第1章 家裝水電工電氣基礎

1.1 基本電氣常識

1.1.1 電路與電路圖

圖1-1（a）所示是一個簡單的實物電路，該電路由電源（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。

圖1-1（a）所示為實物電路，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）所示的圖形就是圖1-1（a）所示實物電路的電路圖，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（又稱定向移動）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：電源正極→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“?”表示，比歐姆大的單位有千歐（k?）、兆歐（M?），它們之間的關系為

1M?=103k?=106?

導體的電阻計算公式為

式中，L為導體的長度，單位是m;S為導體的橫截面積，單位是m2;ρ為導體的電阻率，單位是?· 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和橫截面積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。

導體的電阻除了與材料有關外，還受溫度影響。一般情況下，導體溫度越高電阻越大，例如，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攝氏度以上，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 歐姆定律

歐姆定律是電工電子技術中的一個基本的定律，它反映了電路中電阻、電流和電壓之間的關系。歐姆定律分為部分電路歐姆定律和全電路歐姆定律。

1.部分電路歐姆定律

部分電路歐姆定律內容：在電路中，流過導體的電流I的大小與導體兩端的電壓U成正比，與導體的電阻R成反比，即

也可以表示為U=IR或R=U/I。

如圖1-4（a）所示，已知電阻R=10Ω，電阻兩端電壓UAB=5V，那么流過電阻的電流。

又如圖1-4（b）所示，已知電阻R=5Ω，流過電阻的電流I=2A，那么電阻兩端的電壓UAB=I·R=（2×5）V=10V。

在圖1-4（c）所示電路中，流過電阻的電流I=2A，電阻兩端的電壓UAB=12V，那么電阻的大小。

2.全電路歐姆定律

全電路是指含有電源和負載的閉合回路。全電路歐姆定律又稱閉合電路歐姆定律，其內容如下：閉合電路中的電流與電源的電動勢成正比，與電路的內、外電阻之和成反比，即

下面以圖1-5所示電路來說明全電路歐姆定律，圖中點畫線框內為電源，R0表示電源的內阻，E表示電源的電動勢。當開關S閉合后，電路中有電流I流過，根據全電路歐姆定律可求得。電源輸出電壓（即電阻R兩端的電壓）U=IR=1×10V=10V，內阻R 0兩端的電壓U 0=IR 0=1×2V=2V。如果將開關S斷開，電路中的電流I=0A，那么內阻R 0上消耗的電壓U0=0V，電源輸出電壓U與電源電動勢相等，即U=E=12V。

根據全電路歐姆定律不難看出以下幾點。

① 在電源未接負載時，不管電源內阻多大，內阻消耗的電壓始終為0V，電源兩端電壓與電動勢相等。

② 當電源與負載構成閉合電路后，由于有電流流過內阻，內阻會消耗電壓，從而使電源輸出電壓降低。內阻越大，內阻消耗的電壓越大，電源輸出電壓越低。

③ 在電源內阻不變的情況下，如果外阻越小，電路中的電流越大，內阻消耗的電壓也越大，電源輸出電壓也會降低。

由于正常電源的內阻很小，內阻消耗的電壓很低，因此一般情況下可認為電源的輸出電壓與電源電動勢相等。

利用全電路歐姆定律可以解釋很多現象。例如，用儀表測得舊電池兩端電壓與正常電壓相同，但將舊電池與電路連接后除了輸出電流很小外，電池的輸出電壓也會急劇下降，這是因為舊電池內阻變大的緣故；又如，將電源正、負極直接短路時，電源會發熱甚至燒壞，這是因為短路時流過電源內阻的電流很大，內阻消耗的電壓與電源電動勢相等，大量的電能在電源內阻上消耗并轉換成熱能，故電源會發熱。

1.1.4 電功、電功率和焦耳定律

1.電功

電流流過燈泡，燈泡會發光；電流流過電爐絲，電爐絲會發熱；電流流過電動機，電動機會運轉。由此可以看出，電流流過一些用電設備時是會做功的，電流做的功稱為電功。用電設備做功的大小不但與加到用電設備兩端的電壓及流過的電流有關，而且與通電時間長短有關。電功可用下面的公式計算：

W=UIt

式中，W表示電功，單位是焦耳（J）;U表示電壓，單位是伏（V）;I表示電流，單位是安（A）;t表示時間，單位是秒（s）。

電功的單位是焦耳（J），在電學中還常用到另一個單位：千瓦時（kW·h），又稱度。1kW·h=1度。千瓦時與焦耳的換算關系是

1kW·h=1×103W×（60×60）s=3.6×106W·s=3.6×106J

1kW· h可以這樣理解：一個電功率為100W的燈泡連續使用10h，消耗的電功為1kW· h（即消耗1度電）。

2.電功率

電流需要通過一些用電設備才能做功。為了衡量這些設備做功能力的大小，引入一個電功率的概念。電流單位時間做的功稱為電功率。電功率用“P ”表示，單位是瓦（W），此外，還有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它們之間的換算關系是

1kW=103W=106mW

電功率的計算公式是

P=UI

根據歐姆定律可知U=IR,I=U/R，所以電功率還可以用公式P=I2R和P=U2/R來計算。

電功率的計算舉例：在圖1-6所示電路中，白熾燈兩端的電壓為220V（它與電源的電動勢相等），流過白熾燈的電流為0.5A，求白熾燈的功率、電阻和白熾燈在10s所做的功。

白熾燈的功率：　　　　 P=UI=220V·0.5A=110V·A=110W

白熾燈的電阻：　　　　 R=U/I=220V/0.5A=440V/A=440?

白熾燈在10s做的功：　　　W=UIt=220V·0.5A·10s=1 100J

3.焦耳定律

電流流過導體時導體會發熱，這種現象稱為電流的熱效應。電熱鍋、電飯煲和電熱水器等都是利用電流的熱效應來工作的。

英國物理學家焦耳通過實驗發現：電流流過導體，導體發出的熱量與導體流過的電流、導體的電阻和通電的時間有關。焦耳定律具體內容：電流流過導體產生的熱量，與電流的平方及導體的電阻成正比，與通電時間也成正比。由于這個定律除了由焦耳發現外，俄國科學家楞次也通過實驗獨立發現，故該定律又稱焦耳-楞次定律。

焦耳定律可用下面的公式表示：

Q=I2Rt

式中，Q表示熱量，單位是焦耳（J）;R表示電阻，單位是歐姆（?）;t表示時間，單位是秒（s）;I表示電流，單位是安培（A）。

舉例：某臺電動機額定電壓是220V，線圈的電阻為0.4?，當電動機接220V的電壓時，流過的電流是3A，求電動機的功率和線圈每秒發出的熱量。

電動機的功率：　　　　　P=UI=220V×3A=660W

電動機線圈每秒發出的熱量：Q=I 2Rt=(3A)2×0.4?×1s=3.6J