第1章 電工基礎(chǔ)與安全用電

1.1 電路基礎(chǔ)

1.1.1 電路與電路圖

圖1-1a所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)物電路，該電路由電源（電池）、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線和燈泡組成。電源的作用是提供電能；開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線的作用分別是控制和傳遞電能，它們稱為中間環(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1-1a所示實(shí)物電路圖繪制很不方便，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(lái)畫電路，這樣畫出的圖形就稱為電路圖。圖1-1b所示的圖形就是圖1-1a所示實(shí)物電路的電路圖。不難看出，用電路圖來(lái)表示實(shí)際的電路非常方便。

圖1-1 一個(gè)簡(jiǎn)單的電路

1.1.2 電流與電阻

1.電流

在圖1-2所示電路中，將開(kāi)關(guān)閉合，燈泡會(huì)發(fā)光，為什么會(huì)這樣呢？原來(lái)當(dāng)開(kāi)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(kāi)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。

圖1-2 電流說(shuō)明圖

大量的電荷朝一個(gè)方向移動(dòng)（也稱定向移動(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)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是：電源正極→開(kāi)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1-3a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1-3b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(lái)電阻器對(duì)電流有一定的阻礙作用，使流過(guò)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“Ω”表示，比歐姆大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們之間關(guān)系為

1MΩ=10³kΩ=10⁶Ω

導(dǎo)體的電阻計(jì)算公式為

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

圖1-3 電阻說(shuō)明圖

表1-1 一些常見(jiàn)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，例如常溫時(shí)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一千攝氏度以上，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 電位、電壓和電動(dòng)勢(shì)

電位、電壓和電動(dòng)勢(shì)對(duì)初學(xué)者較難理解，下面通過(guò)圖1-4所示的水流示意圖來(lái)說(shuō)明這些術(shù)語(yǔ)。首先來(lái)分析圖1-4中的水流過(guò)程。

圖1-4 水流示意圖

水泵將河中的水抽到山頂?shù)腁處，水到達(dá)A處后再流到B處，水到B處后流往C處（河中），同時(shí)水泵又將河中的水抽到A處，這樣使得水不斷循環(huán)流動(dòng)。水為什么能從A處流到B處，又從B處流到C處呢？這是因?yàn)锳處水位較B處水位高，B處水位較C處水位高。

要測(cè)量A處和B處水位的高度，必須先要找一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（零點(diǎn)），就像測(cè)量人身高要選擇腳底為基準(zhǔn)點(diǎn)一樣，這里以河的水面為基準(zhǔn)（C處）。AC之間的垂直高度為A處水位的高度，用H_A表示；BC之間的垂直高度為B處水位的高度，用H_B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H_AB表示，它等于A處水位高度H_A與B處水位高度H_B之差，即H_AB=H_A-H_B。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(diǎn)，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(dòng)勢(shì)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(diǎn)，再經(jīng)R₁流到B點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò)R₂流到C點(diǎn)，最后流到電源的負(fù)極。

與圖1-4所示水流示意圖相似，圖1-5所示電路中的A、B點(diǎn)也有高低之分，只不過(guò)不是水位，而稱為電位，A點(diǎn)電位較B點(diǎn)電位高。為了計(jì)算電位的高低，也需要找一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為零點(diǎn)，為了表明某點(diǎn)為零基準(zhǔn)點(diǎn)，通常在該點(diǎn)處畫一個(gè)“”符號(hào)，該符號(hào)稱為接地符號(hào)。接地符號(hào)處的電位規(guī)定為0V，電位單位不是米，而是伏特（簡(jiǎn)稱伏），用V表示。在圖1-5所示電路中，以C點(diǎn)為0V（該點(diǎn)標(biāo)有接地符號(hào)），A點(diǎn)的電位為3V，表示為U_A=3V，B點(diǎn)電位為1V，表示為U_B=1V。

圖1-5 電位、電壓和電動(dòng)勢(shì)說(shuō)明圖

2.電壓

圖1-5電路中的A點(diǎn)和B點(diǎn)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(diǎn)和B點(diǎn)之間的電位差用U_AB表示，它等于A點(diǎn)電位U_A與B點(diǎn)電位U_B的差，即U_AB=U_A-U_B=3V-1V=2V。因?yàn)锳點(diǎn)和B點(diǎn)電位差實(shí)際上就是電阻器R₁兩端的電位差（即電壓），R₁兩端的電壓用U_R1表示，所以U_AB=U_R1。

3.電動(dòng)勢(shì)

為了讓電路中始終有電流流過(guò)，電源需要在內(nèi)部將流到負(fù)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(huì)輸出電流。當(dāng)然，電源內(nèi)部將負(fù)極的電流“抽”到正極需要消耗能量（如干電池會(huì)消耗化學(xué)能）。電源消耗能量在兩極建立的電位差稱為電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的單位也為伏特，圖1-5所示電路中電源的電動(dòng)勢(shì)為3V。

由于電源內(nèi)部的電流方向是由負(fù)極流向正極，故電源的電動(dòng)勢(shì)方向規(guī)定為從電源負(fù)極指向正極。

1.1.4 電路的三種狀態(tài)

電路有三種狀態(tài)：通路、開(kāi)路和短路，如圖1-6所示。

圖1-6 電路的三種狀態(tài)

1）通路。圖1-6a所示電路處于通路狀態(tài)。電路處于通路狀態(tài)的特點(diǎn)為：電路暢通，有正常的電流流過(guò)負(fù)載，負(fù)載正常工作。

2）開(kāi)路。圖1-6b所示電路處于開(kāi)路狀態(tài)。電路處于開(kāi)路狀態(tài)的特點(diǎn)為：電路斷開(kāi)，無(wú)電流流過(guò)負(fù)載，負(fù)載不工作。

3）短路。圖1-6c中的電路處于短路狀態(tài)。電路處于短路狀態(tài)的特點(diǎn)為：電路中有很大電流流過(guò)，但電流不流過(guò)負(fù)載，負(fù)載不工作。由于電流很大，很容易燒壞電源和導(dǎo)線。

1.1.5 接地與屏蔽

1.接地

接地在電工電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛，接地常用圖1-7所示的符號(hào)表示。接地主要有以下的含義：

1）在電路圖中，接地符號(hào)處的電位規(guī)定為0V。在圖1-8a所示電路中，A點(diǎn)標(biāo)有接地符號(hào)，那么A點(diǎn)的電位為0V。

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

3）在強(qiáng)電設(shè)備中，常常將設(shè)備的外殼與大地連接，當(dāng)設(shè)備絕緣性能變差而使外殼帶電時(shí)，可迅速通過(guò)接地線泄放到大地，從而避免人體觸電，如圖1-9所示。

圖1-7 接地符號(hào)

圖1-8 接地符號(hào)含義說(shuō)明圖

2.屏蔽

在電氣設(shè)備中，為了防止某些元器件和電路工作時(shí)受到干擾，或者為了防止某些元器件和電路在工作時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào)影響其他電路正常工作，通常要對(duì)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(hào)表示。

圖1-9 強(qiáng)電設(shè)備的接地

圖1-10 屏蔽符號(hào)

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(lái)，再將屏蔽罩接地（通常為電源的負(fù)極）。圖1-11所示為帶有屏蔽罩的元器件和導(dǎo)線，外界干擾信號(hào)無(wú)法穿過(guò)屏蔽罩干擾內(nèi)部元器件和電路。

圖1-11 帶有屏蔽罩的元器件和導(dǎo)線