第1章　家裝電工常用知識與技能

1.1　電工學基本知識

1.1.1　電的概念

（1）電子與電荷

電荷是物質(zhì)固有的一種特性。它既不能創(chuàng)生，也不能消滅，只能被轉(zhuǎn)移，自然界不存在脫離物質(zhì)而單獨存在的電荷。目前發(fā)現(xiàn)自然界中只有兩種電荷：正電荷與負電荷。正常情況下物體所帶正電荷和負電荷的數(shù)量是相等的，對外界表現(xiàn)為不帶電。只有由于某種原因，使得負電荷多于（或少于）正電荷時，這個物體才表現(xiàn)為帶電。

兩個帶電荷的物體之間總存在相互的作用力，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。用電量來衡量物體攜帶電荷的數(shù)量，用字母Q表示，單位可以用電子數(shù)目來表示，但實際使用時，這個單位太小，我們采用庫侖（C）作為電量的單位，1庫侖等于6.24×1018個電子電荷。

（2）電流

導體內(nèi)的自由電子或離子在電場力的作用下有規(guī)律的流動叫做電流。人們規(guī)定正電荷移動的方向為電流的正方向。

單位時間內(nèi)通過導體截面積的電量即為電流強度，習慣上簡稱為電流。用字母I表示，I=單位為安培（A），實際使用中還有kA、mA、μA。

大小和方向都不隨時間變化的電流叫恒定電流，也叫直流電流，又稱直流電。大小和方向都隨時間變化的電流叫交流電流，也稱交流電。

在單位橫截面積上通過的電流大小，稱為電流密度。用J表示，J=，單位為安培/平方毫米（A/mm2）。

（3）電位與電壓

帶電體周圍存在著一種特殊的物理場叫電場。

電荷在電場中要受到電場力的作用而發(fā)生運動，因此我們可以認為電荷在電場中具有電位能。單位正電荷在電場中某點所具有的電位能叫做這一點的電位，單位是伏特（V）。

在電場中任意選擇一點作為參考點，單位正電荷從某一點移動到參考點時，電場力所做的功也就是電場中該點的電位，而參考點本身的電位則為零。

電場中任意兩點之間的電位之差叫做電位差，也叫電壓，用字母U表示，單位是伏特（V）。

參考點的選擇是任意的，而參考點的選擇對各點電位的大小是有影響的，但卻不影響電壓的大小。在理論研究時，通常取無窮遠處作為電位的參考點，在實際工作中，通常取大地作為電位的參考點，在電子設備中，通常取設備外殼作為電位的參考點。

（4）電動勢

電動勢等于電源力將單位正電荷從電源負極移動到電源正極所做的功。用字母E表示，單位是伏特（V）。

1.1.2　磁的概念

（1）磁現(xiàn)象

凡具有吸引鐵、鎳、鈷等物質(zhì)的性質(zhì)稱為磁性，而具有磁性的物質(zhì)叫磁體。

在磁體的兩端各有一個磁性最強的區(qū)域，這個區(qū)域叫磁極。并且同一磁體的兩個磁極有著不同的性質(zhì)，即磁南極（S極）和磁北極（N極）。在磁極之間具有“同性相斥、異性相吸”的特性。

（2）磁場與磁力線

磁體之間相互吸引或排斥的力稱為磁力。

把磁體周圍存在磁力作用的區(qū)域稱為磁場。

為了直觀、形象地描述磁場的方向和強弱而引出磁力線的概念（圖1-1），并規(guī)定在磁體的外部，磁力線由N極指向S極；在磁體內(nèi)部，磁力線由S極指向N極，使磁力線在磁體內(nèi)外形成一條條閉合的曲線。在曲線上任何一點的切線方向就表示該點的磁力線方向，也就是小磁針在磁力作用下靜止時N極所指的方向。通常用磁力線方向來表示磁場方向，用磁力線的疏密程度表示磁場的強弱。磁力線越密，磁場越強。磁力線越疏，磁場越弱。

（3）磁通

垂直穿過磁場中某一截面的磁力線條數(shù)，反映了磁場中這一截面上磁場的強弱。把垂直穿過磁場中某一截面的磁力線條數(shù)叫磁通或磁通量。用字母Φ表示，單位是韋伯（Wb）。

（4）磁感應強度

單位面積上垂直穿過的磁力線條數(shù)，稱為磁通密度，也叫磁感應強度。用字母B表示，B=，單位是特斯拉（T）。

磁感應強度不僅有大小，而且有方向。磁感應強度的方向就是磁場的方向，也就是小磁針北極在該點的指向。

（5）磁導率

磁導率是一個用來表示物質(zhì)磁性的物理量，也就是用來衡量物質(zhì)導磁能力的物理量，用字母μ表示，單位是亨利/米（H/m）。

真空的磁導率為μ0=4π×10-7H/m。

任何一種物質(zhì)的磁導率與真空的磁導率的比值，稱為該物質(zhì)的相對磁導率。用字母μr表示，沒有單位。

（6）磁場強度

磁場中磁感應強度的大小不僅與產(chǎn)生磁場的電流有關，還與磁場中的介質(zhì)有關，為了使計算簡便，通常用磁場強度來表示磁場。用字母H表示，H=，單位是安培/米（A/m）。

磁場強度的大小與磁場中的介質(zhì)無關，方向和所在點的磁感應強度方向一致。

1.1.3　電與磁

（1）電流的磁場

在電流的周圍存在著磁場，這種現(xiàn)象稱為電流的磁效應。通電導體周圍產(chǎn)生的磁場方向可以用安培定則來判斷。

直導線周圍磁場的方向由右手安培定則判定：用右手握住通電導體，讓拇指指向電流方向，則彎曲四指的指向就是直導線周圍的磁場方向，如圖1-2所示。

螺旋管內(nèi)部磁場的方向由右手螺旋定則判定：用右手握住通電線圈，讓彎曲四指指向線圈電流方向，則拇指所指方向就是線圈內(nèi)部的磁場方向，如圖1-3所示。

應該注意的是：如果導線中流入的是直流電，那么導線周圍的磁場方向是固定不變的，如果導線中流入的是交流電，則磁場大小和方向?qū)㈦S電流方向的變化而變化。

（2）電磁感應

當穿過閉合回路所包圍的面積中的磁通量發(fā)生變化時，回路中就會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應現(xiàn)象。回路中所產(chǎn)生的電流叫感應電流。另一種現(xiàn)象是：當閉合回路中的一段導線在磁場中運動，并切割磁力線時，導體中也會產(chǎn)生電流。

直線導體與磁場相對運動而產(chǎn)生的感應電動勢e的大小與導體切割磁力線的速度v、導體的長度L和導體所處的磁感應強度B有關，若導體運動方向與磁力線之間的夾角為α，則感應電動勢為e=BLvsinα。

直線導體感應電動勢的方向可用右手定則來判定：伸開右手，讓拇指與其余四指垂直并在一個平面內(nèi)，使磁力線穿過掌心，拇指指向切割磁力線的運動方向，四指的指向就是感應電動勢的方向，如圖1-4所示。

線圈中磁通變化而產(chǎn)生的感應電動勢e的大小與穿過線圈的磁通變化率有關，若線圈的匝數(shù)為N，則感應電動勢為

線圈中感應電動勢的方向由楞次定律來判定：感應電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。也就是說，當線圈中的磁通增大時，感應電流產(chǎn)生的磁通與原磁通方向相反。而當線圈中的磁通減少時，感應電流產(chǎn)生的磁通與原磁通方向相同。

（3）磁場對電流的作用

處在磁場中的通電導體會受到力的作用，這種作用稱為電磁力。用字母F表示，F=BILsinα。

電磁力的方向由左手定則判定：伸開左手，讓拇指與其余四指垂直并在同一平面內(nèi)，讓磁力線穿過手心，四指指向電流方向，拇指所指方向就是通電導體所受到的電磁力的方向，如圖1-5所示。

1.1.4　單相電路

（1）電路

電流通過的路徑，稱為電路。一個完整的電路由電源、負載、輸電導線和控制設備組成。對電源來講，負載、輸電導線和控制設備等稱為外電路。電源內(nèi)部的一段稱為內(nèi)電路。

電路的工作狀態(tài)分為通路、斷（開）路和短路三種。

（2）正方向

習慣上規(guī)定正電荷運動的方向（即負電荷運動的反向）為電流的方向，但在分析較為復雜的電路時，往往難以事先判斷某支路中電流的實際方向，為此，常可任意假定一個方向作為電流的正方向，或者稱為參考方向。當電流的實際方向與其正方向一致時，則電流為正值。當電流的實際方向與其正方向相反時，則電流為負值。

電流的正方向在電路圖中，一般用箭頭表示，箭頭的方向就是電流的正方向。也可用雙下標表示，例如Iab表示電流的正方向由a點指向b點。

電壓、電動勢和電流一樣，也同樣具有方向，電壓的方向規(guī)定為由高電位端指向低電位端，也就是電位降低的方向。電源電動勢的方向規(guī)定為電源內(nèi)部由低電位端指向高電位端，也就是電位升高的方向。在電路分析中，電壓、電動勢的正方向也是可以任意規(guī)定的，正方向的表示方法與電流的正方向表示方法完全相同。

（3）電阻及其連接

導體能導電，同時對電流有阻力作用，這種阻礙電流通過的能力稱為電阻，用字母R或r表示，單位為歐姆（Ω）。常用單位還有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ）。

當溫度一定時，導體的電阻不僅與它的長度和橫截面積有關，而且與導體材料自身的電阻率有關，電阻率又稱為電阻系數(shù)，是衡量物體導電性能好壞的一個物理量，用字母ρ表示，單位為歐姆·米（Ω·m）。其數(shù)值是指導體的長度為1m、截面積為1mm2的均勻?qū)w在溫度為20℃時所具有的電阻值，可見R=。

表示物質(zhì)的電阻率隨溫度而變化的物理量，稱為電阻的溫度系數(shù)。其數(shù)值等于溫度每升高1℃時，電阻率的變化量與原來的電阻率的比值，用字母d表示，單位為1/℃。

1）電阻串聯(lián)

將兩個以上的電阻元件順序地連接在一起，構(gòu)成一條無分支的電路，稱為串聯(lián)電阻電路，如圖1-6所示。

串聯(lián)電阻電路具有以下特點。

①串聯(lián)電阻電路中的等效電阻等于各個串聯(lián)電阻之和，即：

R=R1+R2

②串聯(lián)電阻電路中流過每個電阻的電流都是相等的，并且等于總電流，即：

I=I1=I2

③串聯(lián)電阻電路的總電壓等于各個串聯(lián)電阻兩端電壓之和，即：

U=U1+U2

④串聯(lián)電阻電路中的各個電阻上所分配的電壓與各自的電阻值成正比，即：

2）電阻并聯(lián)

將兩個以上的電阻元件都連接在兩個共同端點之間，構(gòu)成一條多分支的電路，稱為并聯(lián)電阻電路，如圖1-7所示。

并聯(lián)電阻電路具有以下特點。

①并聯(lián)電阻電路中各個電阻兩端的電壓都是相等的，并且等于總電壓，即：

U=U1=U2

②并聯(lián)電阻電路的總電流等于各個并聯(lián)電阻兩端電流之和，即：

I=I1+I2

③并聯(lián)電阻電路中的等效電阻的倒數(shù)等于各個并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和，即：

④并聯(lián)電阻電路中的各個電阻上所分配的電流與各自的電阻值成反比，即：

IR=I1R1=I2R2

（4）歐姆定律

在一段電路中，流過該段的電流與電路兩端的電壓成正比，與該段電路的電阻成反比，表示為I=。

歐姆定律是不含電源的電路情況，在實際工作中，電源E的內(nèi)電阻r0有時是不可忽略的，這時歐姆定律可以寫為I=。

我們把上述這個公式稱為全電路歐姆定律。

（5）電感

當交流電流流過線圈時，交變的電流將在線圈中產(chǎn)生變化的磁場，這一變化的磁場同時又在線圈自身產(chǎn)生感應電動勢，這一現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象。

穿過線圈的磁通與產(chǎn)生磁通的電流之間的比值叫做線圈的自感系數(shù)，簡稱自感。用字母L表示，單位為亨利（H）。

當兩個線圈相互靠近，其中一個線圈的電流變化，引起穿過另一個線圈所包圍的磁通量跟著變化，而在另一個線圈中產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。由第一個線圈的電流所產(chǎn)生而與第二個線圈相關聯(lián)的磁通，同該電流的比值，叫做第一個線圈對第二個線圈的互感系數(shù)，簡稱互感。用字母M表示，單位為亨利（H）。

通常把自感和互感統(tǒng)稱為電感。

當電感線圈兩端加上交流電壓時，就有交流電流通過，電感線圈中將產(chǎn)生自感電動勢，從而阻礙電流的變化，所以電感線圈中交流電流的變化總是滯后交流電壓的變化。電感阻礙交流電流通過的這種作用稱為感抗。用字母XL表示，XL=2πfL，單位為歐姆（Ω）。

交流負載中只有電感的交流電路稱為純電感電路。純電感電路中，加在電感上的交流電壓超前流過電感的電流90°。并且它們之間的關系在數(shù)值上也滿足歐姆定律。

（6）電容器

電容器是存儲電荷的容器。由用絕緣介質(zhì)隔開而又相互鄰近的兩塊金屬板或金屬片構(gòu)成。電容器存儲電荷的能力用電容量來表示，簡稱電容。用字母C表示，單位是法拉（F），實際應用中，還有微法（μF）和皮法（pF）。

電容阻礙交流電流通過的作用稱為容抗。用字母Xc表示，Xc=，單位是歐姆（Ω）。

交流負載中只有電容的交流電路稱為純電容電路。純電容電路中，加在電容上的交流電壓滯后流過電容的電流90°。并且它們之間的關系在數(shù)值上也滿足歐姆定律。

我們把感抗與容抗之和稱為電抗。把電阻與電抗之和稱為阻抗。用字母Z表示，Z=。

1.1.5　單相交流電

（1）正弦交流電的概念

交流電的大小和方向都是隨時間變化的，我們把按正弦規(guī)律變化的交流電稱為正弦交流電。通常所說的交流電都是指正弦交流電。

交流電流在1s內(nèi)電流方向改變的次數(shù)稱為頻率，用字母f表示，單位為Hz（赫茲）。我國工頻交流電的頻率為50Hz。

如果某一交流電流i通過一個純電阻R，在一個周期內(nèi)，所發(fā)出的熱量與某一直流電流I在同一電阻內(nèi)所發(fā)出的熱量相等（也就是兩者發(fā)熱效應等效），則這個直流電流的數(shù)值就是該交流電流的有效值，用大寫字母表示。

電壓、電流、電動勢在一個周期內(nèi)的最大瞬時值叫最大值或振幅值。用大寫字母表示，下標為m。最大值是有效值的倍。

正弦交流電可以用正弦函數(shù)表示，例如電壓u=Umsin（ωt+Ψ）。式中，ω為圓頻率，ω=2πf；Ψ為初相角。

頻率為基波頻率倍數(shù)的一種正弦波叫諧波，非正弦波可以看做是一系列諧波之和。

（2）單相電功與電功率

電流通過用電器所做的功叫電功。用W表示，單位是焦耳（J）。常用的單位還有千瓦時（kW·h），也就是常說的度，1kW·h=3.6×106J。

單位時間內(nèi)電流通過用電器所做的功叫電功率。

單位時間內(nèi)電流通過純電阻負載所做的功叫有功功率。用字母P表示，P==UI，單位是千瓦（kW）。

交流電通過阻抗性負載時并不完全用來做有用功，我們把這時的電流與電壓的乘積稱為視在功率，用字母S表示，S=UI。這時的有功功率可以表示為P=UIcosφ，式中，φ為電阻與電抗之間的夾角；cosφ稱為功率因數(shù)。而把UIsinφ稱為無功功率，用Q表示，單位是乏（var）。

能量在轉(zhuǎn)換或傳遞的過程中總要消耗一部分，即輸出小于輸入，輸出能量與輸入能量的比值叫做效率，用字母η表示。

1.1.6　三相對稱正弦交流電路

（1）三相對稱正弦交流電的概念

由三個電壓、頻率相同而相位依次相差120°的電源組成的系統(tǒng)稱為三相對稱正弦交流電。如果把L1相電壓初相定義為零，則三相對稱正弦電壓的函數(shù)表達式為：

三個相電壓達到最大值的次序稱為相序。按L1→L2→L3→L1的次序循環(huán)下去稱為順序（正序）；按L1→L3→L2→L1的次序循環(huán)下去稱為逆序（反序），一般不加說明均認為采用順序。

（2）三相電路的連接

把三個電器的末端連接在一起而形成的連接方法稱為星接（Y接），末端的共同點稱為星點。而把三個電器的每個首端分別與另一個的末端連接在一起而形成的連接方法稱為角接（△接）。

三相發(fā)電機通常采用Y接。三相繞組始端U1、V1、W1的引出線稱為端線，俗稱火線，中點N的引出線稱為中性線。地面上電站常將中性線接地（零電位點），所以也稱零線，俗稱地線。我們把有中性線的三相供電線路體系稱為三相四線制。把不引出中性線的三相供電線路體系稱為三相三線制。每相端線與中性線之間的電壓稱為相電壓。一般用U1、U2、U3或UP表示，其方向規(guī)定為三相繞組的始端指向末端。任意兩根端線之間的電壓稱為線電壓。一般用U12、U23、U31或UL表示，其方向由下標得出。

（3）三相負載的參數(shù)

1）Y形連接

如圖1-8所示，此時相與線的關系為：

2）△形連接

如圖1-9所示，此時相與線的關系為：

3）三相電功率

視在功率

有功功率

式中　φ——電阻與電抗之間的夾角；

cosφ——功率因數(shù)。

無功功率