第1章　電工基礎

1.1　電與磁

1.1.1　電的特性

如圖1-1所示，電有同性相斥、異性相吸的特性。

劃重點

1　當使用帶正電的玻璃棒靠近帶正電的軟木球時會相互排斥。

2　當使用帶負電的橡膠棒靠近帶正電的軟木球時會相互吸引。

多說兩句!

當一個物體與另一個物體相互摩擦時，其中一個物體會失去電子而帶正電荷，另一個物體會得到電子而帶負電荷。這里所說的電是靜電。帶電物體所帶電荷的數量被稱為電量，用Q表示。電量的單位是庫侖。1庫侖相當于6.24146×1018個電子所帶的電量。

電可分為直流電和交流電。

電流是單位時間內通過導體橫截面的電量，用符號I或i(t)表示。

圖1-2為電流的基本概念和相關知識。

劃重點

1　電流方向與電子的移動方向相反。

2　電流是由自由電子的定向移動形成的。電流的方向為正電荷的移動方向。

圖1-3為電壓的基本概念和相關知識。

1　電壓是單位正電荷受電場力的作用從A點移動到B點所做的功。

2　電壓的方向為高電位指向低電位。

一般電池、蓄電池等可產生直流電，即電流的大小和方向不隨時間變化，記為DC或dc，如圖1-4所示。

1　在直流電路中，直流電壓的大小及方向都不隨時間變化，用大寫字母U表示。

2　在直流電路中，直流電流I與時間t的關系在I－t坐標系中為一條與時間軸平行的直線。

圖1-5為交流電的特性。交流電流的大小和方向隨時間的變化而變化，用AC或ac表示。

劃重點

在交流電路中，交流電流的大小和方向（正、負極性）隨時間的變化而變化，用字母i（t）表示。

交流電壓的大小和方向隨時間的變化而變化，用u（t）表示。

1.1.2　磁的特性

任何物質都具有磁性，只是有的物質磁性強，有的物質磁性弱；任何空間都存在磁場，只是有的空間磁場強度強，有的空間磁場強度弱。

圖1-6為磁的特性。

1　磁場具有方向性，可將自由轉動的小磁針放在磁場中的某一點，小磁針N極所指的方向即為該點的磁場方向，也可使用指南針確定磁場的方向。

2　磁力線是為了理解方便而假想的，即從磁體的N極出發經過空間到磁體的S極，在磁體內部從S極又回到N極，形成一個封閉的環。磁力線的方向就是磁體N極所指的方向。

1.1.3　電磁感應

電流與磁場可以通過某種方式互換，即電流感應出磁場或磁場感應出電流。

1　電流感應出磁場

電流感應出磁場的示意圖如圖1-7所示。

劃重點

1　如果一條直的金屬導線通過電流，那么在導線周圍的空間將產生圓形磁場。導線中流過的電流越大，產生的磁場就越強。

2　通電的螺線管也會產生出磁場。在螺線管外部的磁場形狀和一塊條形磁鐵產生的磁場形狀是相同的，判別磁場的方向也遵循右手定則。

圖1-8為右手定則示意圖。

1　直的金屬導線：用右手握住導線，讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁力線的環繞方向。

劃重點

2　螺線管：讓右手彎曲的四指和環形電流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是環形電流中心軸線上磁力線（磁場）的方向。

2　磁場感應出電流

磁場感應出電流的示意圖如圖1-9所示。

圖1-10為電磁感應實驗。當閉合回路中一部分導體在磁場中做切割磁力線運動時，回路中就有電流產生；當穿過閉合線圈的磁通發生變化時，線圈中有電流產生。這種由磁產生電的現象，稱為電磁感應現象。

1　把一個螺線管兩端接上檢測電流的檢流計，在螺線管內部放置一根磁鐵。

2　當把磁鐵很快地抽出螺線管時，可以看到檢流計指針發生了偏轉，而且磁鐵抽出的速度越快，檢流計指針的偏轉程度越大。

3　同樣，如果把磁鐵插入螺線管，則檢流計也會偏轉，但是偏轉的方向與抽出時相反，檢流計指針偏擺表明線圈內有電流。

劃重點

1　一部分導體在磁場里做切割磁力線的運動，在導體中可產生感應電流。

2　拖動永磁體，或將永磁體插入線圈，或從線圈中拔出，線圈中的電流大小會發生變化。

圖1-11為感應電流方向的判斷方法。

感應電流的方向與導體切割磁力線的運動方向和磁場方向有關，即當閉合回路中一部分導體做切割磁力線運動時，所產生的感應電流方向可用右手定則來判斷。

伸開右手，使拇指與四指垂直，并都跟手掌在一個平面內，讓磁力線穿入手掌，拇指指向導體運動方向，四指所指的方向即為感應電流的方向。

1.2　直流電路

1.2.1　直流電路的結構

直流電路是電流流向不變的電路，是由直流電源、控制器件及負載（電阻、照明燈、電動機等）構成的閉合導電回路。

圖1-12為簡單的直流電路。

劃重點

1　開關斷開，電路斷開，照明燈不亮，導線中無電流。

2　開關閉合，電路形成回路，照明燈點亮，導線中有電流。

在直流電路中，電流和電壓是兩個非常重要的基本參數，如圖1-13所示。

直流電流的大小用電流強度表示。電流強度的單位為安培，簡稱安，用大寫字母A表示，根據不同的需要，還可以用毫安（mA）和微安（μA）來表示。其換算關系為

1A=103mA

1A=106μA

1.2.2　直流電路的供電方式

直流電路的供電方式主要可以分為電池直接供電、交流-直流變換電路供電兩種方式。

1　電池直接供電電路

圖1-14為典型的電池直接供電電路。

劃重點

+12V蓄電池經電源開關為直流電動機供電，當閉合電源開關時，由蓄電池的正極輸出電流，經電源開關、直流電動機到蓄電池的負極構成回路。直流電動機的線圈有電流流過，啟動運轉。

干電池、蓄電池都是家庭中最常見的直流電源，由這類電池供電是直流電路最直接的供電方式。一般使用直流電動機的小型電器產品、小燈泡、指示燈及大多電工用儀表類設備（萬用表、鉗形表等）都采用這種供電方式。

2　交流-直流變換電路供電

圖1-15為典型的交流-直流變換電路供電。

家用電器一般都連接220V交流電源，而電路中的單元電路和功能部件多需要直流供電。因此，若想使家用電器正常工作，首先就需要通過交流-直流變換電路將輸入的220V交流電壓變換成直流電壓。

圖1-16為交流-直流變換電路的應用。

1.3　交流電路

1.3.1　單相交流電路

單相交流電路主要由單相交流供電電源、控制器件和負載構成。圖1-17為家庭照明供電電路。該電路屬于典型的單相交流電路。

單相交流電路主要有單相兩線式、單相三線式兩種供電方式。

圖1-18為單相兩線式交流電路。

單相兩線式交流電路是由一根相線和一根零線組成的。取三相三線式高壓線中的兩根線作為柱上變壓器的輸入端，經變壓處理后，由二次側輸出220V交流電壓。

圖1-19為單相三線式交流電路。

多說兩句!

單相三線式交流電路是由一根相線、一根零線和一根地線組成的。家庭供電線路中的相線和零線來自柱上變壓器，地線是住宅的接地線。由于不同的接地點存在一定的電位差，因此零線與地線之間可能有一定的電壓。

1.3.2　三相交流電路

三相交流電路主要由三相供電電源、控制器件和負載構成。圖1-20為一種簡單的電力拖動控制電路。該電路屬于典型的三相交流電路。

在控制器件的作用下，接通三相供電電源，為負載（三相交流電動機）供電后，負載即可進入工作狀態，實現電路功能。

多說兩句!

三相交流電路供電電源的三根相線之間，電壓大小相等，都為380V，頻率相同，都為50Hz，每根相線與零線之間的電壓均為220V。

三相交流電路主要有三相三線式、三相四線式和三相五線式三種供電方式。

圖1-21為三相三線式供電方式。三相三線式供電方式是由柱上變壓器引出三根相線為工廠中的電氣設備供電，三根相線之間的電壓都為380V。

圖1-22為三相四線式供電方式。三相四線式供電方式由柱上變壓器引出四根線。其中，三根為相線，一根為零線。零線接電動機三相繞組的中點，工作時，電流經過電動機做功，沒有做功的電流經零線回到電廠，對電動機起保護作用。

圖1-23為三相五線式供電方式。三相五線式供電方式是在三相四線式供電方式的基礎上增大地相連，起保護作用，即為車間內的保護地線。