物理第16章第一节电压（电学课程1直流-第12章）

介绍

到目前为止，你应该很清楚导电性和某些类型的材料之间的关系。那些允许自由电子容易通过的材料被称为导线，而那些阻碍自由电子通过的材料被称为绝缘体 .

不幸的是，解释为什么某些材料导电而其他材料不导电的科学理论相当复杂，其根源在于量子力学对电子如何围绕原子核排列的解释。所谓的“电子在行星原子轨道上旋转”的定义与“原子团绕地球旋转”的模型完全相反。相反，它们表现出粒子和波的特性，它们的行为受到原子核周围被称为“壳层”和“次壳层”的不同区域的限制。电子只能在有限的能量范围内占据这些区域，这取决于特定区域以及该区域与其他电子的占用程度。如果电子真的像微小的行星一样被静电吸引围绕着原子核运行，它们的行为也被描述真实行星运动的规律所描述，那么导体和绝缘体之间就不会有真正的区别，原子之间的化学键也不会以现在的方式存在。正是量子物理所描述的电子能量和位置的离散性、“量子化”性质赋予了这些现象规律性。

当一个电子可以在原子核周围自由地呈现出更高的能量状态（由于它位于一个特定的“壳层”中），它就可以自由地脱离原子，并形成穿过该物质的一部分电流。然而，如果施加在电子上的量子限制剥夺了它的自由，那么电子就被认为是“束缚”的，不能脱离（至少不容易）形成电流。前者是典型的导电材料，而后者是典型的绝缘材料。

一些教科书会告诉你，元素的导电性或非导电性完全取决于原子外层“壳层”（称为原子价但在这个简化的电子价表中，任何元素的导电性都会得到证实。当考虑分子的导电性（通过电子活动相互结合的原子的集合）时，情况的真正复杂性将进一步得到揭示。

碳元素就是一个很好的例子，它由导电性差别很大的材料组成：石墨和金刚石。石墨是电的良导体，而钻石实际上是绝缘体（更奇怪的是，它在技术上被归类为半导体在高温下，可能会形成一个纯的或导电的绝缘材料）。石墨和金刚石都由完全相同的原子组成：碳，每个原子有6个质子、6个中子和6个电子。石墨和金刚石的根本区别在于石墨分子是碳原子的扁平群，而金刚石分子是碳原子的四面体（金字塔形）群。

如果碳原子与其他类型的原子结合形成化合物，导电性就会再次改变。碳化硅是硅和碳元素的化合物，表现出非线性行为：其电阻随外加电压的增加而减小！油（如油）是很好的化合物。正如你所见，一个原子中价电子的简单计数是物质导电性的一个很差的指标。

由于原子之间的结合方式，所有金属元素都是电的良导体。由大量金属组成的原子的电子在其允许的能量状态下是如此的不羁，以至于它们在物质的不同原子核之间自由浮动，很容易受到任何电场的激励。事实上，电子是如此的流动，以至于科学家有时把它们描述为电子气或者甚至是电子海原子核在其中休息。这种电子迁移率解释了金属的其他一些共同特性：良好的导热性、延展性和延展性（容易形成不同的形状），纯净时有光泽。

谢天谢地，所有这些背后的物理原理与我们在这里的目的基本无关。只要说一些材料是良导体，一些材料是不良导体，还有一些介于两者之间。现在，只要简单地理解这些区别是由材料组成原子周围的电子的构型决定的就足够了。

让电能按我们的要求运行的一个重要步骤是能够构建电子在可控电阻下流动的路径。同样重要的是，我们能够通过使用绝缘材料来防止电子在我们不希望它们流动的地方流动。然而，并不是所有的导体都是相同的，绝缘体也不是所有的。我们需要了解常见导体和绝缘体的一些特性，并能够将这些特性应用到具体应用中。

几乎所有的导体都有一定的、可测量的电阻（称为超导体绝对没有电阻，但这些不是普通的材料，必须在特殊条件下保持，才能具有超导电性）。通常，我们假设电路中导体的电阻为零，我们期望电流通过导体而不会产生任何明显的电压降。然而，实际上，无论我们是否希望电压降出现在电路的（正常）导电路径上，几乎总是会有电压降：

为了确定这些线的直径，我们必须知道这些线的直径。本章下面的一些章节将详细介绍这一点。

• 回顾：
• 材料中的原子和分子的导电性是由原子的导电性决定的。
• 所有正常导体都有一定的电阻。
• 电子流过有（任何）电阻的导体，会在导体的整个长度上产生一定量的电压降。

导线尺寸

这应该是常识，液体流经大直径管道比流经小直径管道更容易（如果你想要一个实际的例子，试着用不同直径的吸管喝液体）。电子在导体中流动的一般原理是相同的：导体的横截面积（厚度）越大，电子流动的空间就越大，因此，流动就越容易（电阻越小）。

电线的横截面通常是圆形的（尽管有一些特殊的例外），有两种基本类型：实心和绞合。实心铜线和它的发音一样：一根单股的实心铜线，整个铜线的长度。绞合线是由较小的实心铜线绞合在一起形成一个较大的单导线。绞合线最大的好处是它的机械柔韧性，比实心铜更能承受反复的弯曲和扭转（铜容易疲劳和断裂）。

导线尺寸可以用多种方法测量。我们可以说一根电线的直径，但因为它实际上是横截面地区这对电子的流动最为重要，我们最好根据面积来指定导线尺寸。

当然，上面所示的导线横截面图并不是按比例绘制的。直径显示为0.1019英寸。用面积=πr2公式计算截面面积，我们得到0.008155平方英寸的面积：

这些数字相当小，因此导线尺寸通常以千分之一英寸为单位表示，或者 英里.对于所示的示例，我们可以说导线的直径为101.9密耳（0.1019英寸乘以1000）。如果我们愿意，我们也可以用平方密耳来表示导线的面积，用同样的圆面积公式计算，面积=πr2：

然而，电工和其他经常关心电线尺寸的人使用另一种专门为电线的圆形横截面定制的面积测量单位。这个特殊的单位叫做圆形密耳（有时简称 cmil公司). 使用这种特殊计量单位的唯一目的是消除使用系数π（3.1415927…）的必要性在计算面积的公式中，加上需要画线半径当你被给予直径. 计算圆导线圆密耳面积的公式非常简单：

因为这是地区测量时，2的数学幂仍然有效（加倍圆的宽度将总是四倍于它的面积，不管使用什么单位，或者圆的宽度是用半径或直径来表示的）。为了说明以平方密尔为单位的测量值与以圆形密尔为单位的测量值之间的差异，我将比较一个圆和一个正方形，在两个单位测量值中显示每个形状的面积：

对于另一种尺寸的电线：

显然，给定直径的圆的横截面积小于宽度和高度等于圆直径的平方：两个面积测量单位都反映了这一点。然而，应该清楚的是，“平方米”的单位是为了方便地确定一个正方形的面积而量身定制的，而“圆密耳”则是为了方便地确定一个圆的面积而量身定制的：每一个单位的公式都比较简单。必须理解的是，这两个单位都是有效的测量面积的形状，无论是什么形状。圆密耳和平方密耳的转换是一个简单的比率：有π（3.1415927…）每4个圆密耳为平方密耳。

另一种测量导线横截面积的方法是测量. 仪表刻度是基于整数而不是小数或十进制英寸。规格号越大，导线越细；规格号越小，导线越粗。对于那些熟悉猎枪的人来说，这个反比例的测量尺度听起来应该很熟悉。

本节末尾的表格将量规等同于英寸直径、圆形密耳和实心导线的平方英寸。较大尺寸的导线达到普通轨距刻度的末端（其值自然为1），并由一系列零表示。”“3/0”是表示“000”的另一种方式，发音为“triple hould”。同样，熟悉猎枪的人应该认识这个术语，尽管听起来很奇怪。更令人困惑的是，世界上有不止一种规格的“标准”。对于导线尺寸美国线规（AWG），也称为布朗-夏坡线规（B&S）仪表，是首选的测量系统。在加拿大和英国英国标准线规（SWG）是电导体的法定测量系统。世界上还存在其他线规系统，用于对钢丝直径进行分类，例如树桩钢丝绳规钢制音乐线规但这些测量系统适用于非电线的使用。

美国线规（AWG）测量系统，尽管有其奇怪之处，但其设计目的是：在线规刻度上每三步，导线面积（和单位长度重量）大约翻倍。这是一个方便的规则，要记住，当作出粗略的电线尺寸估计！

为非常大导线尺寸（大于4/0），导线规格系统通常被放弃用于以数千圆密耳（MCM）为单位的横截面积测量，借用古罗马数字“M”来表示“圆密尔”的“CM”前面的“千”的倍数。下表中的导线尺寸未显示任何大于4/0线规的尺寸，因为固体铜线在这种尺寸下处理变得不切实际。相反，绞合线结构更受青睐。

实心铜线表：在下面

实心铜线表：

大小	直径	横截面	面积	重量
AWG	英寸	大约英里	平方英寸	磅/1000英尺
4/0	0.4600	211,600	0.1662	640.5
3/0	0.4096	167,800	0.1318	507.9
2/0	0.3648	133,100	0.1045	402.8
1/0	0.3249	105,500	0.08289	319.5
1	0.2893	83,690	0.06573	253.5
2	0.2576	66,370	0.05213	200.9
3	0.2294	52,630	0.04134	159.3
4	0.2043	41,740	0.03278	126.4
5	0.1819	33,100	0.02600	100.2
6	0.1620	26,250	0.02062	79.46
7	0.1443	20,820	0.01635	63.02
7	0.1443	20,820	0.01635	63.02
8	0.1285	16,510	0.01297	49.97
9	0.1144	13,090	0.01028	39.63
10	0.1019	10,380	0.008155	31.43
11	0.09074	8,234	0.006467	24.92
12	0.08081	6,530	0.005129	19.77
13	0.07196	5,178	0.004067	15.68
14	0.06408	4,107	0.003225	12.43
15	0.05707	3,257	0.002558	9.858
16	0.05082	2,583	0.002028	7.818
17	0.04526	2,048	0.001609	6.200
18	0.04030	1,624	0.001276	4.917
19	0.03589	1,288	0.001012	3.899
20	0.03196	1,022	0.0008023	3.092
21	0.02846	810.1	0.0006363	2.452
22	0.02535	642.5	0.0005046	1.945
23	0.02257	509.5	0.0004001	1.542
23	0.02257	509.5	0.0004001	1.542
24	0.02010	404.0	0.0003173	1.233
25	0.01790	320.4	0.0002517	0.9699
26	0.01594	254.1	0.0001996	0.7692
27	0.01420	201.5	0.0001583	0.6100
28	0.01264	159.8	0.0001255	0.4837
29	0.01126	126.7	0.00009954	0.3836
30	0.01003	100.5	0.00007894	0.3042
31	0.008928	79.70	0.00006260	0.2413
32	0.007950	63.21	0.00004964	0.1913
33	0.007080	50.13	0.00003937	0.1517
34	0.006305	39.75	0.00003122	0.1203
35	0.005615	31.52	0.00002476	0.09542
36	0.005000	25.00	0.00001963	0.07567
37	0.004453	19.83	0.00001557	0.06001
38	0.003965	15.72	0.00001235	0.04759
39	0.003531	12.47	0.000009793	0.03774
40	0.003145	9.888	0.000007766	0.02993
41	0.002800	7.842	0.000006159	0.02374
42	0.002494	6.219	0.000004884	0.01882
43	0.002221	4.932	0.000003873	0.01493
44	0.001978	3.911	0.000003072	0.01184

对于一些大电流应用，要求导线尺寸超出圆导线的实际尺寸限制。在这种情况下，厚实金属棒称为母线用作导体。母线通常由铜或铝制成，并且通常不绝缘。他们是物理上支持远离任何框架或结构是持有他们绝缘体防震台。虽然方形或矩形的横截面对于母线形状非常常见，但也可以使用其他形状。母线的横截面积通常按圆形密尔（即使是方形和矩形母线！），最有可能是为了方便能够直接将母线尺寸与圆导线相等。

• 回顾：
• 电子通过大直径导线比小直径导线更容易流动，因为它们有更大的横截面积来移动。
• 通常使用“mil”（1/1000英寸）单位，而不是以英寸为单位测量小导线尺寸。
• 导线的横截面积可以用平方单位（平方英寸或平方密耳）、圆形密耳或“规格”刻度表示。
• 计算圆形导线的平方单位导线面积涉及圆面积公式：
• 计算圆形金属丝的圆密耳线面积要简单得多，因为“圆密耳”的单位仅用于此目的：消除公式中的“pi”和d/2（半径）因素。
• 每4个圆密耳有π（3.1416）平方密耳。
• 这个测量导线尺寸系统是基于整数，较大的数字表示较小面积的导线，反之亦然。厚度大于1规格的导线用0表示：0、00、000和0000（表示“单应力”、“双倍应力”、“三倍应力”和“四倍应力”
• 超大导线尺寸的额定值为数千个圆形密耳（MCM），典型用于母线和尺寸超过4/0的导线。
• 母线是在大电流电路结构中使用的铜或铝实心棒。与母线的连接通常是焊接或螺栓连接的，母线通常是裸露的（未绝缘的），通过使用绝缘压铆螺母柱支撑在远离金属框架的地方。

导体载流量

导线越小，任何给定长度的电阻就越大，所有其他因素都相等。电阻越大的导线在任何给定的电流下都会散发出更多的热能，功率等于P=I2R

电阻的耗散功率以热的形式表现出来，过热会损坏电线（更不用说电线附近的物体了！）特别是考虑到大多数电线都是用塑料或橡胶涂层绝缘的，这样会熔化和燃烧。因此，在其他因素相同的情况下，细线比粗线承受的电流要小。导体的载流极限被称为载流量 .

主要出于安全考虑，美国国内已制定了某些电气布线标准，并在国家电气规范（NEC）中进行了规定。典型的NEC电线载流量表将显示不同尺寸和应用的电线的允许最大电流。虽然铜的熔点理论上对导线载流量有限制，但通常用于绝缘导线的材料在远低于铜熔点的温度下熔化，因此实际载流量额定值是基于热极限绝缘层的. 由于导线电阻过大而导致的电压下降也是确定电路中所用导线尺寸的一个因素，但通过更复杂的方法（我们将在本章中介绍）更好地评估这种考虑。例如，从NEC列表派生的表格如下所示：

铜线载流量：在下面

铜线载流量，在自由空气中为30oC：

		绝缘类型：
	RUW，T	THW，THWN	FEP、FEPB
	TW公司	鲁	THHN，XHHW公司
大小	电流额定值	电流额定值	电流额定值
AWG	@60摄氏度	@75摄氏度	@90摄氏度
20	*9		*12.5
18	*13		18
16	*18		24
14	25	30	35
12	30	35	40
10	40	50	55
8	60	70	80
6	80	95	105
4	105	125	140
2	140	170	190
1	165	195	220
1/0	195	230	260
2/0	225	265	300
3/0	260	310	350
4/0	300	360	405

* = 估计值；通常情况下，这些小导线尺寸不是用上述这些绝缘类型制造的。 .

同一型号导线的载流容量差异较大。这也是由于热极限（60o , 75o , 90o)每种绝缘材料

这些载流量额定值是针对“自由空气”（最大典型空气循环）中的铜导线给出的，而不是放置在导管或线槽中的导线。正如您将注意到的，该表未能指定小导线尺寸的载流容量。这是因为NEC主要关注的是电源线（大电流、大导线），而不是小电流电子工作中常见的电线。

用于识别导体类型的字母序列中有含义，这些字母通常指导体绝缘层的特性。这些字母中的一些表示导线的个别特性，而另一些只是缩写。例如，字母“T”本身的意思是“热塑性”作为绝缘材料，如“TW”或“THHN”。然而，三个字母的组合“MTW”是机床导线一种电线，其绝缘材料制成柔性，可用于发生重大运动或振动的机器。

电线绝缘规范：在下面

实心铜线表：

代码	绝缘材料
C	棉花
FEP	氟化乙烯丙烯
MI	矿物（氧化镁）
PFA	全氟醇
R	橡胶（有时是氯丁橡胶）
S	硅橡胶
SA	硅石棉
T	热塑性塑料
TA	热塑性石棉
TFE	聚四氟乙烯（“聚四氟乙烯”）
X	交联合成聚合物
Z	改性乙烯四氟乙烯
	热额定值
H	75摄氏度
HH	90摄氏度
	外壳（“护套”）
N	尼龙
	特殊使用条件
U	地下
W	湿的
-2	90摄氏度潮湿

因此，“THWN”导线T热塑性绝缘H耐75o摄氏度，额定温度Wet条件，并附带一个Nylon外套

像这样的字母代码只用于家庭和企业中使用的通用电线。对于大功率应用和/或恶劣的工作条件，导体技术的复杂性难以根据几个字母代码进行分类。架空电力线导线通常是裸金属，由玻璃、陶瓷或陶瓷支架（称为绝缘体）悬挂在塔架上。即便如此，承受静态（自重）和动态（风）负载的物理力的电线的实际结构可能很复杂，多层不同类型的金属缠绕在一起形成一个导体。大型地下电力导线有时用纸绝缘，然后用一根装满加压氮气或油的钢管密封，以防进水。这种导体需要支撑设备来维持整个管道的流体压力。

其他绝缘材料也可用于小规模应用。例如，用来制造电磁铁的小直径导线（通过电子流产生磁场的线圈）通常被一层薄薄的搪瓷绝缘。搪瓷是一种极好的绝缘材料，而且非常薄，可以在一个小空间里绕成许多圈的电线。

• 回顾：
• 导线电阻在工作电路中产生热量。这种热量有潜在的着火危险。
• 细导线的允许电流（“载流量”）比粗导线低，这是因为它们单位长度的电阻更大，因此单位电流产生的热量也更大。
• 国家电气规范（NEC）根据允许的绝缘温度和电线应用规定了电力布线的载流容量。

保险丝

通常情况下，导体的载流量额定值是一个绝不能故意超过的电路设计极限，但也有一种应用在预期载流容量超过的情况下：保险丝 .

保险丝只不过是一根短导线，设计成在电流过大时熔化和分离。保险丝总是与被保护部件串联，以防过电流，因此当保险丝打击（断开）它将断开整个电路并停止通过部件的电流。熔丝连接在并联电路的一个支路上，当然不会影响通过其他支路的电流。

一般情况下，薄的一段熔丝包含在一个安全护套内，以最大限度地减少电弧爆炸的危险，如果电线被猛烈的力量烧开，可能会发生严重的过电流。在小型汽车保险丝的情况下，护套是透明的，以便可以目视检查易熔元件。住宅布线通常采用螺旋式保险丝，保险丝体为玻璃体，中间有一条薄而窄的金属箔带。显示两种类型保险丝的照片如下所示：

筒式熔断器在汽车应用中很流行，在用玻璃以外的护套材料制造的工业应用中也很流行。当保险丝的额定电流超过额定值时，保险丝通常被设计成“断路”。这意味着它们将被插入某种类型的保持架中，而不是直接焊接或螺栓连接到电路导体上。以下是一张多保险丝座中的一对玻璃管保险丝的照片：

保险丝由弹簧金属夹固定，夹子本身与电路导线永久连接。保险丝座的基材（或保险丝盒他们有时被称为）被选为一个良好的绝缘体。

另一种筒式熔断器的保险丝座通常用于安装在设备控制面板中，此处需要隐藏所有电气接触点，以防人与人接触。与刚刚显示的保险丝盒不同，所有金属夹都裸露在外，这种类型的保险丝座将保险丝完全封闭在一个绝缘外壳中：

目前，在大电流电路中，最常用的过电流保护装置是断路器. 断路器是专门设计的开关，在过电流情况下自动断开以停止电流。小型断路器，如用于住宅、商业和轻工业的断路器是热操作的。它们包含一个双金属片（由两种金属背对背连接而成的细条）携带电路电流，加热时会弯曲。当双金属条产生足够的力时（由于金属条的过电流加热），跳闸机构启动，断路器将打开。较大的断路器由断路器内载流导体产生的磁场强度自动启动，或由监控电路电流的外部设备触发跳闸（这些设备称为保护继电器 ).

因为断路器在过电流条件下不会发生故障——相反，它们只会断开，并且可以通过移动控制杆重新闭合——它们更容易被发现以比保险丝更持久的方式连接到电路上。小断路器的照片如下所示：

从外观上看，它只不过是一个开关。事实上，它可以这样使用。然而，它的真正功能是作为过电流保护装置运行。

需要注意的是，有些汽车使用的是易熔线对于电池充电电路中的过电流保护，由于适当额定值的保险丝和支架的费用。在任何情况下，绝缘的金属丝都不会比绝缘的金属丝更容易熔断。这种粗制滥造和潜在危险的设备从未用于工业甚至住宅用电，主要是因为遇到了更高的电压和电流水平。就作者而言，它们甚至在汽车电路中的应用也是值得怀疑的。

保险丝的电气原理图符号为S形曲线：

正如人们所料，保险丝的主要额定值是电流单位：安培。尽管它们的工作依赖于在过电流条件下通过保险丝自身的电阻产生热量，但它们的设计目的是为其保护的电路提供可忽略不计的额外电阻。这在很大程度上是通过使保险丝尽可能短来实现的。正如普通电线的载流量与长度无关（10规格的实心铜线在自由空气中能承受40安培的电流，不管它是长是短），某种材料和规格的保险丝无论多长都会在一定电流下熔断。由于长度不是电流额定值的一个因素，长度越短，端到端电阻越小。

然而，保险丝设计者还必须考虑保险丝熔断后会发生什么：曾经连续的电线的熔化端将被一个气隙隔开，两端之间的供电电压是满的。如果高压电路上的保险丝制作时间不够长，火花可能会从熔化的电线一端跳到另一端，从而再次完成电路：

因此，保险丝的额定值取决于其电压容量以及熔断时的电流水平。

一些大型工业保险丝采用可更换的导线元件，以降低成本。保险丝的主体是一个不透明的，可重复使用的墨盒，用于保护保险丝导线不受暴露，并保护周围物体不受保险丝的影响。

保险丝的额定电流比一个数字更重要。如果一个35安培的电流通过一个30安培的保险丝，它可能会突然熔断或在熔断前延迟，这取决于其设计的其他方面。有些保险丝的设计目的是非常快速地熔断，而另一些保险丝的设计则是为了更适度的“打开”时间，或者甚至根据应用情况延迟动作。后一种保险丝有时被称为慢吹由于其故意的延时特性。

慢熔断保险丝应用的一个典型例子是电动机保护，其中涌流每次电机从止动块启动时，通常会出现高达正常工作电流十倍的电流。如果在这样的应用中使用快速熔断保险丝，电机将永远无法启动，因为正常的涌入电流水平会立即熔断保险丝！慢熔熔断器的设计使得熔丝元件的质量（但载流量不大于等效的快燃式熔断器）更大，这意味着在任何给定的电流量下，它的加热速度会慢一些（但达到相同的极限温度）。

在引信作用谱的另一端，有所谓的半导体熔断器设计用于在过电流情况下快速打开。特别是在高电流条件下，如半导体器件的过电流保护。

保险丝总是放在“热负载”的一侧。这样做的目的是在保险丝断开后，负载在各方面完全断电。要了解熔合负载的“热”侧与“中性”侧之间的差异，请比较这两个电路：

在这两种情况下，保险丝成功地中断了对负载的电流，但较低的电路无法中断从负载两侧到地面（可能有人站立）的潜在危险电压。第一种电路设计更安全。

如前所述，熔断器并不是唯一的过电流保护装置。被称为断路器的类似开关的装置经常（而且更常见）用于打开电流过大的电路，它们之所以受欢迎是因为它们不会像保险丝那样在断开电路的过程中自毁。在任何一种情况下，都要按照上述保险丝保护电路的规定进行不接地

尽管在电路中设置过电流保护装置可以确定电路在各种条件下的相对电击危险，但必须理解的是，这些装置从来不是用来防止电击的。保险丝和断路器都不是设计用来在人员受到电击时打开的；相反，它们只在潜在导体过热的情况下打开。过电流装置主要保护电路导线不受过热损坏（以及与过热导线有关的火灾危险），其次是保护特定设备，如负载和发电机（一些快速熔断器设计用于保护特别易受电流浪涌影响的电子设备）。由于触电或触电死亡所需的电流水平远低于普通电力负荷的正常电流水平，过电流状态并不表示电击发生。还有其他设计用于检测某些冲击情况的装置（接地故障探测器最为流行），但这些装置严格地满足了这一目的，与保护导线免受过热无关。

• 回顾：
• A保险丝是一种小而薄的导体，设计用来熔化并分离成两段，以便在电流过大时断开电路。
• A断路器是一种特殊设计的开关，在过电流情况下自动断开以中断电路电流。根据断路器的设计、尺寸和应用，它们可以通过热、磁场或称为“保护继电器”的外部设备“跳闸”（打开）。
• 熔断器的额定值主要是根据最大电流，但也根据其在中断电路后能安全承受的电压降而定。
• 保险丝可以设计成在相同的最大电流水平下快速、缓慢或介于两者之间的任何位置。
• 在接地电力系统中安装保险丝的最佳位置是在通向负载的未接地导体路径上。这样，当保险丝熔断时，只有接地（安全）导线仍连接到负载上，使周围的人更安全。

比电阻

导体载流量额定值是根据电流产生火灾危险的可能性对电阻的粗略评估。然而，我们可能会遇到这样的情况：电路中的导线电阻产生的电压降除了防火之外，还引起了其他问题。例如，我们可能正在设计一个电路，在这个电路中，一个元件的电压是至关重要的，并且不能低于某个极限。如果是这种情况，由于导线电阻引起的电压降可能会导致工程问题，同时又处于载流容量的安全（火灾）限值内：

如果上述电路中的负载不能承受低于220伏的电压，给定230伏的电源电压，那么我们最好确保线路沿途电压降不超过10伏。计算此电路的电源和回路导线，沿每条导线的长度可容许的最大压降为5伏。利用欧姆定律（R=E/I），我们可以确定每根导线的最大允许电阻：

我们知道每根导线的导线长度是2300英尺，但是如何确定特定尺寸和长度的导线的电阻值？为此，我们需要另一个公式：

这个公式将导体的电阻与其比电阻（希腊字母“rho”（ρ，看起来类似于小写字母“p”）、长度（“l”）和横截面积（“a”）联系起来。注意，当长度变量位于分数顶部时，阻力值随着长度的增加而增加（类似：迫使液体通过长管比短管更困难），并且随着横截面积的增加而减小（类似：液体流经粗管比流过细管更容易）。比电阻是被计算导体材料类型的常数。

几种导电材料的比电阻见下表。我们在表的底部发现铜，在比电阻低（导电性好）方面仅次于银：

比电阻表：在下面

20时的比电阻oC：

材料	元素/合金	（欧姆cmil/ft）	（欧姆-cm-10 -6 )
镍铬合金	合金	675	112.2
镍铬合金	合金	650	108.1
锰铜	合金	290	48.21
康斯坦坦	合金	272.97	45.38
钢*	合金	100	16.62
铂金	元素	63.16	10.5
铁	元素	57.81	9.61
镍	元素	41.69	6.93
锌	元素	35.49	5.90
钼	元素	32.12	5.34
钨	元素	31.76	5.28
铝	元素	15.94	2.650
黄金	元素	13.32	2.214
铜	元素	10.09	1.678
银	元素	9.546	1.587

* = 铁含量为99.5%，碳含量为0.5%的钢合金

请注意，上表中的比电阻值是以非常奇怪的单位“ohms cmil/ft”（Ω-cmil/ft）给出的，这个单位表示我们期望在电阻公式中使用的单位（R=ρl/A）。在这种情况下，当以英尺为单位测量长度和以圆密耳为单位测量横截面积时，将使用这些特定电阻的数字。

比电阻的公制单位是欧姆表（Ω-m）或欧姆厘米（Ω-cm），单位为1.66243x10 -9 O米/O-cmil/ft（1.66243 x 10 -7Ω-cm/Ω-cmil/ft）。在表中Ω-cm一栏中，由于数值非常小，实际按µΩ-cm缩放。例如，铁被列为9.61µΩ-cm，可以表示为9.61 x 10 -6 O-cm

在R=ρl/A公式中，用Ω-米单位表示比电阻时，长度以米为单位，面积以平方米为单位。在同一公式中使用Ω-厘米（Ω-厘米）单位时，长度以厘米为单位，面积以平方厘米为单位。

所有这些比电阻单位适用于任何材料（Ω-cmil/ft、Ω-m或Ω-cm）。然而，在处理圆导线时，人们可能更喜欢使用Ω-cmil/ft，因为圆导线的横截面积已经以圆密耳表示。相反，当处理异形母线或从金属坯料中切下的定制母线时，如果只知道长度、宽度和高度的线性尺寸，则Ω-米或Ω-cm的具体电阻单位可能更合适。

回到我们的示例电路，我们在寻找2300英尺长的电阻小于等于0.2Ω的导线。假设我们将使用铜线（制造的最常见的电线类型），我们可以将公式设置为：

代数求解A，得到了116035个圆密耳。参考我们的实心导线尺寸表，我们发现133100 cmils的“双应”（2/0）导线是足够的，而下一个较低尺寸的“单应”（1/0）导线在105500 cmils处太小。请记住，我们的电路电流是适度的25安培。根据我们的自由空气中铜线的载流容量表，14号线就足够了（只要不引发火灾）。然而，从电压降的角度来看，14号线是不可接受的。

只是为了好玩，让我们看看14线规的电线会对我们的电源电路的性能造成什么影响。看看我们的导线尺寸表，我们发现14号导线的横截面积为4107圆密耳。如果我们仍然使用铜作为导线材料（一个不错的选择，除非我们真正地有钱，买得起4600英尺的14号银线！），则比电阻仍为10.09Ω-cmil/ft：

记住，这是5.651Ω每2300英尺的14号铜线，我们有两个2300英尺的线路，所以每个电路中的导线片的电阻为5.651Ω：

我们的总电路线电阻是5.651或11.301Ω的2倍。不幸的是，这是远的电阻过大，在230伏的电源电压下不允许25安培的电流。即使我们的负载电阻是0Ω，11.301Ω的布线电阻也会将电路电流限制在20.352安培！正如你所看到的，一个“小”量的导线电阻会对电路性能产生很大的影响，特别是在电流比通常在电子电路中遇到的电流高得多的电源电路中。

让我们来做一个自定义切割母线的电阻问题的例子。假设我们有一块4厘米宽，3厘米高，125厘米长的实心铝条，我们想沿着长尺寸（125厘米）来计算端到端电阻。首先，我们需要确定钢筋的横截面积：

我们还需要知道铝的比电阻，在适用的单位（Ω-cm）。从我们的电阻率表中，我们可以看到这是2.65×10 -6Ω-cm. 通过R=ρl/A公式，我们得到：

如你所见，母线的厚度非常与标准导线尺寸相比，电阻较低，即使使用比电阻更大的材料。

测定母线电阻的程序与测定圆导线电阻的程序没有根本区别。我们只需要确保横截面积计算正确，并且所有的单位都应该相互对应。

• 回顾：
• 导体电阻随长度的增加而增加，随横截面积的增加而减小，所有其他因素相同。
• 比电阻（“ρ”）是任何导电材料的一种特性，在这个公式中，给定长度和面积时，用来确定导体端到端电阻的数字：R=ρl/a
• 材料的比电阻单位为Ω-cmil/ft或Ω-米（公制）。这两个单位之间的换算系数为1.66243 x 10-9Ω-米/Ω-厘米/英尺，或1.66243 x 10-7Ω-厘米/Ω-厘米/厘米/英尺。
• 如果电路中的布线电压降非常关键，则在选择导线尺寸之前，必须对导线进行精确的电阻计算。

电阻温度系数

你可能已经注意到，在表中，对于特定的电阻，所有的数值都是在20的温度下指定的o摄氏度。如果你怀疑这意味着一种材料的比电阻会随温度而变化，那你是对的！

在特定电阻表中，除标准温度（通常规定为20℃）以外的任何温度下，导线的电阻值必须通过另一个公式确定：

“α”（α）常数被称为电阻温度系数，并表示每度温度变化的电阻变化系数。就像所有的材料都有一定的比电阻（20oC） ，他们也改变根据温度一定量的电阻。对于纯金属，这个系数是一个正数，意味着电阻增加随着温度的升高。对于碳、硅和锗元素，这个系数是负数，意味着电阻减少随着温度的升高。对于某些金属合金，电阻的温度系数非常接近于零，这意味着电阻几乎不会随温度的变化而变化（如果你想用金属丝制造精密电阻，这是一个很好的特性！）。下表给出了几种常见金属（纯金属和合金）的电阻温度系数：

温度系数表：在下面

每摄氏度的温度系数（α）：

材料	元素/合金	温度系数
镍	元素	0.005866
铁	元素	0.005671
钼	元素	0.004579
钨	元素	0.004403
铝	元素	0.004308
铜	元素	0.004041
银	元素	0.003819
铂金	元素	0.003729
黄金	元素	0.003715
锌	元素	0.003847
钢*	合金	0.003
镍铬合金	合金	0.00017
镍铬合金	合金	0.00013
锰铜	合金	0.000015
康斯坦坦	合金	±0.000074

* = 含铁99.5%，含碳0.5%的不锈钢合金

让我们看一个电路示例，看看温度如何影响导线电阻，进而影响电路性能：

该电路在标准温度下的总导线电阻（导线1导线2）为30Ω。建立一个电压、电流和电阻值的表格，我们得到：

在20℃时，我们在负载上得到12.5伏电压，在导线电阻上总共下降了1.5伏（0.75 0.75）。如果温度上升到35℃，我们可以很容易地确定每根导线的电阻变化。假设使用铜线（α=0.004041），我们得到：

重新计算电路值，我们可以看到温度升高会带来什么变化：

正如你所看到的，由于温度升高，负载上的电压下降（从12.5伏下降到12.42伏），导线上的电压降上升（从0.75伏上升到0.79伏）。尽管这些变化看起来很小，但对于在发电厂和变电站、变电站和负荷之间绵延数英里的输电线路来说，它们可能意义重大。事实上，电力公司在计算允许的系统负荷时，经常要考虑到季节性温度变化引起的线路电阻变化。

• 回顾：
• 大多数导电材料的比电阻随温度的变化而变化。这就是为什么比电阻的数值总是在标准温度下规定的（通常为20℃或者25℃）
• 每摄氏度温度变化的电阻变化系数称为电阻温度系数. 这个因子由希腊语小写字母“alpha”（α）表示。
• 材料的正系数意味着它的电阻随温度的升高而增加。纯金属通常具有正的电阻温度系数。通过合金化某些金属可以得到接近零的系数。
• 材料的负系数意味着它的电阻随温度的升高而降低。半导体材料（碳、硅、锗）通常具有负的电阻温度系数。
• 在下表a中，除a外的其他电阻公式用于确定导体的电阻：

超导电性

当冷却到超低温（接近绝对零度，约-273）时，导体失去所有电阻o摄氏度）。必须理解的是，超导性不仅仅是大多数导体随着温度的降低逐渐失去电阻的趋势的外推，而是电阻率从有限到无的突然量子跃迁。超导材料的电阻绝对为零，而不仅仅是一些小电阻 .

1911年，荷兰莱顿大学的H.Kamerlingh-Onnes首次发现了超导电性。就在三年前，也就是1908年，奥尼斯发明了一种液化氦气的方法，这种方法提供了一种介质，可以将实验对象冷却到绝对零度以上几度。他决定研究当水银冷却到这个低温时电阻的变化，发现它的电阻降到了没有什么刚好低于氦的沸点

关于超导材料究竟是如何和为什么超导体存在一些争论。有一种理论认为电子群聚在一起并成对移动（称为库珀对)在超导体中，而不是独立运动，这与它们的无摩擦流动有关。有趣的是，另一种超低温现象，过剩，发生在某些液体（特别是液氦）中，导致分子无摩擦流动。

超导电性为电路提供了非凡的能力。如果能完全消除导体电阻，电力系统就不会因杂散电阻而造成功率损耗或效率低下。电动机几乎可以完全（100%）高效。电容器和电感器等元件的理想特性通常会被固有的线电阻破坏，在实际意义上可以使其成为理想元件。已经有一些实用的超导导体、电机和电容器已经开发出来，但由于维持超冷温度所固有的实际问题，目前它们的使用受到限制。

超导体从正常导电转变为超导的临界温度被称为转变温度. “经典”超导体的转变温度在低温范围内（接近绝对零度），但在开发高温超导体方面已经取得了很大进展。一种是钇、钡、铜和氧的陶瓷混合物，在相对温和的-160温度下转变o摄氏度。理想情况下，超导体应该能够在环境温度范围内工作，或者至少在便宜的制冷设备范围内工作。

一些常见物质的临界温度如下表所示。温度以开尔文表示，其增量范围与摄氏度相同（增加或减少1开尔文等于1的温度变化量o摄氏度），仅偏移0 K为绝对零。这样，我们就不必处理很多负面数据了。

临界温度，超导体在下面

临界温度，单位为开尔文

材料	元素或合金	临界温度（K）
铝	元素	1.20
镉	元素	0.56
铅	元素	7.2
水银	元素	4.16
铌	元素	8.70
钍	元素	1.37
锡	元素	3.72
钛	元素	0.39
铀	元素	1.0
锌	元素	0.91
铌/锡	合金	18.1
硫化铜	化合物	1.6

超导材料也以有趣的方式与磁场相互作用。当处于超导状态时，超导材料将倾向于排除所有磁场，这种现象被称为迈斯纳效应. 然而，如果磁场强度超过临界值，超导材料将变成非超导材料。换言之，如果暴露在太强的磁场中，超导材料将失去其超导性（无论你使它们多冷）。事实上任何磁场倾向于降低任何超导材料的临界温度：磁场越大，在材料超导体之前，你必须使它越冷。

这是电路设计中对超导体的另一个实际限制，因为电流通过任何导体都会产生磁场。即使超导导线的电阻为零以对抗电流，仍然会有限制由于临界磁场的限制，实际能通过多少电流。

超导体已经有一些工业应用，特别是最近（1987年）出现了钇钡铜氧陶瓷，它只需要液氮冷却，而不是液氦。甚至可以从教育供应商那里订购超导套件，这些套件可以在高中实验室中操作（不包括液氮）。典型的情况是，这些装置通过迈斯纳效应表现出超导性，在半空中悬浮一个小磁铁，在一个由液氮浴冷却的超导圆盘上。

超导电路提供的零电阻导致了独特的后果。在超导短路中，可以在零电压下无限期地保持大电流！

实验证明超导材料环可以在没有外加电压的情况下维持连续电流数年。据任何人所知，在超导电路中，无辅助电流可以维持多久的理论时间限制。如果你认为这是一种永动机，你是对的！与普遍的看法相反，没有物理定律禁止永动机；相反，这一禁令反对任何产生超过其消耗的能量的机器或系统（即过于统一设备）。充其量，所有的永动机（比如超导环）都是有好处的商店能量，不是生成它是自由的！

超导体也提供了一些奇怪的可能性与欧姆定律无关。其中一种可能性是建造一种叫做约瑟夫森结的装置，它充当某种继电器，用另一种电流控制一个电流（当然没有运动部件）。约瑟夫森结的小尺寸和快速开关时间可能导致新的计算机电路设计：使用半导体晶体管的替代品。

• 回顾：
• 超导体是电阻绝对为零的材料。
• 所有目前已知的超导材料都需要冷却到远低于环境温度的超导体。这样做的最高温度被称为转变温度 .

绝缘子击穿电压

绝缘材料中的原子有非常紧密的电子束缚，很好地抵抗自由电子流。然而，绝缘体不能抵抗无限量的电压。施加足够的电压，任何绝缘材料最终会屈服于电“压力”而产生电子流。然而，与导体中电流与外加电压成线性比例（给定固定电阻）的情况不同，通过绝缘体的电流是非常非线性的：对于低于某个阈值的电压，几乎没有电子流动，但如果电压超过该阈值，则会出现电流冲击。

一旦电流通过绝缘材料，崩溃这种物质的分子结构已经发生了变化。击穿后，材料可能会或可能不再是绝缘体，分子结构已因破裂而改变。在击穿过程中，电子在绝缘介质中流动，通常会出现局部“击穿”。

绝缘材料的厚度在决定其击穿电压方面起着重要作用，也称为介电强度. 比介电强度有时以伏特每密耳（1/1000英寸）或千伏每英寸（这两个单位相等）列出，但在实践中，人们发现击穿电压和厚度之间的关系并不完全是线性的。三倍厚的绝缘体的介电强度略小于3倍。然而，对于粗略的估计使用，伏特每厚度额定值是好的。

介电强度：在下面

介电强度（千伏/英寸）（kV/in）：

材料*	介电强度
真空	20
空气	20 to 75
磁器	40 to 200
石蜡	200 to 300
变压器油	400
胶木	300 to 550
橡胶	450 to 700
虫胶	900
纸类	1250
特氟龙	1500
玻璃	2000 to 3000
云母	5000

* = 所列材料是专门为电气用途准备的,在上面 .

• 回顾：
• 在足够高的外加电压下，电子可以从绝缘材料的原子中释放出来，从而产生电流通过绝缘材料。
• 通过强迫电流通过绝缘体来“破坏”绝缘体所需的最小电压称为击穿电压，或介电强度 .
• 绝缘材料越厚，击穿电压越高，其他因素都相同。
• 比介电强度通常以两个等效单位之一额定：伏每密耳或千伏每英寸。

数据

元素材料（非合金）的比电阻和温度系数表是根据78中的数字得出的第版本化学物理手册 .

超导体临界温度表是根据21st体积科里尔百科全书 , 1968.

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