作者：王兰君,黄海平,王文婷
出版社：人民邮电出版社
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电工实战——基础知识精讲(双色版)试读：
前言
随着电气化程度的日益提高，各种电气设备大量增加，电工、电子技术已经渗透到了社会的各个层面。这为电气行业的求职人员提供了更为广阔的就业前景。
为了满足初学电工人员想用较短的时间学习实用技术的要求，我们根据多年来的实际工作经验，以新颖的形式，编写了《电工实战——基础知识精讲（双色版）》一书，目的是为初学电工人员的实际工作提供更贴切的技术知识和技能上的必要帮助，并取得好的效益。
该书集成了技能类图书的写作特色，在内容的设置方面注重理论知识的学习与技能训练的有机结合，充分发挥图解的功能。知识点以实用为准进行讲解，技能演示则依托电工实用案例展开，将操作过程以示意图和实物照片形式演示。让读者达到一看就懂、一学就会、一试就灵的效果。
本书深入浅出、通俗易懂、突出实用，是初学电工技术人员的良师益友。本书突出实用性，内容取材于生产第一线，可应用于生产实际，为广大读者提供了学习、参考的宝贵资料。
为便于读者自学，能够理解、掌握教材内容，本书将专业基础知识和专业应用技能融为一体，力求将技能建立在知识的基础上，使知识为技能服务。
参加本书编写的人员还有邢军、黄鑫、李燕、凌万泉、朱雷雷、凌玉泉、高惠瑾、凌珍泉、贾贵超、李渝陵、刘守真、谭亚林、张杨、刘彦爱等，在此一并表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免有错误和不足之处，恳请广大读者批评指正。编者第1章电工基础知识1.1 电是什么
我们用梳子梳理干燥的头发时，常常会听到“噼噼啪啪”的响声，如果在黑暗中，还会看到一些细小的火花。将这把梳子放到一撮小纸屑的近旁，小纸屑会被梳子吸起来，这种现象叫做摩擦起电。
电是什么呢？为了揭示电的本质，需要从物质的结构谈起。大家知道，自然界的一切物质都是由分子组成的，分子又是由原子组成的。原子是化学元素中的最小微粒，它的体积是极其微小的，例如，最简单的氢原子，其直径大约为一亿分之一（厘米），其他化学元素的原子，也不过比氢原子大上几倍。每一种原子都有一个处在中心的原子核，在原子核周围有若干个电子沿着一定的轨道做着高速度的旋转运动，如同地球和行星围绕太阳旋转一样。一切原子的原子核都是带正电的，而电子是带负电的。在原子未受外来影响时，原子核所带的正电荷，等于它周围所有电子所带的负电荷。这样，原子对外界就不显示电性。带正电的原子核与带负电的电子间有电的吸引力在作用着，依靠正负电荷间的吸引力，把电子束缚在原子核周围的轨道上做旋转运动。
不同的原子，其原子核的质量和它周围的电子数目是不同的。按结构来说，氢原子是最简单的，它由一个原子核和一个电子组成。铜原子的结构较为复杂，它由一个原子核和29个电子组成，如图1-1所示。金属类的原子，原子核周围电子数量较多，它们分布在2层、3层或更多层轨道上。值得注意的是，那些处在最外层轨道上的电子，它们距离原子核比较远，与原子核的联系比较弱，在受到外界因素（如热、光、机械力）影响时，很容易脱离自己的轨道，不再受原子核的束缚，成为自由电子。金属等物质都具有不稳固的外层电子，在332常温下就会脱离轨道成为自由电子（例如，每1cm铜中包含8×10个自由电子）。这些自由电子在分子或原子间做着紊乱的无规则运动。图1-1 氢原子与铜原子结构示意图
如果原子失掉一个或几个外层电子，它的电性中和就被破坏了，这个原子就变成带正电荷的正离子。飞出轨道的电子也可能被另外的原子所吸收，该原子就成为带负电荷的负离子。原来处于中性状态的原子，由于失去电子或额外地获得电子，变成带电的离子的过程，叫做电离。1.2 电流
金属中含有大量的自由电子，当我们把金属导体和一个电池接成闭合回路时，导体中的自由电子（负电荷）就会受到电池负极的排斥和正极的吸引，而朝着电池正极运动，如图1-2所示。自由电子的这种有规则的运动，形成了金属导体中的电流。习惯上人们都把正电荷移动的方向定为电流的方向，它与电子移动的方向相反。图1-2 电流的形成
在实际工作中，我们常常需要知道电路中电流的大小。电流的大小可以用每单位时间内通过导体任一横截面的电荷量来计量，称为电流强度，简称电流。电流强度的单位是安培，它是这样规定的：1秒18钟内通过导体横截面上的电荷量为1库仑（1库仑相当于6.242×10个电子所带的电荷量），则电流强度就是1安培，即
安培用符号“A”表示。在实际工作中，还常常用到较小的单位，它们的关系是
大小和方向都不随时间而变化的电流，称为直流电流，如图1-3（a）所示；方向始终不变，而大小随时间而变化的电流，称为脉动电流，如图1-3（b）所示；大小和方向均随时间作周期性变化的电流，称为交流电流，如图1-3（c）所示。图1-3 电流的波形
例题1 在1（h）内通过导体横截面的电荷量（Q）为900（C），求电流强度。
解：电流强度可按下式求出
式中，I为电流强度，单位为安培（A）；Q为电荷量，单位为库仑（C）；t为时间，单位为秒（s）。
例题2 电路的电流为0.5A，试求2min内流过电路的电荷量。
解：Q=It=0.5×2×60=60（C）1.3 电动势和电压
大家对手电筒的电路都比较熟悉吧！它有一个小小的灯泡，通过金属导线和开关与干电池相连接，如图1-4所示。把开关合上，小灯泡就亮了；把开关断开，小灯泡就熄灭。这正说明只有在闭合电路里才能有电流流通。这种闭合的电流通路，叫做闭合电路或回路。
图1-4中，干电池是产生电流的源泉，称为电源；小灯泡是消耗电能的元件，称为负载；电源和负载之间利用金属导线连接成闭合回路。电源、负载和连接导线是构成电路的不可缺少的部件。图1-4 手电筒的电路
为什么电源能推动电荷在电路里循环不断地流通呢？为了更容易理解电流的现象，人们时常将电流现象同水流现象相比拟。假如有A、B两个水槽，如图1-5所示，水槽之间用管子连通，如果两个水槽的水面一样高，水管中就不会有水流动。只有当两个水槽的水位一个高一个低时，水才会从水位高的水槽通过管子流向水位低的水槽。这就是说，有了水位差，就有了使水流动的压力，所以水位差也叫做水压。水位差越大，水流就越急。同样，为了使电荷在电路中流动，也需要有电位差。在一段电路上，当有电位差存在时，电流就会从高电位点流向低电位点，这两点之间就好像有一种“压力”存在，这种“压力”就叫做电压。那么，所谓高电位和低电位指的又是什么呢？图1-5 水位差与水流
电荷在电路中流通的情况，可以用如图1-6所示的导电通路来解释。产生电流的源泉是电源，任何一种电源都有两个电极，一个是正极，它缺少电子带正电；另一个是负极，它多余电子带负电。如果用导线把负载和电源接成闭合回路，电路中的自由电子就会受到正极的吸引和负极的排斥，形成由负极经外电路流向正极的电子流。按照电流方向跟电子流方向相反的规定，在外电路中，电流总是从电源的正极流向电源的负极。这样，我们就认为，电源的正极对负极具有高电位，而负极对正极具有低电位。和水流情况相仿，电源正、负极间的高、低电位之差叫做电位差，也叫做电压。图1-6 电位差与电流
在水路中，为了使水在水管中持续流动，可以用水泵来维持一定的水位差。同样，为了使电流在电路中持续流动，就需要接入电源，电源就如同一个推动电子流动的“泵”。电源实质上是一种能量的转换装置：干电池和蓄电池把化学能转换成电能；发电机把机械能转换成电能……在电源内部进行能量转换的过程中，产生一种电源力，它不断地把电子从正极“搬运”到负极，使正极缺少电子，负极多余电子，由此建立并且维持正极和负极之间具有一定的电位差，使电流在电路中持续不断地流通。
为了衡量各种电源转换能量的本领，我们引入了一个叫做“电动势”的物理量。电动势用字母“E”来表示，它的单位是伏特，符号为V。1V就是在电源内部，把具有1C电量的电子从正极移动到负极，电源力所做的功为1J。所以，电动势表示电源所具有的维持一定电压的作用。由于电源存在着电动势，因此能保持正极的电位高于负极的电位。
电压的单位和电动势的单位一样，都是伏特，但电压却指的是在任意一段电路上，把电荷从电路的一端推向另一端时，电场力所做的功。而电动势则是电源内部所具有的把电子从正极“搬运”到负极，建立并维持电位差的本领。所以电动势的方向是从负极到正极，即电位升高的方向；电压的方向是从正极到负极，即电位降低的方向。电压和电动势的基本单位是伏特，也常用到较大的单位和较小的单位，它们之间的关系是：3
1千伏（kV）=10伏特（V）–3
1毫伏（mV）=10伏特（V）–6
1微伏（μV）=10伏特（V）1.4 电阻
自由电子在导体中沿一定方向流动时，不可避免地会遇到阻力，这种阻力是自由电子与导体中的原子发生碰撞而产生的。导体中存在的这种阻碍电流通过的阻力叫电阻，电阻用符号R或r表示。
电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”来表示。如果在电路两端所加的电压是1伏特，流过这段电路的电流恰好是1安培，那么这段电阻就定为1欧姆。在实际工作中，如果电阻比较大，常常采用较大的单位，它们之间的关系是：3
1千欧（kΩ）=10欧姆（Ω）6
1兆欧（MΩ）=10欧姆（Ω）
电阻在电路图中的符号如图1-7所示。图1-7（a）表示固定电阻，图1-7（b）表示可变电阻。图1-7 电阻的符号
物体电阻的大小与制成物体的材料、几何尺寸及温度有关。一般导线的电阻可由以下公式求得2
式中，l为导线长度（m）；S为导线的横截面积（mm）；ρ为电2阻系数，也称电阻率，单位为（Ω·mm/m）。
电阻系数ρ是电工计算中的一个重要物理常数，不同材料物体的电阻率各不相同，它的数值相当于用这种材料制成长1m、横截面积2为1mm的导线，在温度为20℃时的电阻值。电阻系数直接反映着各种材料导电性能的好坏。材料的电阻系数越大，表示它的导电性能越差；电阻系数越小，则表示导电性能越好。常用导体材料的电阻系数如表1-1所示。表1-1 常用金属的电阻系数（20℃）
例题3 一根铜导线，直径为1mm，长度为10m，试计算该导线在20℃时的电阻。
解：先求导线的截面积2
查表1-1得，铜的电阻系数ρ=0.017 5（Ω·mm /m）
则导线在20℃时的电阻R为
例题4 装配某电表需要自制一个30Ω的电阻器，采用直径为0.12mm的康铜丝，问需要多长的康铜丝？
解：康铜丝的截面积为
康铜丝的长度
例题 5 架设一条照明线路，线路长度为 1 000m，要求每条输电线的电阻为5Ω，求所用铝线的截面积。1.5 欧姆定律
在一段电路两端加上电压，就能产生电流，电流流过电路，又不可避免地会遇到阻力，称其为电阻。那么，电压、电流和电阻这3个基本物理量之间到底存在着什么关系呢？德国物理学家欧姆，经过大量实验，于1827年确定了电路中电流、电压和电阻三者之间的关系，总结出一条最基本的电路定律——欧姆定律。欧姆定律指出：在一段电路中，流过该段电路的电流与电路两端的电压成正比，与该段电路的电阻成反比，可用式（1-3）表示
式中，R为电阻（Ω）；I为电流（A）；U为电压（V）。
式（1-3）还可以写成以下形式，即
式（1-4）的物理意义是：电流I流过电阻R时，会在电阻R上产生电压降。电流I越大，电阻R越大，电阻上产生的电压降就越大。
欧姆定律也可用式（1-5）表示
式（1-5）的物理意义是：在任何一段电路两端加上一定的电压U，可以测量出流过这段电路的电流I，这时，我们可以把这段电路等效为一个电阻R。这个重要概念，在电路分析与计算中经常用到。
例题6 有一个手电筒的小灯泡在通电点燃时的灯丝电阻为10Ω，两节干电池串联后的电压为3V，求通过小灯泡的电流。
解：根据欧姆定律得
例题7 一个信号灯，其额定电压为6.3V，工作电流为0.2A，今欲接入12V的电源，用一个线绕电阻降压，如图1-8所示，问降压电阻的阻值应为多大？图1-8 例题7插图
解：为保证信号灯得到所需的6.3V电压，降压电阻上应降落12-6.3=5.7V电压，为此，降压电阻的阻值为
例题8 一段导线的电阻为2.4Ω，通过导线的电流为4.6A，求这段导线上的电压降。
解：U=IR=4.6×2.4=11.04（V）1.6 电阻的串联
如果电路中有两个或更多的电阻一个接一个地顺序相连，并且这些电阻通过同一电流，那么，这种连接方式就称为电阻的串联。图1-9是两个电阻串联的电路。图1-9 电阻的串联
由于电流只有一条通路，所以电路的总电阻R必然等于各串联电阻之和，即
R称为电阻串联电路的等效电阻。
电流I流过电阻R和R时都要产生电压降，分别用U和U表示，1212即
电路的外加电压U，等于各串联电阻上的电压降之和，即
显然，电阻串联电路可以看作是一个分压电路，两个串联电阻上的电压分别为
式（1-9）常称为分压公式，它确定了电阻串联电路外加电压U在各个电阻上的分配原则。显然，每个电阻上的电压大小，决定于该电阻在总电阻中所占的比例，这个比值称为分压比。图1-10 例题9插图
例题9 如图1-10所示，270Ω的电位器（可变电阻）两边分别与350Ω及550Ω的电阻串联，组成一个分压电路，该串联电路的输入电压U=12V，试计算输出电压U的变化范围。12
解：当电位器的滑动触点滑至最上端时
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