第1章　电工基础

1.1　电与磁

1.1.1　电的特性

如图1-1所示，电有同性相斥、异性相吸的特性。

划重点

1　当使用带正电的玻璃棒靠近带正电的软木球时会相互排斥。

2　当使用带负电的橡胶棒靠近带正电的软木球时会相互吸引。

多说两句!

当一个物体与另一个物体相互摩擦时，其中一个物体会失去电子而带正电荷，另一个物体会得到电子而带负电荷。这里所说的电是静电。带电物体所带电荷的数量被称为电量，用Q表示。电量的单位是库仑。1库仑相当于6.24146×1018个电子所带的电量。

电可分为直流电和交流电。

电流是单位时间内通过导体横截面的电量，用符号I或i(t)表示。

图1-2为电流的基本概念和相关知识。

划重点

1　电流方向与电子的移动方向相反。

2　电流是由自由电子的定向移动形成的。电流的方向为正电荷的移动方向。

图1-3为电压的基本概念和相关知识。

1　电压是单位正电荷受电场力的作用从A点移动到B点所做的功。

2　电压的方向为高电位指向低电位。

一般电池、蓄电池等可产生直流电，即电流的大小和方向不随时间变化，记为DC或dc，如图1-4所示。

1　在直流电路中，直流电压的大小及方向都不随时间变化，用大写字母U表示。

2　在直流电路中，直流电流I与时间t的关系在I－t坐标系中为一条与时间轴平行的直线。

图1-5为交流电的特性。交流电流的大小和方向随时间的变化而变化，用AC或ac表示。

划重点

在交流电路中，交流电流的大小和方向（正、负极性）随时间的变化而变化，用字母i（t）表示。

交流电压的大小和方向随时间的变化而变化，用u（t）表示。

1.1.2　磁的特性

任何物质都具有磁性，只是有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何空间都存在磁场，只是有的空间磁场强度强，有的空间磁场强度弱。

图1-6为磁的特性。

1　磁场具有方向性，可将自由转动的小磁针放在磁场中的某一点，小磁针N极所指的方向即为该点的磁场方向，也可使用指南针确定磁场的方向。

2　磁力线是为了理解方便而假想的，即从磁体的N极出发经过空间到磁体的S极，在磁体内部从S极又回到N极，形成一个封闭的环。磁力线的方向就是磁体N极所指的方向。

1.1.3　电磁感应

电流与磁场可以通过某种方式互换，即电流感应出磁场或磁场感应出电流。

1　电流感应出磁场

电流感应出磁场的示意图如图1-7所示。

划重点

1　如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场就越强。

2　通电的螺线管也会产生出磁场。在螺线管外部的磁场形状和一块条形磁铁产生的磁场形状是相同的，判别磁场的方向也遵循右手定则。

图1-8为右手定则示意图。

1　直的金属导线：用右手握住导线，让伸直的大拇指所指的方向跟电流的方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁力线的环绕方向。

划重点

2　螺线管：让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是环形电流中心轴线上磁力线（磁场）的方向。

2　磁场感应出电流

磁场感应出电流的示意图如图1-9所示。

图1-10为电磁感应实验。当闭合回路中一部分导体在磁场中做切割磁力线运动时，回路中就有电流产生；当穿过闭合线圈的磁通发生变化时，线圈中有电流产生。这种由磁产生电的现象，称为电磁感应现象。

1　把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。

2　当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针的偏转程度越大。

3　同样，如果把磁铁插入螺线管，则检流计也会偏转，但是偏转的方向与抽出时相反，检流计指针偏摆表明线圈内有电流。

划重点

1　一部分导体在磁场里做切割磁力线的运动，在导体中可产生感应电流。

2　拖动永磁体，或将永磁体插入线圈，或从线圈中拔出，线圈中的电流大小会发生变化。

图1-11为感应电流方向的判断方法。

感应电流的方向与导体切割磁力线的运动方向和磁场方向有关，即当闭合回路中一部分导体做切割磁力线运动时，所产生的感应电流方向可用右手定则来判断。

伸开右手，使拇指与四指垂直，并都跟手掌在一个平面内，让磁力线穿入手掌，拇指指向导体运动方向，四指所指的方向即为感应电流的方向。

1.2　直流电路

1.2.1　直流电路的结构

直流电路是电流流向不变的电路，是由直流电源、控制器件及负载（电阻、照明灯、电动机等）构成的闭合导电回路。

图1-12为简单的直流电路。

划重点

1　开关断开，电路断开，照明灯不亮，导线中无电流。

2　开关闭合，电路形成回路，照明灯点亮，导线中有电流。

在直流电路中，电流和电压是两个非常重要的基本参数，如图1-13所示。

直流电流的大小用电流强度表示。电流强度的单位为安培，简称安，用大写字母A表示，根据不同的需要，还可以用毫安（mA）和微安（μA）来表示。其换算关系为

1A=103mA

1A=106μA

1.2.2　直流电路的供电方式

直流电路的供电方式主要可以分为电池直接供电、交流-直流变换电路供电两种方式。

1　电池直接供电电路

图1-14为典型的电池直接供电电路。

划重点

+12V蓄电池经电源开关为直流电动机供电，当闭合电源开关时，由蓄电池的正极输出电流，经电源开关、直流电动机到蓄电池的负极构成回路。直流电动机的线圈有电流流过，启动运转。

干电池、蓄电池都是家庭中最常见的直流电源，由这类电池供电是直流电路最直接的供电方式。一般使用直流电动机的小型电器产品、小灯泡、指示灯及大多电工用仪表类设备（万用表、钳形表等）都采用这种供电方式。

2　交流-直流变换电路供电

图1-15为典型的交流-直流变换电路供电。

家用电器一般都连接220V交流电源，而电路中的单元电路和功能部件多需要直流供电。因此，若想使家用电器正常工作，首先就需要通过交流-直流变换电路将输入的220V交流电压变换成直流电压。

图1-16为交流-直流变换电路的应用。

1.3　交流电路

1.3.1　单相交流电路

单相交流电路主要由单相交流供电电源、控制器件和负载构成。图1-17为家庭照明供电电路。该电路属于典型的单相交流电路。

单相交流电路主要有单相两线式、单相三线式两种供电方式。

图1-18为单相两线式交流电路。

单相两线式交流电路是由一根相线和一根零线组成的。取三相三线式高压线中的两根线作为柱上变压器的输入端，经变压处理后，由二次侧输出220V交流电压。

图1-19为单相三线式交流电路。

多说两句!

单相三线式交流电路是由一根相线、一根零线和一根地线组成的。家庭供电线路中的相线和零线来自柱上变压器，地线是住宅的接地线。由于不同的接地点存在一定的电位差，因此零线与地线之间可能有一定的电压。

1.3.2　三相交流电路

三相交流电路主要由三相供电电源、控制器件和负载构成。图1-20为一种简单的电力拖动控制电路。该电路属于典型的三相交流电路。

在控制器件的作用下，接通三相供电电源，为负载（三相交流电动机）供电后，负载即可进入工作状态，实现电路功能。

多说两句!

三相交流电路供电电源的三根相线之间，电压大小相等，都为380V，频率相同，都为50Hz，每根相线与零线之间的电压均为220V。

三相交流电路主要有三相三线式、三相四线式和三相五线式三种供电方式。

图1-21为三相三线式供电方式。三相三线式供电方式是由柱上变压器引出三根相线为工厂中的电气设备供电，三根相线之间的电压都为380V。

图1-22为三相四线式供电方式。三相四线式供电方式由柱上变压器引出四根线。其中，三根为相线，一根为零线。零线接电动机三相绕组的中点，工作时，电流经过电动机做功，没有做功的电流经零线回到电厂，对电动机起保护作用。

图1-23为三相五线式供电方式。三相五线式供电方式是在三相四线式供电方式的基础上增大地相连，起保护作用，即为车间内的保护地线。