作者：蔡杏山
出版社：人民邮电出版社
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家装水电工自学手册试读：
前言
PREFACE在当今社会，各领域的电气化程度越来越高，这使电气及相关行业需要越来越多的电工技术人才。要想掌握电工技术并达到较高的层次，可以在培训机构培训，也可以在职业学校系统学习，还可以自学成才，无论是哪种情况，都需要一些合适的学习图书，选择一些好图书，不但可以让学习者轻松迈入电工技术大门，而且能让学习者的技术水平迅速提高，快速成为电工技术领域的人才。
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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。图1-1 一个简单的实物电路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。图1-2 电流说明图
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361A=10mA=10µA
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。图1-3 电阻说明图
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361MΩ=10kΩ=10Ω
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2m;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）。表1-1 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U=5V，AB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U=I·R=（2×5）V=10V。AB
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U=12V，那么电阻的大小。AB图1-4 欧姆定律的三种形式
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，R表示电源的内阻，E表示电源的电动势。当开关S闭合后，0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 两端的电压U =IR =1×2V=2V。如果将000开关S断开，电路中的电流I=0A，那么内阻R 上消耗的电压U=0V，00电源输出电压U与电源电动势相等，即U=E=12V。图1-5 全欧姆定律说明图
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3661kW·h=1×10W×（60×60）s=3.6×10W·s=3.6×10J
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361kW=10W=10mW
电功率的计算公式是P=UI2
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=IR2和P=U/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。图1-6 电功率计算例图
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：2Q=IRt
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=660W22
电动机线圈每秒发出的热量：Q=I Rt=(3A)×0.4Ω×1s=3.6J1.2 直流电、单相交流电和三相交流电1.2.1 直流电
直流电是指方向始终固定不变的电压或电流。能产生直流电的电源称为直流电源，常见的干电池、蓄电池和直流发电机等都是直流电源，直流电源常用图1-7（a）所示的图形符号表示。直流电的电流方向总是由电源正极流出，再通过电路流到负极。在图1-7（b）所示的直流电路中，电流从直流电源正极流出，经电阻R和灯泡流到负极结束。
直流电又分为稳定直流电和脉动直流电。
稳定直流电是指方向固定不变并且大小也不变的直流电。稳定直流电可用图1-8（a）所示波形表示，稳定直流电的电流I的大小始终保持恒定（始终为6mA），在图中用直线表示；直流电的电流方向保持不变，始终是从电源正极流向负极，图1-8（a）中的直线始终在t轴上方，表示电流的方向始终不变。图1-7 直流电源图形符号与直流电路
脉动直流电是指方向固定不变，但大小随时间变化的直流电。脉动直流电可用图1-8（b）所示的波形表示，从图中可以看出，脉动直流电的电流I的大小随时间作波动变化（如在t时刻电流为6mA，在t12时刻电流变为4mA），电流大小波动变化在图中用曲线表示；脉动直流电的方向始终不变（电流始终从电源正极流向负极），图中的曲线始终在t轴上方，表示电流的方向始终不变。图1-8 两种类型的直流电1.2.2 单相交流电
交流电是指方向和大小都随时间作周期性变化的电压或电流。交流电类型很多，其中最常见的是正弦交流电，因此这里就以正弦交流电为例来介绍交流电。
1.正弦交流电
正弦交流电的图形符号、电路和波形如图1-9所示。图1-9 正弦交流电的图形符号、电路和波形
下面以图1-9（b）所示的交流电路来说明图1-9（c）所示正弦交流电波形。
① 在0～t期间：交流电源e的电压极性是上正下负，电流I的方1向是交流电源上正→电阻R→交流电源下负，并且电流I逐渐增大，电流逐渐增大在图1-9（c）中用波形逐渐上升表示，t时刻电流达到最1大值。
② 在t～t期间：交流电源e的电压极性仍是上正下负，电流I的12方向仍是交流电源上正→电阻R→交流电源下负，但电流I逐渐减小，电流逐渐减小在图1-9（c）中用波形逐渐下降表示，t时刻电流为0。2
③ 在t～t期间：交流电源e的电压极性变为上负下正，电流I的23方向也发生改变，图1-9 （c）中的交流电波形由t轴上方转到下方表示电流方向发生改变，电流I的方向是交流电源下正→电阻R→交流电源上负，电流反方向逐渐增大，t时刻反方向的电流达到最大值。3
④ 在t～t期间：交流电源e的电压极性仍为上负下正，电流仍34是反方向，电流的方向是交流电源下正→电阻R→交流电源上负，电流反方向逐渐减小，t时刻电流减小到0。4
t时刻以后，交流电源的电流大小和方向变化与0～t期间变化相44同。实际上，交流电源不但电流大小和方向按正弦波变化，其电压大小和方向变化也像电流一样按正弦波变化。
2.周期和频率
周期和频率是交流电常用的两个概念，下面以图1-10所示的正弦交流电波形图来说明。图1-10 正弦交流电的周期、频率和瞬时值说明图（1）周期
从图1-10可以看出，交流电变化过程是不断重复的，交流电重复变化一次所需的时间称为周期，周期用“T”表示,单位是秒（s）。图1-10所示交流电的周期为T=0.02s，说明该交流电每隔0.02s就会重复变化一次。（2）频率
交流电在每秒内重复变化的次数称为频率，频率用“f ”表示，它是周期的倒数，即
频率的单位是赫兹（Hz）。图1-10所示交流电的周期T=0.02s，那么它的频率f=1/T=1/0.02=50Hz，该交流电的频率f=50Hz，说明在1s内交流电能重复0～t这个过程50次。交流电变化越快，变化一次4所需要时间越短，周期越短，频率就越高。
3.瞬时值和有效值（1）瞬时值
交流电的大小和方向是不断变化的，交流电在某一时刻的值称为交流电在该时刻的瞬时值。以图1-10所示的交流电压为例，它在t时1刻的瞬时值为220V（约为311V），该值为最大瞬时值，在t时刻2瞬时值为0V，该值为最小瞬时值。（2）有效值
交流电的大小和方向是不断变化的，这给电路计算和测量带来不便，为此引入有效值的概念。下面以图1-11所示电路来说明有效值的含义。
图1-11所示两个电路中的电热丝完全一样，现分别给电热丝通交流电和直流电，如果两电路通电时间相同，并且电热丝发出热量也相同，对于电热丝来说，这里的交流电和直流电是等效的，那么就将图1-11（b）中直流电的电压值或电流值称为图1-11（a）中交流电的有效电压值或有效电流值。图1-11 交流电有效值的说明图
交流市电电压为220V指的就是有效值，其含义是虽然交流电压时刻变化，但它的效果与220V直流电是一样的。若无特别说明，交流电的大小通常是指有效值，测量仪表的测量值一般也是指有效值。正弦交流电的有效值与瞬时最大值的关系是最大瞬时值=×有效值
例如，交流市电的有效电压值为220V，它的最大瞬时电压值=220≈311（V）。1.2.3 三相交流电
1.三相交流电的产生
目前应用的电能绝大多数是由三相发电机产生的，三相发电机与单相发电机的区别在于:三相发电机可以同时产生并输出三组电源，而单相发电机只能输出一组电源，因此三相发电机效率较单相发电机更高。三相交流发电机的结构示意图如图1-12所示。
从图1-12中可以看出，三相发电机主要由互成120°且固定不动的U、V、W三组线圈和一块旋转磁铁组成。当磁铁旋转时，磁铁产生的磁场切割这三组线圈，这样就会在U、V、W三组线圈中分别产生交流电动势，各线圈两端就分别输出交流电压U、U、U，这三组UVW线圈输出的三组交流电压就称为三相交流电压。图1-12 三相交流发电机的结构示意图
无论磁铁旋转到哪个位置，穿过三组线圈的磁感线都会不同，所以三组线圈产生的交流电压波形也就不同。三相交流发电机产生的三相交流电波形如图1-13所示。图1-13 三相交流发电机产生的三相交流电波形
2.三相交流电的供电方式
三相交流发电机能产生三相交流电压，将这三相交流电压供给用户可采用三种方式：直接连接供电、星形连接供电和三角形连接供电。（1）直接连接供电方式
直接连接供电方式如图1-14所示。
直接连接供电方式是将发电机三组线圈输出的每相交流电压分别用两根导线向用户供电，这种方式共需用到六根供电导线，如果在长距离供电时采用这种供电方式会使成本很高。（2）星形连接供电方式
星形连接供电方式如图1-15所示。图1-14 直接连接供电方式
星形连接是将发电机的三组线圈末端都连接在一起，并接出一根线，称为中性线（N），三组线圈的首端各引出一根线，称为相线，这三根相线分别称为U相线（L1）、V相线（L2）和W相线（L3）。三根相线分别连接到单独的用户，而中性线则在用户端一分为三，同时连接三个用户，这样发电机三组线圈上的电压就分别提供给各自的用户。在这种供电方式中，发电机三组线圈连接成星形，并且采用四根线来传送三相电压，故称为三相四线制星形连接供电方式。图1-15 星形连接供电方式
任意一根相线与中性线之间的电压都称为相电压U，该电压实P际上是任意一组线圈两端的电压。任意两根相线之间的电压称为线电压U。从图1-15中可以看出，线电压实际上是两组线圈上的相电压叠L加得到的，但线电压U的值并不是相电压U的2倍，因为任意两组线LP圈上的相电压的相位都不相同，不能进行简单的乘2来求得。根据理论推导可知，在星形连接时，线电压是相电压的倍，即
如果相电压U=220V，根据上式可计算出线电压U约为380V。PL（3）三角形连接供电方式
三角形连接供电方式如图1-16所示。图1-16 三角形连接供电方式
三角形连接是将发电机的三组线圈首末端依次连接在一起，连接方式呈三角形，在三个连接点各接出一根线，分别称为U相线（L1）、V相线（L2）和W相线（L3）。将三根相线按图1-16所示的方式与用户连接，三组线圈上的电压就分别提供给各自的用户。在这种供电方式中，发电机三组线圈连接成三角形，并且采用三根线来传送三相电压，故称为三相三线制三角形连接供电方式。
三角形连接方式中，相电压U（每组线圈上的电压）和线电压PU（两根相线之间的电压）是相等的，即LU=ULP
3.三相交流电的远距离传送
发电部门的发电机将其他形式的能（如水能、风能、热能和核能等）转换成电能，电能再通过导线传送给用户。由于用户与发电部门的距离往往很远，电能传送需要很长的导线，电能在传送的过程中，2导线对电能有损耗，根据焦耳定律Q=IRt可知，导线对电能的损耗主要与流过导线的电流和导线本身的电阻有关，电流、电阻越大，导线
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