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三相交流电及其计算

news 2026/5/25 8:18:25

一、电工基础

1、电能的传输与电功率

由高中物理知识，我们知道，电阻两端加上电压后，就会在回路中间产生电流(电压使电路中自由电荷定向移动形成电流)。该电阻两端的电压与电流的乘积便是功率，功率在时间的累积下，便是在电阻上消耗的能量，电能在电阻上转变成了热能。

但是，能量究竟是如何从电源传到电阻上的呢？是导线传送的吗？若是，那又是以什么形式传送的呢？

在上高中时，我想肯定是因为电子的移送传送了能量。在当时，我们老师通过例题演算过，电子在导体中移动的速度非常慢。远远不能满足现实中一按开关，灯就亮的的实际情况。记得老师说过，电是以光速传播的。即便如此，我仍没有真正明白电到底是怎么样传送的。难道不是电子移动传送了能量？

电子移动的三种速度：

导体中的自由电子做热运动的速率10^5m/S的数量级，这个速度对形成电流无贡献；

自由电子定向移动速度10^(-5)m/S的数量级，这个速度是形成电流的；

导体中建立电场的速率是光速(3*10^8m/S)。

电磁场是一种物质。这个概念应该很多人都知道，但是，电磁场看不见、摸不着，这个概念也往往被人忽略。在后文中，我将提到电能是靠电磁场来传播的。我们应该知道，物质是能量的载体。这里就体现了电磁波是一种物质的概念的重要性，否则能量又是怎样通过电磁场传播的呢。

我们来强化一个概念，有电流就存在磁场，有电压就存在电场。这怎么说，高中物理中我们学过奥斯特实验，也学过平行板电容器，这两者分别对应上面所要强化的概念。值得注意的是，我们用电感去表征磁场效应，用电容去表征电场效应。在电路中，所谓的电感、电容主要作用为存储电磁能量和存储电场能量。

为什么要强调「有电流就存在磁场，有电压就存在电场」。这是因为，实际上，电能是依靠电磁场来传输的(通电导体四周产生磁场)。这样，也说明了，高中老师说的电是以光速传播的，因为电磁场的传播就是光速。光也是电磁场的一种罢了。那么电磁场在哪？就是我们上面说的，存在电流和电压的地方就有电磁场。然而，并不是说电压、电流存在于导线中，那么电磁场就被限制在导线中。实际上，电磁场并不存在于导线中。

说道这里，便到了重头戏，电能究竟如何通过电磁场传播的，电磁场究竟存在于哪？关于这个问题，坡印亭(Poynting)定律给出了答案。遗憾的是，在这里，我不能通过简单的叙述，来具体解释坡印亭定律。因为其牵扯到电磁场理论中的很多知识。在这里，我简单的给出一些由坡印亭定律给出的结论。

导体仅起着定向引导电磁能流的作用，电源对负载的供能是通过导体外的空间电磁场传输。

无功功率 Q 是维持时变电磁场(交流电)存在的能量。无功的本质就是建立电磁场的代价，没有场，能量无法传输。

上面的结论，简而言之，就是有功功率通过电磁场来传递，而电磁场的产生依赖于无功功率的存在。电磁场存在于通电导线的周边。至此，我阐明了有功功率和无功功率的关系。还有一点小的概念需要补充。有功功率是指电路从电源吸收功率的大小，其主要是电路中电阻元件耗能的结果；无功功率是电路与电源往复交换功率的幅值，主要是电感、电容的储能和放能的结果。无功功率并不存在真正的能量损耗，只是能量的交换；有功功率则是实实在在的消耗能量。