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1-1（a）所示是一個簡單的實物電路。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。

圖1-1（a）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為負載。因此，電路是由電源、中間環(huán)節(jié)和負載組成的。

圖1-1（b）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繪制電路，即電路圖。

1.1.2　電流與電阻

1. 電流

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，電流說明圖如圖1-2所示。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(guī)定為電流方向。圖1-2所示電路的電流方向：電源正極→開關(guān)→燈泡→電源負極。

將開關(guān)閉合，燈泡會發(fā)光，為什么會這樣呢？原來當(dāng)開關(guān)閉合時，帶負電荷的電子源源不斷地從電源負極經(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，鎢絲會因發(fā)熱、溫度急劇上升而發(fā)光。

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(guān)系為

1A=103mA=106μA

2. 電阻

在圖1-3所示的電阻說明圖中，給電路增加一個元器件——電阻器，發(fā)現(xiàn)燈光會變暗。

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(dǎo)體對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（簡稱歐），用“Ω”表示。比歐姆大的單位有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），它們之間的關(guān)系為

1MΩ=103kΩ=106Ω

導(dǎo)體的電阻計算公式為

式中，L為導(dǎo)體的長度（單位：m）；S為導(dǎo)體的橫截面積（單位：m2）；ρ為導(dǎo)體的電阻率（單位：Ω·m）。不同的導(dǎo)體，一般ρ值也不同。表1-1列出了一些常見導(dǎo)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(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，為了減少電能在導(dǎo)線上的損耗，讓負載得到較大電流，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)，還受溫度影響。一般情況下，導(dǎo)體的溫度越高，其電阻越大。例如，在常溫下，燈泡（白熾燈）內(nèi)部鎢絲的電阻很小；在通電后，鎢絲的溫度上升到千度以上，其電阻急劇增大；在導(dǎo)體溫度下降后，電阻減小。某些導(dǎo)電材料在溫度下降到某一值時（如-109℃），電阻會突然變?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、電壓和電動勢

對于初學(xué)者而言可能較難理解電位、電壓和電動勢的概念。下面通過圖1-4所示的水流示意圖說明這些術(shù)語。

水泵將河中的水抽到山頂?shù)腁處，水到達A處后再流到B處，水到達B處后流往C處（河中），同時水泵又將河中的水抽到A處，使得水不斷循環(huán)流動。水為什么能從A處流到B處，又從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。

若要測量A處和B處水位的高度，則必須找一個基準點（零點），就像測量人的身高時要選擇腳底為基準點一樣，這里以河的水面為基準（C處）。A、C之間的垂直高度為A處水位的高度，用HA表示；B、C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處的水位高度不一樣，因此存在水位差，該水位差用HAB表示，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處有水，需要水泵將低水位的河水抽到高處的A點。

1. 電位

電路中的電位、電壓和電動勢與上述水流情況相似，其說明圖如圖1-5所示。

電源的正極先輸出電流，流到A點；再經(jīng)R1流到B點；然后通過R2流到C點；最后流到電源的負極。

與水流示意圖相似，圖1-5中的A、B點也有高低之分，只不過不是水位，而稱為電位（A點電位較B點電位高）。為了計算電位的高低，需要找一個基準點作為零點。為了表明某點為基準點，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(guī)定為0V，電位的單位不是米，而是伏特（簡稱伏），用“V”表示。在圖1-5中，C點的電位為0V（該點標(biāo)有接地符號）；A點的電位為3V，表示為UA=3V；B點的電位為1V，表示為UB=1V。

2. 電壓

在圖1-5中，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，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點之間的電位差，實際上就是電阻器R1兩端的電位差（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(nèi)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(dāng)然，電源內(nèi)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(xué)能）。電源通過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。在圖1-5中，電源的電動勢為3V。

由于電源內(nèi)部的電流方向是由負極流向正極的，故電源的電動勢方向為從電源負極指向正極。

1.1.4　電路的三種狀態(tài)

電路有三種狀態(tài)：通路、開路和短路。電路的三種狀態(tài)如圖1-6所示。

1 電路特點：電路暢通，有正常的電流流過負載，負載正常工作。

2 電路特點：電路斷開，無電流流過負載，負載不工作。

3 電路特點：電路中有很大電流流過，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(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，常用圖1-7所示的符號表示。接地符號含義說明如圖1-8所示。

? 在電路圖中，接地符號處的電位規(guī)定為0V，如圖1-8（a）所示。

? 在電路圖中，標(biāo)有接地符號處的地方是相通的。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，因此兩個電路中的燈泡都會亮。

? 在強電設(shè)備中，常常將設(shè)備的外殼與大地連接，當(dāng)設(shè)備的絕緣性能變差而使外殼帶電時，可迅速通過接地線將電泄放到大地，從而避免人體觸電。強電設(shè)備的接地如圖1-9所示。

2. 屏蔽

在電氣設(shè)備中，為了防止某些元器件和電路在工作時受到干擾，或者為了防止某些元器件和電路在工作時產(chǎn)生影響其他電路正常工作的干擾信號，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。屏蔽符號如圖1-10所示。

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