电气参数

对基本原理及其相互作用的微妙方式的回顾

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在本文中，我们讨论了基本的电气参数、伏特、安培、电荷、电容、电感和欧姆。 所有电子技术人员，尤其是电梯技术人员和维修人员，都了解基本原理，但它们之间的交互方式有一些微妙之处值得回顾。

要在电气设备（尤其是电梯）的设计和制造或诊断和维修中工作，需要对电气参数有准确的了解。 其中最基本的是安培、伏特、欧姆和库仑。

安培是电流的单位，从电池电解液或发电机绕组开始，流经导体、负载并返回 the source. 根据基尔霍夫电流定律，在整个电路中，除非它分成单独的分支，否则电流是相同的。 这是电子学中非常基本的原理，对初步诊断非常有帮助。 所有这些电子都必须到达某个地方，并且它们不会丢失，即使在通过电阻负载时，其中一部分能量会以热量的形式消散。 （消耗的是功率，而不是电流。）

根据定义，一个放大器由 6.24 X 10 的流量组成¹⁸ 每秒移动通过电路中特定点的电子。 （就是624后跟18个零。不懂的可以上网查科学记数法。）这个数字是绝对准确的，因为它是按定义固定的。 其他电气参数的定义来源于放大器的定义。

由于安培是衡量通过导电体的电流的量度，因此将电流说成是 the source 除了任何源都有最大可用电流，当负载的电阻或阻抗降低到临界值以下时，该电流会迅速增加。

电工使用电流钳来测量由电梯电机等重负载吸收的电流。 按下仪器侧面的拇指开关，钳口可以打开，并且可以围绕带电导体（裸导体或绝缘导体）闭合。 显示屏显示流过电路的电流（以安培为单位）。 可以在为电梯电机等操作设备供电的导体上进行测量，而无需停止使用。

仪器的带电导体和钳口是变压器的初级和次级。 这会测量导体周围的磁场，并校准显示器以显示安培数。 尽管 Amprobe 本质上是一个变压器，但高级型号可以通过内部霍尔效应设备读取直流电。

电流钳能够测量 200-600 安培。 它不适用于包含两个或多个导体的电缆，因为流过它们的电流以相反的方向传播，并且磁场相互抵消。

可以在万用表中读取少量电流。 有必要切断被测电路并将仪表串联起来。 然后，在进行测量后，重新焊接电路。 请务必在安培模式下检查万用表的额定值，因为万用表不会承受过载。 请记住，在获取这种类型的读数时，与钳式电流表、电压表或欧姆表读数不同，全部电流都通过仪表。

伏特是电动势的单位。 根据定义，它是当一安培电流流过电路时两个导体或端子之间的电势。 当没有连接负载时，这一安培的电流不会流过电路，但这并不否定伏特的定义。 或者，我们可以说，当每库仑电荷有一焦耳的能量通过电路时，一伏特是两根导线或端子之间的电位差。 谈论通过电路的电压是不恰当的，就像谈论端子上的给定电流是不恰当的一样。

注意以下关系：

• 伏特等于安培乘以欧姆
• 伏特等于每秒韦伯（每次磁通量）
• 伏特等于焦耳每库仑

由于电压是电位差，因此通常使用万用表在其额定范围内探测带电组件、电路中的两个点或电路中的一个点和接地来测量。 在其额定电压范围内操作仪表很重要。 如果不知道电压，通常可以安全地假设电压不超过电源电压，尽管在电梯电机或设备（如带有高偏转电压，或任何有升压变压器的地方。

为了全面了解电子伏特以及它们如何将电压和电荷的概念结合起来，我们必须讨论历史上被理论家和研究人员使用的电子伏特 (eV)。 eV 是一个非常小的能量势。 一万亿电子伏特大约是一只飞蚊所消耗的能量。 然而，这不必给我们带来麻烦，因为使用科学记数法或前缀，eV 可以达到，比如说，为任何尺寸的电梯提供动力的能量。 一百七十二 GeV 是顶夸克的静止能量，这是测量到的最重的基本粒子。

在物理学中，eV 是单个电子在真空中通过一伏特的电势差从静止加速所获得的动能量。 用作能量单位时，以焦耳为单位的 1 eV 的值等于以库仑为单位的电子电荷的数值。

这给我们带来了电荷的重要概念。 电荷以库仑为单位。 在从事电梯诊断和设计工作时，您很少需要测量电荷，但这个概念在电机电路和控制器中很重要，特别是对于金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 中的情况。

古代作家熟悉五种不同的现象，我们用电荷的概念来解释：

1. 闪电
2. 电鳗和鱼雷鱼
3. 圣埃尔莫之火
4. 琥珀色，用毛皮摩擦，吸引小物体
5. 静电，就像火花从手上跳到金属物体上一样

米利都的泰勒斯（公元前 624-546 年）没有留下现存的著作，但据说他描述了琥珀效应，他说这是无生命物体有灵魂的证据。

一般来说，古希腊人似乎并没有意识到上面列出的五个类别有任何联系。 希腊实验者观察到带电的琥珀会吸引轻的物体，他们观察到摩擦过的琥珀会产生微弱的电弧。

更详细的分析发生在公元 1600 年，在威廉吉尔伯特的 磁石. 这位英国科学家创造了“electrica”这个词来描述琥珀效应。

在接下来的两个世纪里，包括本杰明·富兰克林在内的科学家们开发了更复杂的二流体和一流体电荷理论。 富兰克林将电想象为存在于所有物质中的无形流体。 他说，是最近发明的 Leydon 罐子里的玻璃储存了累积的电荷。 他认为，将绝缘表面摩擦在一起会导致流体从一个位置移动到另一个位置，从而形成电流。 他说，当物质含有过量的液体时，它带正电，当它含有不足时，它带负电。 他得到了正确的动力学，但在流动方向上是错误的。 直到今天，我们都说电子带有负电荷，尽管它本身并没有负电荷。

1838 年，迈克尔·法拉第开始详细研究电荷。 他观察到电荷是两个物质体之间的关系，因为如果不将相反的电荷传递给另一个物质体，就不可能给一个物体充电。 因此，电荷是电子或其他电荷载流子的不足或过剩。 此外，他得出结论，粒子的正常状态是非极化的。 当极化时，这些粒子往往会返回到它们的非极化状态。

二十年后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到电荷，而不是一种物质，是存在于两种带电物质之间的场中的能量。 我们在电容器的行为中看到了这一点。 电容器由两个带有引线的导电板组成，由称为介电层的薄层非导电材料隔开。 当电压施加到电容器的极板上时，与通常的看法相反，电流不会像在电阻器中那样流过它。 这就是为什么电容器不会散发太多热量，尽管通电时可以在电容器上测量到电压降。 这些能量去哪儿了？ 电荷存储在介电层中，然后，当移除施加的电压时，电压返回连接的电路。 因此，介电层的功能不仅是使板保持分开并使它们彼此电绝缘，而且还存储电荷。 这个过程一直持续到达到平衡状态。 然后，如果施加相反的极性，则电介质放电，然后充电到相反的极性。 如果应用交流电，尤其是高频，这种情况会很快发生。

对于外部观察者来说，这看起来像是电流，但实际上它是存储和释放电荷载流子的介电层。

电感器（线圈）以类似的方式工作，只是能量包含在磁场中的线圈周围和线圈内。 当流向电感器的电流中断时，据说磁场会崩溃，能量会返回到构成线圈的绕组。 当直流电施加到电感器上时，其上会出现一个短暂的高压尖峰，当电压被移除时会出现另一个尖峰。

电荷是量子化的。 它只存在于我们所说的整数倍 e，非常小，等于 1.62 X 10^-19 库仑。 

电荷的单位是库仑。 它被定义为在一秒钟内通过载有一安培电流的电导体上指定点的电荷量。

在电路诊断或原型制作的普通过程中，工作人员很少需要测量电荷，因为它是安培数和电流的积分，并且很容易用安培模式的万用表或钳式电流表测量。 如果必须直接测量电荷，请使用静电计或弹道电流计。

另一个非常基本的电气参数是欧姆。 它是电阻的单位，是任何材料的特性，包括真空，能够传导电荷载流子。

在流行的想象中，当来自电池或发电机等电源的电压施加到导体上时，电子在带负电的一端排列并以光速行进到正端，它们被吸引，然后返回到电源。 实际上，他们的旅程要慢得多，他们的动作更加随机。 它们会与导体中的原子、离子和自由电子发生碰撞。 这构成了电阻，它导致一部分电子被辐射并以热量的形式消散。

正是这个电阻通过万用表在欧姆模式下测量。 电阻由电工和电子技术人员每天测量。 与安培和伏特不同，它不是实时测量。 如果您想测量电路内元件的电阻，例如电梯运动控制器中的印刷电路板，首先要确保设备已断电。 如果电压和/或故障电流足够高，施加到欧姆表引线上的意外电压可能会损坏仪表并伤害用户。 另请注意，带有电解电容器的设备（例如电源）会在断电后很长时间内储存残余电压。 整个机箱还有分布电容之类的东西。 因此，最好使用额定范围内的绝缘切割工具和适当的高压手套（可从亚马逊购买）来切割一根引线。 

物体的电阻 R 是通过它的电压 V 与通过它的电流 I 的比值。 电导 G 是倒数，如以下等式所示：

• R = V / I
• G=I/R
• G = I/V

这些等式构成了欧姆定律。 它们适用于欧姆材料，但不适用于某些设备，例如电池、二极管或变压器，它们具有掩盖欧姆参数的固有特性。

物体的电阻和电导主要由其几何形状和构成材料决定。 几何形状会影响电阻，就像一根又长又细的导线，它比相同材料的短而粗的导线具有更高的电阻。 材料是另一个因素。 电流通过铜线的损耗很小，而在相同粗细和长度的钢丝中损耗较大。 它们的特性范围很广，称为电阻率。 无论电路中的尺寸、形状或配置如何，给定材料的电阻率都是恒定的。 给定相同的电线材料，仓库中一箱电线的电阻率与印刷电路板上短跳线的电阻率相同。 但电阻取决于电阻率、形状和大小。 除了形状、尺寸和电阻率之外，其他因素（例如温度和应变）也会影响电路中导体或设备的电阻，尽管在运动控制器和变速驱动诊断的最基本级别上，这些影响不会必须考虑，除非怀疑有微妙的条件。

大多数相同尺寸、形状和电阻率的物体的电阻是恒定的。 但不同材料的电阻率差异很大。 比如特氟龙这种良好的绝缘体，其电导率为10³⁰ 低于铜。 这是因为绝缘体中的电子被束缚在特定位置，因此无法将电荷从材料的一端带到另一端。 相比之下，金属等导体具有更多的自由电子，这些电子没有与原子结合，但能够自由地穿过原子之间相对广阔的空间。 大多数材料，例如碳，具有中等电阻率。 大多数电阻器是通过将不同比例的碳粉与具有不同电阻率的浆料混合来制造的。

超导体可能是未来的潮流，尤其是在低温外太空。 如果充分冷却，超导体由电阻率接近零（无限电导率）的材料制成。 因此，几乎没有电能消耗，没有明显的损失。 问题在于，此时金属导体必须使用液氦冷却至约 4° K 才能用作超导体。

已开发出可在 77° K 下工作的先进系统。它们与成本低得多的液氮冷却剂一起工作，但材料更昂贵、易碎且易碎的陶瓷，这是不实用的。 由于金属超导体需要难以冷却的冷却剂，尤其是液氦，因此研究人员有很大的动力去发现更好的高温材料，即那些在用户友好的液氮温度下变得超导的材料。

到目前为止，已经发现的是铜氧化物和铁基化合物。 不幸的是，这些材料不适合形成可加工的导体。 一个有前途的领域是超导气体，但到目前为止，这主要是推测性的。

低温超导体用于特殊应用，例如粒子对撞机，这需要大的、极低电阻的导体来为巨大的磁铁提供动力，从而加速粒子前进。