第1章　家裝電工常用知識(shí)與技能

1.1　電工學(xué)基本知識(shí)

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(dú)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(fù)電荷。正常情況下物體所帶正電荷和負(fù)電荷的數(shù)量是相等的，對(duì)外界表現(xiàn)為不帶電。只有由于某種原因，使得負(fù)電荷多于（或少于）正電荷時(shí)，這個(gè)物體才表現(xiàn)為帶電。

兩個(gè)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(lái)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(lái)表示，但實(shí)際使用時(shí)，這個(gè)單位太小，我們采用庫(kù)侖（C）作為電量的單位，1庫(kù)侖等于6.24×1018個(gè)電子電荷。

（2）電流

導(dǎo)體內(nèi)的自由電子或離子在電場(chǎng)力的作用下有規(guī)律的流動(dòng)叫做電流。人們規(guī)定正電荷移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯恼较颉?/p>

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面積的電量即為電流強(qiáng)度，習(xí)慣上簡(jiǎn)稱為電流。用字母I表示，I=單位為安培（A），實(shí)際使用中還有kA、mA、μA。

大小和方向都不隨時(shí)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(shí)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(guò)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(chǎng)叫電場(chǎng)。

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

在電場(chǎng)中任意選擇一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，單位正電荷從某一點(diǎn)移動(dòng)到參考點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)力所做的功也就是電場(chǎng)中該點(diǎn)的電位，而參考點(diǎn)本身的電位則為零。

電場(chǎng)中任意兩點(diǎn)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(diǎn)的選擇是任意的，而參考點(diǎn)的選擇對(duì)各點(diǎn)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(shí)，通常取無(wú)窮遠(yuǎn)處作為電位的參考點(diǎn)，在實(shí)際工作中，通常取大地作為電位的參考點(diǎn)，在電子設(shè)備中，通常取設(shè)備外殼作為電位的參考點(diǎn)。

（4）電動(dòng)勢(shì)

電動(dòng)勢(shì)等于電源力將單位正電荷從電源負(fù)極移動(dòng)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(gè)磁性最強(qiáng)的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域叫磁極。并且同一磁體的兩個(gè)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(chǎng)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(chǎng)。

為了直觀、形象地描述磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)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(diǎn)的切線方向就表示該點(diǎn)的磁力線方向，也就是小磁針在磁力作用下靜止時(shí)N極所指的方向。通常用磁力線方向來(lái)表示磁場(chǎng)方向，用磁力線的疏密程度表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。磁力線越密，磁場(chǎng)越強(qiáng)。磁力線越疏，磁場(chǎng)越弱。

（3）磁通

垂直穿過(guò)磁場(chǎng)中某一截面的磁力線條數(shù)，反映了磁場(chǎng)中這一截面上磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。把垂直穿過(guò)磁場(chǎng)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(yīng)強(qiáng)度

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

磁感應(yīng)強(qiáng)度不僅有大小，而且有方向。磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向就是磁場(chǎng)的方向，也就是小磁針北極在該點(diǎn)的指向。

（5）磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是一個(gè)用來(lái)表示物質(zhì)磁性的物理量，也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)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(dǎo)率為μ0=4π×10-7H/m。

任何一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值，稱為該物質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。用字母μr表示，沒(méi)有單位。

（6）磁場(chǎng)強(qiáng)度

磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小不僅與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流有關(guān)，還與磁場(chǎng)中的介質(zhì)有關(guān)，為了使計(jì)算簡(jiǎn)便，通常用磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)表示磁場(chǎng)。用字母H表示，H=，單位是安培/米（A/m）。

磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與磁場(chǎng)中的介質(zhì)無(wú)關(guān)，方向和所在點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向一致。

1.1.3　電與磁

（1）電流的磁場(chǎng)

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

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

螺旋管內(nèi)部磁場(chǎng)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(chǎng)方向，如圖1-3所示。

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

（2）電磁感應(yīng)

當(dāng)穿過(guò)閉合回路所包圍的面積中的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。回路中所產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流。另一種現(xiàn)象是：當(dāng)閉合回路中的一段導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線時(shí)，導(dǎo)體中也會(huì)產(chǎn)生電流。

直線導(dǎo)體與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與導(dǎo)體切割磁力線的速度v、導(dǎo)體的長(zhǎng)度L和導(dǎo)體所處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，若導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁力線之間的夾角為α，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e=BLvsinα。

直線導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則來(lái)判定：伸開(kāi)右手，讓拇指與其余四指垂直并在一個(gè)平面內(nèi)，使磁力線穿過(guò)掌心，拇指指向切割磁力線的運(yùn)動(dòng)方向，四指的指向就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖1-4所示。

線圈中磁通變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與穿過(guò)線圈的磁通變化率有關(guān)，若線圈的匝數(shù)為N，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向由楞次定律來(lái)判定：感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。也就是說(shuō)，當(dāng)線圈中的磁通增大時(shí)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通與原磁通方向相反。而當(dāng)線圈中的磁通減少時(shí)，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通與原磁通方向相同。

（3）磁場(chǎng)對(duì)電流的作用

處在磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)體會(huì)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(kāi)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(guò)手心，四指指向電流方向，拇指所指方向就是通電導(dǎo)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(guò)的路徑，稱為電路。一個(gè)完整的電路由電源、負(fù)載、輸電導(dǎo)線和控制設(shè)備組成。對(duì)電源來(lái)講，負(fù)載、輸電導(dǎo)線和控制設(shè)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(kāi)）路和短路三種。

（2）正方向

習(xí)慣上規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向（即負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反向）為電流的方向，但在分析較為復(fù)雜的電路時(shí)，往往難以事先判斷某支路中電流的實(shí)際方向，為此，?？扇我饧俣ㄒ粋€(gè)方向作為電流的正方向，或者稱為參考方向。當(dāng)電流的實(shí)際方向與其正方向一致時(shí)，則電流為正值。當(dāng)電流的實(shí)際方向與其正方向相反時(shí)，則電流為負(fù)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(biāo)表示，例如Iab表示電流的正方向由a點(diǎn)指向b點(diǎn)。

電壓、電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dǎo)體能導(dǎo)電，同時(shí)對(duì)電流有阻力作用，這種阻礙電流通過(guò)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(dāng)溫度一定時(shí)，導(dǎo)體的電阻不僅與它的長(zhǎng)度和橫截面積有關(guān)，而且與導(dǎo)體材料自身的電阻率有關(guān)，電阻率又稱為電阻系數(shù)，是衡量物體導(dǎo)電性能好壞的一個(gè)物理量，用字母ρ表示，單位為歐姆·米（Ω·m）。其數(shù)值是指導(dǎo)體的長(zhǎng)度為1m、截面積為1mm2的均勻?qū)w在溫度為20℃時(shí)所具有的電阻值，可見(jiàn)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(shí)，電阻率的變化量與原來(lái)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(gè)以上的電阻元件順序地連接在一起，構(gòu)成一條無(wú)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(diǎn)。

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

R=R1+R2

②串聯(lián)電阻電路中流過(guò)每個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)以上的電阻元件都連接在兩個(gè)共同端點(diǎn)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(diǎn)。

①并聯(lián)電阻電路中各個(gè)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(gè)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(gè)并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和，即：

④并聯(lián)電阻電路中的各個(gè)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(guò)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(shí)際工作中，電源E的內(nèi)電阻r0有時(shí)是不可忽略的，這時(shí)歐姆定律可以寫(xiě)為I=。

我們把上述這個(gè)公式稱為全電路歐姆定律。

（5）電感

當(dāng)交流電流流過(guò)線圈時(shí)，交變的電流將在線圈中產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，這一變化的磁場(chǎng)同時(shí)又在線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象。

穿過(guò)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(jiǎn)稱自感。用字母L表示，單位為亨利（H）。

當(dāng)兩個(gè)線圈相互靠近，其中一個(gè)線圈的電流變化，引起穿過(guò)另一個(gè)線圈所包圍的磁通量跟著變化，而在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做互感現(xiàn)象。由第一個(gè)線圈的電流所產(chǎn)生而與第二個(gè)線圈相關(guān)聯(lián)的磁通，同該電流的比值，叫做第一個(gè)線圈對(duì)第二個(gè)線圈的互感系數(shù)，簡(jiǎn)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(dāng)電感線圈兩端加上交流電壓時(shí)，就有交流電流通過(guò)，電感線圈中將產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，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(guò)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(fù)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(guò)電感的電流90°。并且它們之間的關(guān)系在數(shù)值上也滿足歐姆定律。

（6）電容器

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

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

交流負(fù)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(guò)電容的電流90°。并且它們之間的關(guān)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(shí)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(shuō)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(guó)工頻交流電的頻率為50Hz。

如果某一交流電流i通過(guò)一個(gè)純電阻R，在一個(gè)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(yīng)等效），則這個(gè)直流電流的數(shù)值就是該交流電流的有效值，用大寫(xiě)字母表示。

電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)在一個(gè)周期內(nèi)的最大瞬時(shí)值叫最大值或振幅值。用大寫(xiě)字母表示，下標(biāo)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(guò)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(shí)（kW·h），也就是常說(shuō)的度，1kW·h=3.6×106J。

單位時(shí)間內(nèi)電流通過(guò)用電器所做的功叫電功率。

單位時(shí)間內(nèi)電流通過(guò)純電阻負(fù)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(guò)阻抗性負(fù)載時(shí)并不完全用來(lái)做有用功，我們把這時(shí)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(shí)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(wú)功功率，用Q表示，單位是乏（var）。

能量在轉(zhuǎn)換或傳遞的過(guò)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(duì)稱正弦交流電路

（1）三相對(duì)稱正弦交流電的概念

由三個(gè)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(duì)稱正弦交流電。如果把L1相電壓初相定義為零，則三相對(duì)稱正弦電壓的函數(shù)表達(dá)式為：

三個(gè)相電壓達(dá)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(shuō)明均認(rèn)為采用順序。

（2）三相電路的連接

把三個(gè)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(diǎn)稱為星點(diǎn)。而把三個(gè)電器的每個(gè)首端分別與另一個(gè)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)），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(biāo)得出。

（3）三相負(fù)載的參數(shù)

1）Y形連接

如圖1-8所示，此時(shí)相與線的關(guān)系為：

2）△形連接

如圖1-9所示，此時(shí)相與線的關(guān)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(wú)功功率