第1章 家装水电工电气基础

1.1 基本电气常识

1.1.1 电路与电路图

图1-1（a）所示是一个简单的实物电路，该电路由电源（电池）、开关、导线和灯泡组成。电源的作用是提供电能；开关、导线的作用是控制和传递电能，称为中间环节；灯泡是消耗电能的用电器，它能将电能转变为光能，称为负载。因此，电路是由电源、中间环节和负载组成的。

图1-1（a）所示为实物电路，使用实物图来绘制电路很不方便，为此人们就采用一些简单的图形符号代替实物的方法来画电路，这样画出的图形就称为电路图。图1-1（b）所示的图形就是图1-1（a）所示实物电路的电路图，不难看出，用电路图来表示实际的电路非常方便。

1.1.2 电流与电阻

1.电流

在图1-2所示电路中，将开关闭合，灯泡会发光，为什么会这样呢？原来当开关闭合时，带负电荷的电子源源不断地从电源负极经导线、灯泡、开关流向电源正极。这些电子在流经灯泡内的钨丝时，钨丝会发热，温度急剧上升而发光。

大量的电荷朝一个方向移动（又称定向移动）就形成了电流，这就像公路上有大量的汽车朝一个方向移动就形成“车流”一样。实际上，我们把电子运动的反方向作为电流方向，即把正电荷在电路中的移动方向规定为电流的方向。图1-2所示电路的电流方向：电源正极→开关→灯泡→电源的负极。

电流用字母“I”表示，单位为安培（简称安），用“A”表示，比安培小的单位有毫安（mA）、微安（μA），它们之间的关系为

1A=103mA=106µA

2.电阻

在图1-3（a）所示电路中，给电路增加一个元器件——电阻器，发现灯光会变暗，该电路的电路图如图1-3（b）所示。为什么在电路中增加了电阻器后灯泡会变暗呢？原来电阻器对电流有一定的阻碍作用，从而使流过灯泡的电流减小，灯泡变暗。

导体对电流的阻碍称为该导体的电阻，电阻用字母“R”表示，电阻的单位为欧姆（简称欧），用“Ω”表示，比欧姆大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ），它们之间的关系为

1MΩ=103kΩ=106Ω

导体的电阻计算公式为

式中，L为导体的长度，单位是m;S为导体的横截面积，单位是m2;ρ为导体的电阻率，单位是Ω· m。不同的导体，ρ值一般不同。表1-1列出了一些常见导体的电阻率（20℃时）。

在长度L和横截面积S相同的情况下，电阻率越大的导体其电阻越大，例如，L、S相同的铁导线和铜导线，铁导线的电阻约是铜导线的5.9倍，由于铁导线的电阻率较铜导线大很多，为了减小电能在导线上的损耗，让负载得到较大电流，供电线路通常采用铜导线。

导体的电阻除了与材料有关外，还受温度影响。一般情况下，导体温度越高电阻越大，例如，常温下灯泡（白炽灯）内部钨丝的电阻很小，通电后钨丝的温度上升到千摄氏度以上，其电阻急剧增大；导体温度下降电阻减小，某些导电材料在温度下降到某一值时（如-109℃）,电阻会突然变为零，这种现象称为超导现象，具有这种性质的材料称为超导材料。

1.1.3 欧姆定律

欧姆定律是电工电子技术中的一个基本的定律，它反映了电路中电阻、电流和电压之间的关系。欧姆定律分为部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律。

1.部分电路欧姆定律

部分电路欧姆定律内容：在电路中，流过导体的电流I的大小与导体两端的电压U成正比，与导体的电阻R成反比，即

也可以表示为U=IR或R=U/I。

如图1-4（a）所示，已知电阻R=10Ω，电阻两端电压UAB=5V，那么流过电阻的电流。

又如图1-4（b）所示，已知电阻R=5Ω，流过电阻的电流I=2A，那么电阻两端的电压UAB=I·R=（2×5）V=10V。

在图1-4（c）所示电路中，流过电阻的电流I=2A，电阻两端的电压UAB=12V，那么电阻的大小。

2.全电路欧姆定律

全电路是指含有电源和负载的闭合回路。全电路欧姆定律又称闭合电路欧姆定律，其内容如下：闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的内、外电阻之和成反比，即

下面以图1-5所示电路来说明全电路欧姆定律，图中点画线框内为电源，R0表示电源的内阻，E表示电源的电动势。当开关S闭合后，电路中有电流I流过，根据全电路欧姆定律可求得。电源输出电压（即电阻R两端的电压）U=IR=1×10V=10V，内阻R 0两端的电压U 0=IR 0=1×2V=2V。如果将开关S断开，电路中的电流I=0A，那么内阻R 0上消耗的电压U0=0V，电源输出电压U与电源电动势相等，即U=E=12V。

根据全电路欧姆定律不难看出以下几点。

① 在电源未接负载时，不管电源内阻多大，内阻消耗的电压始终为0V，电源两端电压与电动势相等。

② 当电源与负载构成闭合电路后，由于有电流流过内阻，内阻会消耗电压，从而使电源输出电压降低。内阻越大，内阻消耗的电压越大，电源输出电压越低。

③ 在电源内阻不变的情况下，如果外阻越小，电路中的电流越大，内阻消耗的电压也越大，电源输出电压也会降低。

由于正常电源的内阻很小，内阻消耗的电压很低，因此一般情况下可认为电源的输出电压与电源电动势相等。

利用全电路欧姆定律可以解释很多现象。例如，用仪表测得旧电池两端电压与正常电压相同，但将旧电池与电路连接后除了输出电流很小外，电池的输出电压也会急剧下降，这是因为旧电池内阻变大的缘故；又如，将电源正、负极直接短路时，电源会发热甚至烧坏，这是因为短路时流过电源内阻的电流很大，内阻消耗的电压与电源电动势相等，大量的电能在电源内阻上消耗并转换成热能，故电源会发热。

1.1.4 电功、电功率和焦耳定律

1.电功

电流流过灯泡，灯泡会发光；电流流过电炉丝，电炉丝会发热；电流流过电动机，电动机会运转。由此可以看出，电流流过一些用电设备时是会做功的，电流做的功称为电功。用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电压及流过的电流有关，而且与通电时间长短有关。电功可用下面的公式计算：

W=UIt

式中，W表示电功，单位是焦耳（J）;U表示电压，单位是伏（V）;I表示电流，单位是安（A）;t表示时间，单位是秒（s）。

电功的单位是焦耳（J），在电学中还常用到另一个单位：千瓦时（kW·h），又称度。1kW·h=1度。千瓦时与焦耳的换算关系是

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

1kW· h可以这样理解：一个电功率为100W的灯泡连续使用10h，消耗的电功为1kW· h（即消耗1度电）。

2.电功率

电流需要通过一些用电设备才能做功。为了衡量这些设备做功能力的大小，引入一个电功率的概念。电流单位时间做的功称为电功率。电功率用“P ”表示，单位是瓦（W），此外，还有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它们之间的换算关系是

1kW=103W=106mW

电功率的计算公式是

P=UI

根据欧姆定律可知U=IR,I=U/R，所以电功率还可以用公式P=I2R和P=U2/R来计算。

电功率的计算举例：在图1-6所示电路中，白炽灯两端的电压为220V（它与电源的电动势相等），流过白炽灯的电流为0.5A，求白炽灯的功率、电阻和白炽灯在10s所做的功。

白炽灯的功率：　　　　 P=UI=220V·0.5A=110V·A=110W

白炽灯的电阻：　　　　 R=U/I=220V/0.5A=440V/A=440Ω

白炽灯在10s做的功：　　　W=UIt=220V·0.5A·10s=1 100J

3.焦耳定律

电流流过导体时导体会发热，这种现象称为电流的热效应。电热锅、电饭煲和电热水器等都是利用电流的热效应来工作的。

英国物理学家焦耳通过实验发现：电流流过导体，导体发出的热量与导体流过的电流、导体的电阻和通电的时间有关。焦耳定律具体内容：电流流过导体产生的热量，与电流的平方及导体的电阻成正比，与通电时间也成正比。由于这个定律除了由焦耳发现外，俄国科学家楞次也通过实验独立发现，故该定律又称焦耳-楞次定律。

焦耳定律可用下面的公式表示：

Q=I2Rt

式中，Q表示热量，单位是焦耳（J）;R表示电阻，单位是欧姆（Ω）;t表示时间，单位是秒（s）;I表示电流，单位是安培（A）。

举例：某台电动机额定电压是220V，线圈的电阻为0.4Ω，当电动机接220V的电压时，流过的电流是3A，求电动机的功率和线圈每秒发出的热量。

电动机的功率：　　　　　P=UI=220V×3A=660W

电动机线圈每秒发出的热量：Q=I 2Rt=(3A)2×0.4Ω×1s=3.6J