電工學基礎——直流電路和交流電

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日期：2017年9月1日

距離2017年一級註冊消防工程師考試還有71天

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講義

我們來學習電氣消防基礎知識，先看電工學基礎。這包括三部分：直流電路、交流電、和常用電工儀錶。我們將分兩次講解，本節學習前兩部分。

一、直流電路

（一）電路和電流

1、電路。

電流所流過的路徑叫作電路。為了繪圖方便和便於分析，國家規定了各種電氣元件的圖形符號，用圖形符號畫成的圖稱為電路圖。電路一般是由電源、負載、導線和開關四個基本部分組成。

電源是提供電能的設備，常見的有乾電池、發電機等；負載是各種用電設備的通稱，如燈泡、電動機等；導線是連接電源和負載，用於輸送和分配電能，常用的有銅線和鋁線；開關是控制電路的導通和斷開的設備，常用的有閘刀開關、按鈕開關、空氣開關等。

電路一般有通路、斷路和短路三種狀態。

電荷有規則的定向移動稱為電流。電流的強弱用電流強度表示，其符號為I，為了敘述上的方便，人們把電流強度簡稱為電流。

對於恆定電流來說，若以Q表示在時間t內通過導體截面上的總電量，則電流強度/可用下式表示：I=Q/t

電流分脈動、交流和直流電流三大類。凡大小和方向都不隨時間變化的電流稱為穩恆電流，簡稱直流；凡大小和方向都隨時間變化的電流稱為交流電流；凡電流的大小隨時間變化，但方向不隨時間變化的電流，稱為脈動電流。

（二）電壓、電位和電動勢

電壓又稱電壓差，是衡量電場力做功大小的物理量，用U帶下標符號表示，如U_AB表示A、B兩點間的電壓。其大小為電場力將電荷從點移到點所做的功召和電量的比值，表達式為：U_AB=W_AB/q

電壓不但有大小而且有方向。電壓總是對電路中的兩點而言，因而用雙下標表示，其中前一個下標代表正電荷運動的起點，後一個下標表示正電荷運動的終點，電壓的方向則由起點指向終點。

在電路圖中，電壓的方向也稱作電壓的極性，用「+、-」兩個符號表示。

2、電位。

電路中某點相對於參考點的電壓稱為該點的電位，單位為伏特，用v表示。

參考點的電位規定為零電位。通常選用大地為參考點，在電子儀器中，常把金屬機殼或電路的公共接點作為參考點。電壓的大小和參考點的位置無關。電路中A、B兩點間的電位之差，稱為該兩點的電位差（電壓），表達式為：U_AB=V_A-V_B

電源的電動勢指電源力移送單位正電荷從負極到正極的過程中所做的功，用E表示，表達式為：E=W/q

對於一個電源來說，在外部不接負載時，電源兩端電壓大小等於電源電動勢的大小，但方向相反。

（三）電能和電功率

1、電能。

電流通過負載時做的功，稱為電能或電功，用W表示。如果加在一段電路兩端電壓為U,電路中的電流為I，則在時間t內的電能為：W=Ult

2、電功率。

電流在單位時間內所做的功叫做電功率，用P表示。如果在時間t內電流通過導體所做的功為W，那麼電功率為：P=W/t

（四）電阻和歐姆定律

1、電阻。

電阻是反映導體對電流起阻礙作用大小的一個物理量，用字母R或r表示。單位是歐姆，簡稱歐，用字母Ω表示。導體的電阻是客觀存在的，即使沒有加上電壓，導體仍然有電阻。

導體的電阻取決於材料的性質、幾何尺寸和導體的溫度等因素。某些感溫火災探測器就是利用電阻的這一特性設計的。

當導體兩端的電壓是1伏特，導體內通過的電流是1安培時，這段導體的電阻就是1歐姆。

接下來說說歐姆定律，分兩種情況。

（1）部分電路的歐姆定律。

電路中的電流I與電阻兩端的電壓U成正比，與電阻R成反比。部分電路的歐姆定律可表示為：I=U/R

（2）全電路歐姆定律。

全電路就是含電源的閉合的直流電路。

全電路歐姆定律表示：在一個閉合電路中，電流強度與電源電動勢成正比，與整個電路的電阻成反比。全電路歐姆定律的表達式為：I=E/(R+r)

（五）串並聯電路

先看串聯電路。

（1）串聯電路的含義。

串聯電路是指把幾個導體元件依次首尾相連的方式。串聯電路的基本特徵是只有一條支路，電流依次通過每一個組成元件。

（2）串聯電路的特點。

串聯電路有如下特點：

流過每個電阻的電流相等；

總電壓（即串聯電路兩端的電壓）等於分電壓（即每個電阻兩端的電壓）之和，即U=U_1+U_2+…+U_n。

總電阻等於分電阻之和，即R=R_1+R_2+…+R_n。

各電阻分得的電壓與其阻值成正比。

各電阻分得的功率與其阻值成正比。

串聯電路的開關在任何位置都能控制整個電路，即其作用與所在的位置無關。串聯電路只要有某一處斷開，整個電路就成為斷路，即所相串聯的電子元件不能正常工作。

在串聯電路中，電流只有一條通路，經過一盞燈的電流一定經過另一盞燈。如果熄滅一盞燈，另一盞燈一定熄滅。在一個電路中，若想用一個開關控制所有電路，即可使用串聯電路。

再看並聯電路。

（1）並聯電路的含義。

並聯電路是指在電路中，把幾個元件的一端連在一起，另一端也連在一起，然後把兩端接入電路的方式，如圖所示。

（2）並聯電路的特點。

並聯電路有如下特點：

電路有若干條通路。

幹路開關控制所有的用電器，支路開關控制所在支路的用電器；各用電器相互無影響。

並聯電路中，每一元件兩端的電壓都是相同的。

總電阻R與所有元件電阻的關係為：1/R=1/R_1+1/R_2+…+1/R_n

並聯電路可將一個用電器獨立完成工作，一般家庭用的電燈、電視、空調以及其他電器用品均是以並聯方式連接的。並聯電路各處電流加起來等於總電流，由此可見，並聯電路中電流消耗大。

（六）電流的熱效應

電流通過導體會產生熱，這種現象稱為電流的熱效應。電流通過導體時，克服導體電阻的阻礙作用而對電阻做功，促使導體分子的熱運動加劇，從而將電能變成熱能，使導體的溫度升高。

電流流過導體產生的熱量，與電流強度的平方、導體的電阻及通電時間成正比，稱為焦耳-楞次定律。表達式為：Q=I2Rt

式中：Q-導體產生的熱量，單位是焦耳。

利用電流能使導體發熱的特點，人們發明製造了白熾燈、電熱毯、電焊及電路中的熔斷絲等。

但是電流的熱效應也有不利的一面，如電氣設備中導線都有一定電阻，在通電時電氣設備的溫度就會升高。如果溫度太高，會加速絕緣材料的老化變質，如橡皮硬化，絕緣紙、紗帶燒焦，漆包線的漆層脫落等，因而引起漏電或線圈短路，甚至引發火災，燒壞設備。

二、交流電

大小和方向隨時間做周期性變化的電動勢、電壓和電流分別稱為交變電動勢、交變電壓和交變電流，統稱為交流電。

人們常在平面直角坐標系中用圖形表示電壓、電流、電動勢隨時間的變化規律，這種圖形成為波形圖。

（一）交流電的周期和頻率

1、周期。

交流電變化一次所需的時間稱為周期，用T表示，單位是秒（s）。

2、頻率。

交流電每秒內變化的次數稱為頻率，用?表示，單位是赫茲(Hz)。頻率是周期的倒數，表達式為：? =1/T

在我國和大多數國家都採用50Hz作為電力標準頻率，習慣上稱為工頻。

周期和頻率都是反映交流電變化快慢的物理量。周期越短，頻率就越高，交流電變化就越快。

（二）瞬時值、最大值和有效值

1、瞬時值。

交流電在某一時刻的大小稱為交流電的瞬時值。由於交流電是隨時間變化的，所以在不同瞬時的瞬時值一般大小和方向都不相同。

2、最大值。

最大的瞬時值（包括正負），稱為交流電的最大值，也稱為幅值，其表徵交流電的變化範圍。

3、有效值。

交流電的有效值是根據它的熱效應確定的。交流電流通過電阻在一個周期內所產生的熱量和直流電流通過同一電阻在相同時間內所產生的熱量相等，則這個直流電流的數值叫作交流電流的有效值。

通常所說交流電的大小是指它們的有效值。交流電流表、交流電壓表的讀數指的是有效值；交流電器銘牌上的額定電流、額定電壓或電動勢的數值如無特別說明，均指有效值。

通常說市電電壓220v，就是指其電壓的有效值為220V。

END

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