）。（2）为了不影响基本概念系统地串接，特将深入内容作成附录给读者，以缓解其心情，以更加充沛的精力去加深理解和掌握。（3）对一些名词的概念性解释，为了不影响系统学习，都以小的附注形式放在有关内容后面。（4）为了使读者更加清晰理解，在必要的部分［比如过渡过程，行波（过电压）等］都增补以物理解说内容。（5）为增强理论基础，与主要参考书相比，增加第四章附录B中公式（A-5）的证明，RC及RLC交流电路的过渡过程，变压器的基本概念和互感及复杂互感电路的过渡过程及其分析方法，分布参数（长线）的稳态和行波的过程。
四、新思路
由于采取了新的思路（以惯性原理代替传统文献的上述说法），使得本书的页码仅占主要参考书的1/3，而内容却增加到130％。作为电力基础能不能、敢不敢这样写，有没有点改革的意思（作为尝试），请读者和专家鉴评、批评和指正。
五、分工
本书第一章、第二章由王汝源执笔，其他由王璋执笔。作者第一篇带电物质及其运动机理第一章带电物质是怎样的物质
带电的物质也是物质但又不同于一般眼见物质，因为它有自己独特的性质。第一节带电物质的性质及其计量单位
带电物质也是物质，就拿带负电荷的电子来说，它是极小的物质之一。其质量为0.9×10-27g，其半径为10-13cm，它在一般物质中像地球绕太阳那样被（带着正电荷的原子核）吸引而作圆周运动，如图1-1（a）所示。由此可见，具有质量和运动这两点是物质的共性，但带电的物质却又有它们自己的（静）特性：比如它们之间有异性相吸和同性相斥的性质，如图1-1（b）所示。图1-1 原子结构示意图及其特性（a）原子结构示意图；（b）异性相吸与同性相斥
同时带电物质也还有自己的（动）特性（见图1-2四种典型动态图像）：叫作电流（习惯以小写i表示）即生磁（磁通与电流总相伴），如图1-2（a）所示，磁变即生电，如图1-2（b）、（c）所示。如铁芯一边电流变化（Δi出现）通过相应磁变会使铁芯另一边线圈中出现电势力，即感应电势和自感反电势。图1-2 感应电势和自感反电势与电流变化的关系图1-2 感应电势和自感反电势与电流变化的关系（续）（a）电（流）磁（通）的实验关系；（b）变压器中原边电流增加时；（c）导体中电流突然出现；（d）眼见物体的状态变化（加速）
注意：所谓感应电势和自感反电势都是（物质运动时）惯性作用的产物，和一般眼见物质类似，如子弹碰到钢板，速度被减（呈现运动状态变化），形成向前的惯性作用，把钢板推向前，把能量（接力）传给向前运动的钢板。对带电物质来说，生活中较常见的变压器（见图1-2（b））原边电流增加，通过磁变在副边形成感应电势（接力），把能量转移至负载。而自感反电势是在带电物质向前运动的同时，形成向后的惯性，作用于推它运动的电源。如同眼见物体被推向前运动的同时向后给予使它运动的原动力以反作用类同。所以电流增加时给予电源以自感反电势。而电流减少时也会通过电感的惯性作用形成感应电势，维持电流继续通过负载，所以感应电势和自感反电势都是期望维持状态不变的惯性电势（e）。其数学表达式为，当电流（其中微量di）随时间t增加时即为正时，此时电势e（取负值）作用方向与电流方向相反，作用于电源（故称自感反电势）；当i减少时，即取负值时，由于负负为正，e取正值，其作用方向和电流原方向相同，有维持电流的作用。
分析图1-2（a）、（b）、（c）中由于电流变化引起的感应电势（及自感反电势）都是企图维持带电物质的原始状态，也称电磁惯性。所以这里用物质运动的速度（v）比拟瞬时电流（i），即v→i；用加速度（a）比拟电流变化，即。
其中：
用作用力（F）比拟电压（u），即
作用力迫使物体（m）产生加速运动，如图1-2（d）所示，即
电压（u）将迫使电感L中电流变化，即式中，m为物体惯性质量；L为带电物质的磁惯性参数（自感），即L相似于眼见物质的质量，是带电物质的惯性参数。
这里需要注意的是反作用并未阻止物体加速，反电势也未阻止电流变化，相反正因为物体有向前的加速运动才会有向后的反作用，同样正因为有电流及相应的磁变才会有反电势，所以说反电势和反作用都是企图反对状态变化，是物质的共性。通过这一概念来理解反电势的性质，不但概念清楚，而且心中踏实，有助于消除电气现象的神秘感。
这里特别需要对公式（1-1）两式的物理模拟多加思考，作用力F能迫使质量为m的物体产生加速运动（即速度变化），电压u能促使电流变化（克服其惯性）。以上就是对带电物质的定性解说。
*磁变即生电是一种形象说法，实质是通过磁变牵扯动周围电场变化形成感应电势。
那么怎样作定量估计呢？
关于电荷（或带电质点）的计量单位，它们是被这样规定的：在图1-1（b）中，当点电荷在空中相距（r）1cm，相互作用力（F）为(1)1达因，且电量q1与q2相等时，此时的q被作为单位（绝对静电）电量，实用上则取3×109静电单位＝1库仑作为绝对实用单位电量。这是关于电荷的静态计量描述，关于电荷的动态特性，即它的移动速度或电流强度（可以通过图1-3所示导线的横截面AA来观察其单位时间通过的电量），常以库/秒来表示，作为电荷的动态计量单位，即电流（注意：文中电流习惯指的是正电荷运动方向，实际上导体中可移动的是电子，即实际上是电子在沿着电流的反方向移动，这是历史性的错误，已经沿用，未作改正，只有在电解液中移动的有带正电的离子）i的计量单位为安（培）（A）。即：图1-3 电流方向及电场做功（a）习惯定义的电流（正电荷移动）方向；（b）电场做功示意图
式中，i、dq、dt分别表示电荷移动的瞬间速度、瞬间通过界面的电量及相应的短时间。与此相应的实用单位还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（μA），它们的换算关系如下：
式（1-2）说明电流i是电量q与时间t的导出单位。那么电荷怎么会移动的呢？关于它的动力单位又是如何规定的呢？在最原始的情况下导致上述电荷移动的动力来源于正负电荷之间的吸力（或电场力）。在工程中标定电场力作用的强弱习惯以电位差（它类似于地位高低差）来表示。当电场力移动单位（库）正电荷由A到（见图1-3（b））B做功恰为一焦耳（J）时，称AB两点电位差（或电压降）为1伏特（V）。可见电压（伏）是电量（库）和功（焦耳）的导出单位。而电量（库）和时间（秒）都是基本单位。
其中电量（库）、电流（安）、电压（伏）正是电工（研究电物质质点运动规律）的常用计算单位。此外尚有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）等单位（1kV＝103V，1mV＝10-3 V，1μV＝10-6 V）。以上就是认识和研究电物质运动规律的必要准备工作之一。关于电荷移动的动力来源见第二节。第二节电（力）源的形成及参考正方向的规定（选定）
众所周知，在原始社会里人们并不知道如何用电，只是看到一些雷电（云中放电）现象。因为在正常情况下，一切物质质点中正、负电荷数量相等（经测试得知），都处于稳定中和状态。上述放电现象正是通过云层的运动（水汽质点的相互摩擦）使水汽质点的部分电子滞留到其他质点上导致平衡状态破坏，在云层中形成巨大的电位差，在一定水汽距离构成导电条件时立即形成放电现象。与此相似，在生活中，常看到玻璃棒与毛皮之类摩擦之后，也会形成放电现象。由此萌发了摩擦起电的思想，这正是最原始的电源形成方式之一。以后通过化学家的观测和细致的筛选，使不同的物质（电极）插在同样液体中通过化学作用会自然形成电位差，即通过化学反应（或作用）使两条极棒上的正、负电极性有差别，由此造成当前的蓄电（棒）池上的正、负电极。当极间以导线接通时，即会形成电流使灯光发亮。此时，由于电极与液体的化学作用力能通过外部电线使极上部分正负电在中和的过程中（通过化学作用又能即时给电极上的电荷加以补充）维持两极之间的电位差基本不变，习惯上称这样的电源为直流电源（因此时极间瞬时电流i的方向不变而幅值又基本恒定，此种电流习惯以I表示），如图1-4所示。图1-4 直流电源及磁变即生电（a）直流电流（i）与时间的关系（代表电荷的匀速运动）；（b）磁变即生电
与此相应人们又发现磁铁出入线卷时电表中的指针有反应，又启发了人们造就电源的另一想法，叫作磁变即生电，如图1-4（b）及图1-5（a）所示。
由图1-5可以看出，其中图1-5（a）以旋转代替了图1-4（b）的往复运动，有利于被机械所推动，但形成的磁变效果却完全相同，即使灯泡发亮代替了电表指针的偏转。然而从图1-5（c）中的电流（以向上为正）方向［人们的规定（所谓参考正方向）］可以看出，电流与时间的关系随时间不停地改变其大小（根据瞬时磁变数量的多少）和方向，与图1-4（a）中电流（幅值恒定）方向不变的直流电流相比是完全两样的，是谓交流（周期交变且平均值为零）电流。
那么为什么磁变能形成电势（力）呢？传统文献及书籍历来以左右手定则（见图1-5（b））机械地规定磁力、动力和感应（或应变）电势之间的方向关系（指明这是实验结果）。其实从一般物质运动的（特性）共性（惯性）能更简易地（代替左右手定则的六个方向机械表达方式）确定感应电势（力）的方向。图1-5 交流机简图、交流电势波形及右手定则（a）交流机简图；（b）右手定则：电（势）磁（力）与力（导体运动）方向关系图；（c）交流电势波形
因为在图1-5（a）中，当磁极旋转使磁通从图中虚线位置变至实线状态时，根据一般物质的特性（惯性），导体a中必然有电流（图中点代表电流流出电机）要形成相应的磁通［按图1-2的电流和磁通的（实验）关系］以维持原始磁通在导体上方的原始状态。惯性是一般物质的共性，既然磁和带电物质都是物质（经科学工作者研究肯定），那么它们也具有惯性是自然的道理（实质一，即真正的根由或基因）。用这一方法来确定感应（应变）电势的方向既方便而又能除去传统文献所说的切割电势（一种好像有点神秘感觉的说法，因为磁通既看不见也摸不着怎么能切割呢？）。
以上叙述的两种电源就是当前我们生活中最重要的电力来源，这正是为下面分析带电物质运动规律所做的准备工作。现在我们开始分别研究在上述两种电源作用下电路中电流的运动特性和规律，即直流和交流电路。
所谓电路，文献中定义为由电工设备组成的总体。比如从电源（交直流发电机或电池）开始，经传输线路（包括变压器）到用户的用电设备（也包括信号系统中的放大电路等）的总体。电路的任务在于把经过加工（称激励）的信号传送至末端（称为响应）。————————————————————
(1) 1达因＝105牛顿。第二章交直流电路的特性分析
从图1-4及图1-5的两种电流波形来看，当它们通过电路来为我们生活服务，比如点亮电灯，推动电机时所表现的特性必然不同，兹分别讨论如下。第一节直流电路
直流电和直流电器是我们生活中最先接触到的电气现象，图2-1是蓄电池电气线路的示意图。其中柱形连接体是两极之间连线及所接电器（如电表等）的典型示意，它表示电荷在电路（导电体）中的运动状况，类似水流但又不完全相同，因为导体中带电物质有多种多样（通过科学实验知道导体中有负电子、正电子以及质子即不带电的质点等，而其中最易移动的是负电子），因而负电子在移动过程中往往要碰到其他质点的阻力或障碍，导致电子的移动路线示意为碰撞前进状态。这说明电路中阻力愈大，电荷移动的速度（即电流i）愈小。相反，对于阻力一定的导线，其两端所加电场力（即电压）愈大（类似眼见物体在被推动的过程，受力愈大），则电荷移动的速度（即电流i）愈大，这一浅显道理归结起来叫作电路电流的大小与电压成正比，与电阻成反比。在文献中将这一规律总结为欧姆定律，表示如下：图2-1 蓄电池电气线路示意图（a）实物图；（b）电路图其中，U表示加在R两端的电压力；E表示化学作用在电池内部形成的电势力。两者稍有差别，因为一旦电荷移动，在电池内部也会耗用部分电力，因此U比E值要小些，电池内部这份阻力用图中虚线Rn表示，所以只有当外部连接线被取掉，电荷尚未移动时，电池两极才能把化学作用形成的电势（力）充分地表现出来，习称空载电势E（文献中常把不变的电压称作理想的电压源）。R表示电极之间的一切阻力（包括导线及可能连接的电器等），单以导线来讲R又可表示如下：其中，l代表导线长度；A代表导线截面；ρ代表导线的材料性质，习称电阻率，即单位长度、单位截面的导体电阻。上式表明电荷移动路线愈长等效阻力愈大，而导线截面愈大（电荷通过的机会愈多，或同时在一个方向可能移动的电荷数愈多）等效的阻力愈小。而性质不同的导体（如铜或铝）由于结构不同（单位体积内可移动的电荷数不同），其等效阻力（电阻率）也各异。
以上两式就是电荷（带电物质）在直流电压作用下运动规律的简单描述。再说作为物质，电荷移动和眼见物质同样也有类似的功率关系，即单位时间移动电物质（电流）所做的功（功率P）为：或其中，P的单位为电压（伏）及电流（安）的导出单位（瓦）。
式（2-3）表示：单位时间内电荷移动（电流）与作用的电力的乘积，即电场力单位时间所做的功，故称功率。而：
故又得或
以上就是电荷（带电的物质）在直流电压作用下运动规律的简单描述和总结（即作为对于电荷移动规律的最初认识）。第二节交流电路
交流电路和前述直流电路相比情况似乎比较复杂，下面先做一些定性分析。一、概念性分析（定性解说）
通过上节的分析和式（2-1）的关系可以看出在直流电路中电荷的碰撞前进（类似于眼见物质在道路上移动时所遭遇的摩擦阻力那样）全靠直流电压来维持。而在交流电路中电源电压不仅要用来克服电荷移动时所承受的阻力（习称电阻），而且还要承担迫使电物质运动状态变化的任务，如图1-5（a）所示，交流电流是一种带电物质运动状态不断改变的电流。眼见物质（如汽车加速）需要巨大的外加作用力，电物质的运动状态变化同样要由电源电压来负担。眼见物质的运动状态变化称为加速度（或速度变化）a，它与作用力（F）有下述实验关系：其中，m（质量）是眼见物体的惯性参数，生活经验显示质量愈大的物体加速起来愈难。即a与F成正比，与m成反比。
带电物质既然也是物质，自然有类似的性质，其类似的关系如下：其中，的单位为安/秒，u的单位为伏时，L的单位为亨。
电惯性参数（L）（习称电感）的大小（类似于眼见物质的质量）与电路周围的磁性状态（因电流变化伴随着磁变）有关。实验显示当导体（或电路）中有电流时其周围显示有磁性，呈现如图1-2（c）所示磁针被推动，这叫电流即生磁（一种生动而有趣的说法），确切地说应该是电流即显磁。科学测试告诉我们，一切物质的原子中电子都在不停地围绕其原子核作类似于地球绕太阳的圆周运动［见图1-1（a）］。这种多向运动导致其磁性未能显示出来，一旦让电荷定向运动，电路周围即刻呈现磁性（即电流与磁总相伴），科学测试证明磁场也是物质。物质状态改变要由外力来完成。当电路周围是空气时L较小，当电路周围有磁性物质（如导线绕在铁芯上，且绕的圈数愈多相当于电路愈长，多匝串联电路等）时，则L较大［因为铁芯容易被磁化，或者说铁物质原子内电荷运动的磁效容易被上述电路（或线圈）中电流的磁性所牵动（像图中磁针那样）。可能被牵动的磁性场愈广，或者说电流状态改变时牵动的物质愈多，则电磁惯性参数L就愈大］。
这一现象显示交流电路与直流电路相比，确有重大差别，此其一。另外，交流电路上尚有另一重要参数，即电容C。它的电路特性类似于水路旁边的水坑，使得电荷在未达到用户的用电器之前，必先把路旁边电容器充满（古语说：盈涸而进，就是说水必先把路旁的水坑灌满水流才能继续前进），由此引发的电路特性是交流电路的另一特征，即妨碍电流前进的另一参数——电容（具体分析见后）。前者电感有碍于电物质运动状态的改变，比如启动，后者电容则有碍于（或滞留）电荷的通过，此其二。以上即是对交流电路特性的定性认识，下面即开始对交流电路作定量估算。二、交流电路的定量分析
1．纯电阻电路
这里首先假定电源与负荷（RH）之间经纯电阻（R）电路相连，此时假定电流波形相似于1-5（c），如图2-2（b）所示，为我们生活用电的常用标准波形，则电阻电路耗用的（所需维持电流通过电阻的）电压自然与电流大小成正比，如图2-2（b）中iR＝u。
图2-2（a）、（e）中箭头习称参考正方向。所谓参考正方向如同我们生活中以对着太阳定为南向，在图1-5（c）、图2-2（b）中，电流以向上为正，向下则为负，在电路及电机分析中为研究方便也是这样，当规定了正方向之后，倘若某支路电流（或电压）的实际方向与规定的参考正方向相反时，则为负值。
从图2-2（a）可以看出在这样假定的条件下从电源电压U扣除电路电阻耗用的电压降iR部分外，余下送至负荷部分的电压（uH）相似的仍然是交流电压波形（因为负荷也是电阻），如图2-2（d）所示。图中，u为电压瞬时值，u＝iR＋uH图2-2 正弦电流电压关系图（a）、（e）电路图；（b）、（c）电流与电压关系；（d）负荷电压与电流的关系
2．纯电感电路
如图2-2（e）所示，这自然是为了叙述方便的一种假想电路。在这种电路中导线虽然没有电阻，但电流变化却受到限制，或者说此时电压要用来克服带电物质移动状态变化时所遭遇到的电磁惯性，类似于眼见物质速度变化时所呈现的惯性那样的参数，电感习惯用L来表示，参考式（2-6），由此定义L为式（2-7）表示电流在电路中的变化率为时（即在小时间dt期间电流变化量di）所需电压愈大，表示带电物质移动状态变化时的惯性愈大（如同眼见物质速度变化时所需压力愈大表示该物体惯性愈大。所谓推而不动，说明物体惯性太大，想使之从静止变为运动所需力量太大）。
下面以图2-3（b）的电流波形为例进行介绍。
该电流波形可看作是一转动杠杆（习称矢量）在转动过程中其纵坐标上的投影，见图2-3（a），特点是α＝30°时i（称瞬时值）为其最大值的1/2，α＝60°时（Im为最大值），α＝90°时i＝Im，这样一种旋转矢量形成的电流波形习惯以三角函数表示（交流电中一种特定波形称为正弦电流）如下：式中，ω为旋转矢量转动的角速度。我国标准频率f为每秒50周（或
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]