第1章 家裝水電工電氣基礎(chǔ)

1.1 基本電氣常識(shí)

1.1.1 電路與電路圖

圖1-1（a）所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)物電路，該電路由電源（電池）、開關(guān)、導(dǎo)線和燈泡組成。電源的作用是提供電能；開關(guān)、導(dǎo)線的作用是控制和傳遞電能，稱為中間環(huán)節(jié)；燈泡是消耗電能的用電器，它能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽Q為負(fù)載。因此，電路是由電源、中間環(huán)節(jié)和負(fù)載組成的。

圖1-1（a）所示為實(shí)物電路，使用實(shí)物圖來繪制電路很不方便，為此人們就采用一些簡(jiǎn)單的圖形符號(hào)代替實(shí)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(shí)物電路的電路圖，不難看出，用電路圖來表示實(shí)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(guān)閉合，燈泡會(huì)發(fā)光，為什么會(huì)這樣呢？原來當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，帶負(fù)電荷的電子源源不斷地從電源負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線、燈泡、開關(guān)流向電源正極。這些電子在流經(jīng)燈泡內(nèi)的鎢絲時(shí)，鎢絲會(huì)發(fā)熱，溫度急劇上升而發(fā)光。

大量的電荷朝一個(gè)方向移動(dòng)（又稱定向移動(dòng)）就形成了電流，這就像公路上有大量的汽車朝一個(gè)方向移動(dòng)就形成“車流”一樣。實(shí)際上，我們把電子運(yùn)動(dòng)的反方向作為電流方向，即把正電荷在電路中的移動(dòng)方向規(guī)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(guān)→燈泡→電源的負(fù)極。

電流用字母“I”表示，單位為安培（簡(jiǎn)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(guān)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(gè)元器件——電阻器，發(fā)現(xiàn)燈光會(huì)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(huì)變暗呢？原來電阻器對(duì)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(dǎo)體對(duì)電流的阻礙稱為該導(dǎo)體的電阻，電阻用字母“R”表示，電阻的單位為歐姆（簡(jiǎn)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(guān)系為

1M?=103k?=106?

導(dǎo)體的電阻計(jì)算公式為

式中，L為導(dǎo)體的長(zhǎng)度，單位是m;S為導(dǎo)體的橫截面積，單位是m2;ρ為導(dǎo)體的電阻率，單位是?· m。不同的導(dǎo)體，ρ值一般不同。表1-1列出了一些常見導(dǎo)體的電阻率（20℃時(shí)）。

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

導(dǎo)體的電阻除了與材料有關(guān)外，還受溫度影響。一般情況下，導(dǎo)體溫度越高電阻越大，例如，常溫下燈泡（白熾燈）內(nèi)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(dǎo)體溫度下降電阻減小，某些導(dǎo)電材料在溫度下降到某一值時(shí)（如-109℃）,電阻會(huì)突然變?yōu)榱悖@種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，具有這種性質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料。

1.1.3 歐姆定律

歐姆定律是電工電子技術(shù)中的一個(gè)基本的定律，它反映了電路中電阻、電流和電壓之間的關(guān)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(nèi)容：在電路中，流過導(dǎo)體的電流I的大小與導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，與導(dǎo)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(fù)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(nèi)容如下：閉合電路中的電流與電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，與電路的內(nèi)、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(diǎn)畫線框內(nèi)為電源，R0表示電源的內(nèi)阻，E表示電源的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)開關(guān)S閉合后，電路中有電流I流過，根據(jù)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(nèi)阻R 0兩端的電壓U 0=IR 0=1×2V=2V。如果將開關(guān)S斷開，電路中的電流I=0A，那么內(nèi)阻R 0上消耗的電壓U0=0V，電源輸出電壓U與電源電動(dòng)勢(shì)相等，即U=E=12V。

根據(jù)全電路歐姆定律不難看出以下幾點(diǎn)。

① 在電源未接負(fù)載時(shí)，不管電源內(nèi)阻多大，內(nèi)阻消耗的電壓始終為0V，電源兩端電壓與電動(dòng)勢(shì)相等。

② 當(dāng)電源與負(fù)載構(gòu)成閉合電路后，由于有電流流過內(nèi)阻，內(nèi)阻會(huì)消耗電壓，從而使電源輸出電壓降低。內(nèi)阻越大，內(nèi)阻消耗的電壓越大，電源輸出電壓越低。

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

由于正常電源的內(nèi)阻很小，內(nèi)阻消耗的電壓很低，因此一般情況下可認(rèn)為電源的輸出電壓與電源電動(dòng)勢(shì)相等。

利用全電路歐姆定律可以解釋很多現(xiàn)象。例如，用儀表測(cè)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(huì)急劇下降，這是因?yàn)榕f電池內(nèi)阻變大的緣故；又如，將電源正、負(fù)極直接短路時(shí)，電源會(huì)發(fā)熱甚至燒壞，這是因?yàn)槎搪窌r(shí)流過電源內(nèi)阻的電流很大，內(nèi)阻消耗的電壓與電源電動(dòng)勢(shì)相等，大量的電能在電源內(nèi)阻上消耗并轉(zhuǎn)換成熱能，故電源會(huì)發(fā)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(huì)發(fā)光；電流流過電爐絲，電爐絲會(huì)發(fā)熱；電流流過電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可以看出，電流流過一些用電設(shè)備時(shí)是會(huì)做功的，電流做的功稱為電功。用電設(shè)備做功的大小不但與加到用電設(shè)備兩端的電壓及流過的電流有關(guān)，而且與通電時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。電功可用下面的公式計(jì)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(shí)間，單位是秒（s）。

電功的單位是焦耳（J），在電學(xué)中還常用到另一個(gè)單位：千瓦時(shí)（kW·h），又稱度。1kW·h=1度。千瓦時(shí)與焦耳的換算關(guān)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(gè)電功率為100W的燈泡連續(xù)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(shè)備才能做功。為了衡量這些設(shè)備做功能力的大小，引入一個(gè)電功率的概念。電流單位時(shí)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(guān)系是

1kW=103W=106mW

電功率的計(jì)算公式是

P=UI

根據(jù)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(jì)算。

電功率的計(jì)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(dòng)勢(shì)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(dǎo)體時(shí)導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng)。電熱鍋、電飯煲和電熱水器等都是利用電流的熱效應(yīng)來工作的。

英國(guó)物理學(xué)家焦耳通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體發(fā)出的熱量與導(dǎo)體流過的電流、導(dǎo)體的電阻和通電的時(shí)間有關(guān)。焦耳定律具體內(nèi)容：電流流過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，與電流的平方及導(dǎo)體的電阻成正比，與通電時(shí)間也成正比。由于這個(gè)定律除了由焦耳發(fā)現(xiàn)外，俄國(guó)科學(xué)家楞次也通過實(shí)驗(yàn)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，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(shí)間，單位是秒（s）;I表示電流，單位是安培（A）。

舉例：某臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定電壓是220V，線圈的電阻為0.4?，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接220V的電壓時(shí)，流過的電流是3A，求電動(dòng)機(jī)的功率和線圈每秒發(fā)出的熱量。

電動(dòng)機(jī)的功率：　　　　　P=UI=220V×3A=660W

電動(dòng)機(jī)線圈每秒發(fā)出的熱量：Q=I 2Rt=(3A)2×0.4?×1s=3.6J