第1章　電工基礎知識

1.1　電路基礎

1.1.1　電路與電路圖

圖1-1（a）是一個簡單的實物電路，由電源（電池）、開關、導線和燈泡組成。電源的作用是提供電能；開關、導線的作用是控制和傳遞電能，稱為中間環節；燈泡是消耗電能的用電器，它能將電能轉變為光能，稱為負載。因此，電路是由電源、中間環節和負載組成的。

使用實物圖來繪制電路很不方便，為此人們就采用一些簡單的圖形符號代替實物的方法來畫電路，這樣畫出的圖形就稱為電路圖。圖1-1（b）是圖1-1（a）的電路圖，不難看出，用電路圖來表示實際的電路非常方便。

1.1.2　電流與電阻

1．電流

在圖1-2所示電路中，將開關閉合，燈泡會發光。為什么會這樣呢？原來當開關閉合時，帶負電荷的電子源源不斷地從電源負極經導線、燈泡、開關流向電源正極。這些電子在流經燈泡內的鎢絲時，鎢絲會發熱，溫度急劇上升而發光。

大量的電荷朝一個方向移動（也稱定向移動）就形成了電流，這就像公路上有大量的汽車朝一個方向移動就形成“車流”一樣。實際上，我們把電子運動的反方向作為電流方向，即把正電荷在電路中的移動方向規定為電流的方向。圖1-2所示電路的電流方向是：電源的正極→開關→燈泡→電源的負極。

電流用字母“I”表示，單位為安培（簡稱安），用“A”表示，比安培小的單位有毫安（mA）、微安（μA），它們之間的關系為

1A=103mA=106μA

2．電阻

在圖1-3（a）所示電路中，給電路增加一個元器件——電阻器，發現燈光會變暗，該電路的電路圖如圖1-3（b）所示。為什么在電路中增加了電阻器后燈泡會變暗呢？原來電阻器對電流有一定的阻礙作用，從而使流過燈泡的電流減小，燈泡變暗。

導體對電流的阻礙稱為該導體的電阻，電阻用字母“R”表示，電阻的單位為歐姆（簡稱歐），用“Ω”表示，比歐姆大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們之間關系為

1MΩ=103kΩ=106Ω

導體的電阻計算公式為

式中，L為導體的長度（m）；S為導體的截面積（m2）；ρ為導體的電阻率（Ω·m）。不同的導體，ρ值一般不同。表1-1列出了一些常見導體的電阻率（20℃時）。

在長度L和截面積S相同的情況下，電阻率越大的導體其電阻越大，例如，L、S相同的鐵導線和銅導線，鐵導線的電阻約是銅導線的5.9倍，由于鐵導線的電阻率較銅導線大很多，為了減小電能在導線上的損耗，讓負載得到較大電流，供電線路通常采用銅導線。

導體的電阻除與材料有關外，還受溫度影響。一般情況下，導體溫度越高電阻越大，如常溫下燈泡（白熾燈）內部鎢絲的電阻很小，通電后鎢絲的溫度上升到千度以上，其電阻急劇增大；導體溫度下降電阻減小，某些導電材料在溫度下降到某一值時（如-109℃），電阻會突然變為零，這種現象稱為超導現象，具有這種性質的材料稱為超導材料。

1.1.3　電位、電壓和電動勢

電位、電壓和電動勢對于初學者來說較難理解，下面通過圖1-4所示的水流示意圖來說明這些術語。首先來分析圖1-4中的水流過程。

水泵將河中的水抽到山頂的A處，水到達A處后再流到B處，水到B處后流往C處（河中），同時水泵又將河中的水抽到A處，這樣使得水不斷循環流動。水為什么能從A處流到B處，又能從B處流到C處呢？這是因為A處水位較B處水位高，B處水位較C處水位高。

要測量A處和B處水位的高度，必須先要找一個基準點（零點），就像測量人身高要選擇腳底為基準點一樣，這里以河的水面為基準（C處）。AC之間的垂直高度為A處水位的高度，用HA表示，BC之間的垂直高度為B處水位的高度，用HB表示，由于A處和B處水位高度不一樣，它們存在著水位差，該水位差用HAB表示，它等于A處水位高度HA與B處水位高度HB之差，即HAB=HA?HB。為了讓A處源源不斷有水往B、C處流，需要水泵將低水位的河水抽到高處的A點，這樣做水泵是需要消耗能量的（如耗油）。

1．電位

電路中的電位、電壓和電動勢與上述水流情況很相似。如圖1-5所示，電源的正極輸出電流，流到A點，再經R1流到B點，然后通過R2流到C點，最后流到電源的負極。

與圖1-4所示水流示意圖相似，圖1-5中的A、B點也有高低之分，只不過不是水位，而稱之為電位，A點電位較B點電位高。為了計算電位的高低，也需要找一個基準點作為零點，為了表明某點為零基準點，通常在該點處畫一個“⊥”符號，該符號稱為接地符號。接地符號處的電位規定為0V，電位單位不是米，而是伏特（簡稱伏），用V表示。在圖1-5中，以C點為0V（該點標有接地符號），A點的電位為3V，表示為UA=3V，B點電位為1V，表示為UB=1V。

2．電壓

圖1-5中的A點和B點的電位是不同的，有一定的差距，這種電位之間的差距稱為電位差，又稱電壓。A點和B點之間的電位差用UAB表示，它等于A點電位UA與B點電位UB的差，即UAB=UA?UB=3V?1V=2V。因為A點和B點電位差實際上就是電阻器R1兩端的電位差（即電壓），R1兩端的電壓用UR1表示，所以UAB=UR1。

3．電動勢

為了讓電路中始終有電流流過，電源需要在內部將流到負極的電流源源不斷地“抽”到正極，使電源正極具有較高的電位，這樣正極才會輸出電流。當然，電源內部將負極的電流“抽”到正極需要消耗能量（如干電池會消耗化學能）。電源消耗能量在兩極建立的電位差稱為電動勢，電動勢的單位也為伏特，圖1-5中電源的電動勢為3V。

由于電源內部的電流方向是由負極流向正極的，故電源的電動勢方向規定為從電源負極指向正極。

1.1.4　電路的三種狀態

電路有三種狀態：通路、開路和短路，這三種狀態的電路如圖1-6所示。

1．通路

圖1-6（a）所示電路處于通路狀態。電路處于通路狀態的特點有：電路暢通，有正常的電流流過負載，負載正常工作。

2．開路

圖1-6（b）所示電路處于開路狀態。電路處于開路狀態的特點有：電路斷開，無電流流過負載，負載不工作。

3．短路

圖1-6（c）所示電路處于短路狀態。電路處于短路狀態的特點有：電路中有很大的電流流過，但電流不流過負載，負載不工作。由于電流很大，很容易燒壞電源和導線。

1.1.5　接地與屏蔽

1．接地

接地在電工電子技術中應用廣泛，接地常用圖1-7所示的符號表示。接地主要有以下含義。

①在電路圖中，接地符號處的電位規定為0V。在圖1-8（a）所示電路中，A點標有接地符號，規定A點的電位為0V。

②在電路圖中，標有接地符號處的地方都是相通的。圖1-8（b）所示的兩個電路圖雖然從形式上看不一樣，但實際的電路連接是一樣的，故兩個電路中的燈泡都會亮。

③在強電設備中，常常將設備的外殼與大地連接，當設備絕緣性能變差而使外殼帶電時，可迅速通過接地線泄放到大地，從而避免人體觸電，如圖1-9所示。

2．屏蔽

在電氣設備中，為了防止某些元器件和電路工作時受到干擾，或者為了防止某些元器件和電路在工作時產生干擾信號影響其他電路正常工作，通常對這些元器件和電路采取隔離措施，這種隔離稱為屏蔽。屏蔽常用圖1-10所示的符號表示。

屏蔽的具體做法是用金屬材料（稱為屏蔽罩）將元器件或電路封閉起來，再將屏蔽罩接地（通常為電源的負極）。圖1-11為帶有屏蔽罩的元器件和導線，外界干擾信號無法穿過金屬屏蔽罩干擾內部元器件和電路。