第二章电工学基本知识

1、第二章 电工学基本知识一电路概念维修家电常常要找资料，找“电路图”。那什么是“电路”？电路的定义，电流的通路，电流流经的路径。特殊情况下（开路、断路）无电流。由电气设备和元器件（用电器），按一定方式联接起来，为电荷流通提供了路径。简称网络或回路。电路由三部分组成：电源（信号源）、中间环节、负载。中间环节也有说成“导线、开关”的、不全正确。简单电路由：电源、导线、负载组成，如电池、导线、小灯泡。复杂电路中间环节很复杂。经典高考题：电池、开关、变阻器、小灯泡、电压表、电流表等组成一个电路。电路的作用有两类。发电机升压变压器降压变压器电灯电动机电炉.输电线放大器扬声器话筒“强电”起电能的传输和转换作

2、用。例，供电电路。发电（机械能电能），变压器升压，电能输送，变压器降压，负载如照明灯、电动机（电能光能、机械能）“弱电”起信号的传递和处理作用。范围很广。例：音响扩音器、电视机、电脑等等。话筒时信号源，传感器，将声音的能量转换为电能（微弱的电压或电流），放大器进行信号放大与处理如分频、音调控制等等，扬声器将电能转换为机械能，发出声音，比先大得多，能量守恒，来自供电电源（强电）。强弱电乃电业界的习惯说法，行话或俗称，非正规术语。过去强弱电界限分明。搞强电的不熟悉弱电，搞弱电的未必熟悉强电。现在界限打破了。弱电渗入强电。有一门课叫“电力电子”。“维修电工”这个工种，传统上属于强电，现代维修电工需要

3、越来越多的电子、计算机知识。维修电工技能考试，初中级考强电，高级考强电、电子（弱电），技师高级技师考强弱电的结合，电子、计算机控制为主。道路上各种穽盖上的标记。电力（强电）、弱电、电信等，现在还有一种“交信”。实物图实际电子元器件连接而成，复杂时看不清楚。电路图电原理图，由电路元器件符号画成的。图形符号、文字符号有国家标准，电阻、电容、电感、二三极 集成电路、开关、变压器等符号；中、外符号不同。例：电阻国内： 国外：图形符号、文字符号举例。电阻R 电容C 电感L百方针 电源E单刀开关 SW双刀开关 SW选择开关1X3“单刀三位”开关三刀开关 SW导线交叉不连接导线交叉相连接三极管T二极管D开关

4、的动触片（头）称为刀，每个静触片称为位，如单刀三位开关，简写为1X3开关。标准的开关符号的画法，刀是右上方向左下方倾斜的。由于引进资料书籍软件，如计算机、电子类的，国内外的符号有的不相同。220VM马达电热丝3 关1231 热风2 冷风电路图例子：电吹风常见故障，开关接触不良。问题：热风改为强热风、冷热风二档，如何改电路？二电路的基本物理量电流：。 A，mA；电荷的定向移动，电流强度：单位时间通过某一截面的电荷量：I=Q/t,i=dq/dt, 方向：正电荷移动的方向。电压：电路中两点之间的电位差，单位正电荷从电场A点移动到B点所作的功，为AB间的电压。V、mV、KV；U=W/q 伏特=焦耳/库

5、仑 。方向：正极指向负极。电动势：电源特征的物理量。电源将其它形式的能转化为电能的本领，电源力所作的功，指电源内部。方向：电源内部负极指向正极。区别电压与电流。电压高不一定电流大，电压低电流也可能大。三电路的基本定律欧姆定律：欧姆研究七年，1826年发表此定律。符合此定律的电阻为线性电阻，白炽灯的灯丝不符合此定律，温度越高，电阻越大，为非线性电阻。Er URI = U/R ，流过电阻的电流与其两端的电压成正比关系。电传播速度30万公里/S不等于无穷大，不等于电子运动速度，实际速度小得多。全电路欧姆定律：I = E/（R+r） E为电源电动势，r为电源内阻。碱性电池的内阻小与普通干电池，适用于大

6、电流放电。蓄电池内阻远远小于普通电池，适用于更大电流放电，如启动汽车摩托车。伏特1799年，用银、锌夹盐水纸板构成原电池，多个串联成电堆。后用铜、锌加硫酸。舌头上不同金属，导线连接，有麻感。5号NiH电池，2300mAh，230mA充16小时至1.38V；以460mA放电至1.0V，t=5h，以230mA放电，t=10h。5号碱性电池1.63V，187m; 5号NiH1.38V，41m;Li电池,1020mAh,4.1V,41 m;1号干电池1.5V.0.5, 1号旧干电池1.0V.100;汽车铅酸蓄电池,6V,1.8 m.。电池能提供的最大电流：全电路欧姆定律令R=0，I=E/r。数字万用表

7、20A档，表笔很快碰一下电池正负极，看读数大小。问题：8个干电池12V，能代替12V的蓄电池来起动汽车吗？高内阻的电源短路电流不大。电功率和电能：P =UI = I2R ，W、 KW、 W = I2Rt ,。单位焦耳、千瓦时、KWh，原称“度”，非标准单位。电能计量用电能表，俗称电度表。有容量限制，电流安培数。一个用电故事：一个月用电超电能表量程，从00000重新开始计量，有可能吗？功（能量）与功率，电功（电能）与电功率的区别。三峡水电装机容量1820万KW，有人说，年发电量才1820万度，反对建设三峡工程！打手机致加油站爆炸说：手机会产生“射频火花”，只要射频火花持续一微秒以上，能量大于6毫

8、瓦，就可能引燃甲烷与空气的混合气体。错误1：6毫瓦是功率，而非能量，能量单位为焦耳（J）=瓦特秒（W*S）。错误2：这里所谓射频火花的能量=6毫瓦X1微秒=6X10-6mJ远小于0203mJ。四电路的状态1 有载，通路状态 负载与电源接通，用电设备工作的状态。2 电源短路、局部短路。电源短路电流很大，家用电路现常用自动空气断路器（空气开关）来保护。家电里用熔断器（保险丝）。烧保险丝有多种原因，如：电路存在短路，电流过大，保险丝烧得一丝不剩，更换后仍烧；电路正常，保险丝老化，自然损坏，保险丝烧断，一丝尚存，更换后恢复正常。保险丝更换不当，随意加大容量，1A，2A，5A，最后保险丝不烧，电路板烧毁

9、，故障扩大。有时保险丝质量低劣，换后又烧。熔丝特性。熔（保险）丝的额定电流IN，熔断电流（2倍IN），最多2分钟熔断，1倍多IN的熔断时间？见表。延时型熔丝。彩电开机瞬间大电流，运行小电流。保险丝成分为铅锡合金，能否用铜丝代？有条件可以代，应急修理常用。保险丝正常工作电流：在25条件下运行，熔丝的电流额定值通常要减少25%以避免干扰熔断。例如，一个电流额定值为10A的熔丝通常不推荐在25环境温度下在大于7.5A的电流下操作。额定值的百公比熔断时间110%4小时最小135%60分钟最大200%2分钟最大保险丝作用：短路保护，非过载（超负荷、过电流）保护。超35%，最长60分钟熔断。电器事故（如电

10、机烧毁、火灾）可能已发生。电源线短路，电器会损坏吗？U=0。电器火灾常由电线“短路”引起，保险丝为何不熔断？空气开关为何不跳闸？保险丝选用不当，太大，导线有一定电阻，短路电流不足以立即烧断保险丝。有一报道：“据失火这家四岁女儿说，当时，她的妈妈上厕所去了，只有她和两个月大的弟弟在家。突然家里的电灯啪的一声，就爆炸了，紧跟着电线就开始着火。被吓傻的她立即跑到不远的奶奶家。”Er URFUFU媒体报道电气事故使用“短路”一词，常有误。短路会引起电压升高损坏电器吗？一报道说“用户超负荷用电产生短路，导致电压异常，电器老被烧坏”。短路会使空气开关跳闸，断开电源。超负荷用电（过载），电压只会降低，电器怎

11、么会烧坏？报道还说“日光灯一闪一闪的”，这是电压低的现象。短路不是超负荷用电引起的。全电路欧姆定律：U=E-Ir 。超负荷用电，I增，U降。为什么电灯接得越多，电灯越暗？特务发报，邻居的电灯闪烁，暴露。局部短路。家电中元器件击穿造成短路。原因有：（1）元器件老化，质量低劣不符规定要求的；（2）电路故障引起元器件击穿，更换后故障仍在。易击穿的元器件有二三极管、电容器、集成电路，但不要轻易怀疑集成电路，换起来麻烦。电源保险丝不一定熔断。3 电源开（断）路，局部开路。电源开（断）路，如保险丝熔断，电器端电压为零，不工作（不工作不等于损坏）。家电上常见局部开路。一是元器件内部开路。在高压或大电流状态下

12、工作的电阻易变质，阻值变大，甚至开路，外表发黑。也有外表完好看不出的。二是电路板虚焊。焊锡太少，强度不够，热胀冷缩引起。似通非通，敲一敲，拍一拍，又正常了，没规律。查起来很难，一把烙铁修电视机，看似简单其实难，外行人以为一举手之劳。根据经验判断可能的故障范围，把此范围内的焊点全部重焊一遍。也可能是电路板铜箔开裂。接触点接触不良，接触电阻变大，如大功率电源插座，易发热烧焦（Q=I2RT，R为接触电阻），乃至引起火灾。对万能插座有规定。 4额定值家用电器铭牌上标明的使用电压、频率、功率等指标即额定值。额定值是使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值，是综合考虑了安全、可靠、使用寿命、制

13、造成本等因素制定的。额定值定得过低，成本高，浪费；过高，不可靠，安全隐患，伪劣产品常这样做。满载：实际电压、电流、功率等于额定值，正常使用；汽车载重比方。过（超）载：实际电压、电流、功率大等额定值，寿命大大缩短； 轻载：实际电压、电流、功率小等额定值，寿命可延长。讲一下节电问题，还有所谓“节电器”。何为“节电”？在相同的效果下，采用节能电器，少耗电，如同亮度的节能灯耗电为白炽灯的1/5。所谓“节电器”据说会使电度表走得慢。40W，220V灯，通电25小时消耗1KWh（度）电能；并上一个节电器，电压、时间不变，会变成0.8KWh？还有0.2KWh到哪去了？人为使电表走慢，不用说做得到做不到，真的

14、做到了，是节电还是偷电？降低电器的使用电压能否节电？有一个白炽灯的例子。220V60W的白炽灯接到110V电源上，功率为几W？能否节电？所谓灯泡节电，是在相同的发光亮度下，耗电较少，才叫节电（能）。220V60W的白炽灯接到110V上，理论计算其功率为15W。这是中学物理的老题目，其实是错误的。由于灯丝电阻是非线性的。电压高，功率大，温度高，电阻大；反之电阻小。60W灯在110V下的电阻要比220V下的电阻小，故功率应大于15W，实际测量大约为1820W。测试表明，降压使用的220V60W灯比220V15W灯要暗，不节电。但寿命可延长，节省灯泡消耗，对彻夜长明灯有利。据说美国有一盏白炽灯已连续

15、亮了96年，估计是在低压下点亮的。 在美国得克萨斯州古老的沃尔夫斯堡歌剧院，一只于1908年9月21日点亮得普通灯泡，直到2004年9月21日才被请下了灯座，人们举行集会庆祝这只长寿的灯泡，该地区也因为这只灯泡而远近闻名。 五、电与磁1电与磁不可分有电路，又有磁路。变压器、电感器，电动机中有电路又有磁路。通过磁来传递能量。电能电能：变压器，电磁电；电能机械能：电动机，电磁机械。磁场与电场有相似之处，电力线，磁力线，磁力线从NS（磁力内部是SN），有单极性电荷（+、-）但无单N、S磁体。磁路，磁力线在铁心中形成闭合的路径。铁心由磁性材料制成，能集中磁力线。磁阻（类比电阻）：磁性材料能集中磁力线，

16、磁阻小；非磁性材料，不集中磁力线，磁阻很大。类比导体和绝缘体。磁性材料：铁族元素及其合金、氧化物，可被磁铁吸引；非磁性材料：非金属、塑料、木材、铜、铝等，不被磁铁吸引。电与磁、磁场、电磁场、电磁波电磁辐射，概念常被滥用，用来任意解释游戏现象。有报道说，一男子“身如磁铁，可吸引任何东西”，此话正确否？“怪坡”有可能是磁铁矿山吗？池塘水流旋转，小朋友认为是磁场作用，拿指南针测试。所谓“特异功能”也常用电磁场解释。2、电磁关系的发现19世纪初，科学家大都相信电与磁毫不相干，没有什么关系。1820年，丹麦的奥斯特，发现通电导线周围产生磁场，小磁针偏转，用右手定则判断。“电生磁”现象。长期以来，磁现象与

17、电现象是被分别进行研究的，特别是吉尔伯特对磁现象与电现象进行深入分析对比后断言电与磁是两种截然不同的现象，没有什么一致性。之后，许多科学家都认为电与磁没有什么联系，连库仑也曾断言，电与磁是两种完全不同的实体，它们不可能相互作用或转化。但是电与磁是否有一定的联系的疑问一直萦绕在一些有志探索的科学家的心头。)1820年春，奥斯特安排了一个实验，让电流通过一很细的铂丝，把一个带玻璃罩的指南针放在铂丝下面，实验没有取得明显的效果。1820年4月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：让我把导线与磁针平行放置来试试看。当他接通电源时，他发现小磁针微微动了一下英国法拉第贡献很大。

18、法拉第是书籍装订工出身，文化不高。自荐到戴维（院士）手下当助手，1812年当助手（21岁），1824年当选皇家科学院院士，但戴维反对他当选。电工技术初创时期，理论尚少，（欧姆定律是1826年发表的），是实验性科学，是实验家的天地。后来还有一个报童出身的爱迪生。安培发现磁场对通电导体有作用力。左手定则。英华拉斯顿，想到让电成为动力，即电动机，不成功，不久后放弃。法拉第不放弃，1821年9月3日,第一台电动机诞生。反过来，“磁生电”行否？电能原由化学电池产生，意大利的伏打发明电池，称伏打电池，因成本等问题不可能广泛用作动力。法拉第1821-1831实验十余年。传说一次他生气地把线圈扔进线圈里，检流

19、计居然动了，磁铁抽出，又动了一次。是真的吗？电磁感应现象被发现了！是偶然的吗？法拉第第一次实验 当时无专业电流表。法拉第的检流计是利用“电生磁”原理，在导线上方置一个磁针，灵敏度很低。法拉第第一次实验是一个变化的电流产生另一个变化的电流。后又继续，共做了五类：变化着的电流、变化着的磁场、运动的磁场、运动的恒定电流、在磁场中运动的导体。最后在1851年总结出电磁感应定律。瑞士科学家科拉顿也在做，未成功。据说是线圈、磁铁在一个房间，检流计放在另一房间。法拉第实验时磁针离线圈较远，等接通开关再转眼去看磁针，很长时间也没有发现磁针的摆动。导体与磁场有相对运动，线圈中磁力有变化才产生感应电动势和感应电流

20、这就是发电机原理。准确的说是“动磁生电”，静止状态不生电。法拉第定律判断电磁感应的大小：磁力线（磁通）的变化率越大，感应电动式E越大,磁铁插入拔出越快，E越大；若磁铁不动，磁通再大也不产生感应电动势。美国人约瑟夫亨利发现自感现象。据说他比法拉第早一年发现电磁感应现象，但未发表。焦耳楞次定律解决感应电动的势方向问题：电磁感应产生的电流也会产生磁场（右手定则），其方向是要阻碍外界磁场的变化。外磁场增大时阻碍其增大，减小时阻碍其减小。磁铁插入拔出时电流方向不同。线圈有对抗变化磁场的作用，称为自感现象。自感系数L单位亨利。线圈加变化电压uL变化电流iL变化磁场感应电流感应电流的磁场阻碍线圈电流的变化，

21、故iL的变化滞后于uL的变化；而电阻的电压、电流的变化是同步的。自感系数L即线圈电感量的大小。自感系数L越大，电流的变化率越大，感应电动式E越大。电容器，当外加电压变化时，其充（放）电电流变化超前于电压。六直流电和交流电直流电是大小方向都不随时间而变的电流。重点讲交流电。供电系统为正弦交流电，简称交流电。1 交流电的三要素 交流电的表达式 i（1） 频率、周期；其中T 周期（S），f 频率（Hz、KHz、MHz）=2f 角频率，弧度/S，正弦每变化一次2弧度。工频 50-60HZ 音频 20HZ-20KHZ，人耳对高低音不敏感，对14KHZ的频率最敏感。儿童比成人对高音更敏感， 高音频的手机铃

22、声小孩听得到，老师听不到。60Hz与英制12进有关，50Hz与公制10进有关。日本关东地区用50Hz，引进德国设备；关西地区用60Hz，引进美国设备，还有两小块50/60混合区，至今未能统一。交流电动机的转速与频率有关，频率越高转速越快，反之越慢。低频（LF） 30-300KHZ中频（MF） 300-3000KHZ高频(HF) 3-30MHZ基高频(VHF) 30-300MHZ特高频（UHF） 300-3000MHZ（2） 幅值、有效值幅值即最大值、峰值。上式中的Um ，一个周期内两次最大。有效值是以电流热效应衡量交流电做功能力。与直流电进行对比，以U表示。交流电通过一电阻在一定时间内产生的热

23、量与一直流电通过同一电阻在相同时间内产生的热量相等，则此交流电的有效值等于直流电的数值。各国市电电压有220V左右：200、220、230、240；110V左右：100、110、120、127、130。对正弦交流电，U、Um关系为Um = 1.41U ，非正弦交流电无此关系。日常市电U =220V，Um310V .交流电中元器件的耐压应按Um来选择，如电风扇的启动电容，耐压250VAC可以，250VDC则不可。（3） 初相位计时起点选择不同， 相位角也不同。两个同频率正弦交流信号比较其相位有：超前、滞后、同向、反相等关系。人耳对频率敏感；眼对相位敏感，电视信号中有复杂的相位关系。2 交流电路中

24、的电感和电容电感加交流电压uL,产生同频率的交流电流iL ,但iL的变化滞后于uL。 电感对交流电有阻碍作用，称为感抗XL ，其大小为XL =2fL，单位欧姆，f是电流的频率，L为电感系数。直流时f =0，XL =0，电感对直流电无阻碍作用，但实际电感器是导线绕的，还有导线的电阻。所以在直流电路中，电感看成短路，但当电感接通或断开直流，电感有作用，会产生感应电动势。电容加交流电压uC ，产生同频率交流电流ic ，但ic 的变化超前于uC 。电容对交流电有阻碍作用，称为容抗XC，其大小为XC= 1/2fC ，单位欧姆。在直流电路中f =0，XC，相当于开路。但当电容接通或断开直流电时，有充放电作

25、用，电路中有电流，此电流并不“通过”电容（电容两极板之间是绝缘的，电子是通不过的），称为位移电流。用指针式万用电欧姆档测试电容（电容量较大，在1F 以上较明显），可见指针摆一下又回位，反接表笔，又见指针摆一下，角度更大，再回位。即电容充放电现象。RLC XL与XC 总称电抗。R、L、C串联，总称阻抗Z，其大小为（欧姆）不等于R+ XL+ XC。在直流电路中串联总电压=各部分电压之和。在交流电路中串联总电压 各部分电压之和。UUR+UL+Uc。部分电压有可能总电压。可能有UL（或Uc）U。由此可见，交流电路的分析计算比直流电路复杂得多。并联电路中总电流可能不等于各分支电流之和，可能小得多。谐振现

26、象。力学有共振现象，电学有谐振现象。共振是当系统固有频率等于外力频率时产生的，其振幅达到最大。谐振是电路固有频率与电源频率一致时产生的，其电流达到最大。就R、L、C串联电路而言，当电源频率即电路的固有频率时，产生谐振。这时Z最小，电流最大，UL= UcU ，可达到电源电压的几十几百倍。无线电技术中作用于调谐，收音机中选择电台。马可尼（意大利）在一百年前发明了调谐技术，提高了无线电接收的性能。如收音机收到三个电台信号，频率为f1、f2、f3。现调节C（可变电容器）使谐振频率，即突出了f1的信号强度，抑制了f2、f3，于是就收到f1台，提高选择性和灵敏性。 交流电的功率直流 P=UI=I2R 交流

27、 220V40W电感镇流日光灯，电流I=0.36A，PUI，P=UICOS，为u，I的相位差，含电感器、电容器的交流电路，u、I间有相位差，COS称为功率因数，COS1。 此处COS=0.5，P为有功功率，电度表计量有功功率W=PT。L、C为储能元件，理论上不耗能，电度表计量不出。有关“节电器”“节电”的解释。所谓的“节电器”就是电容器。功率因数低有何害处。P=UICOS，当P一定，COS，I，线路损失U=Ir也。ICI1I日光灯220V 40W白炽灯电流0.18A，40W日光灯电流0.36A。为什么？COS=0.5。商家现场演示，在没接节电器之前，电流表显示两盏日光灯的电流是0.5安，接上“

28、节电器”后，电流表显示电流只有0.25安了，说：“因为P=UI，节电50%”，果真如此？并上电容器，提高功率因数，P=UICOS，COS，I，但日光灯电流I1不变，P不变，如果接的是电能表，电能表不可能转慢。如果电流表接在日光灯这边，读数仍为0.5安，不可能变小。作用也有一点，减少线路损失U=Ir ，但有限。如果日光灯换成白炽灯或热水器一类电阻性负载，则I反而增大，就露馅了。一种是将单相无功电能表的铭牌更换成有功电能表的铭牌，“节电器”只是一个电容对无功电表做出无功补偿，使电能表慢转，对居民家中所使用的有功电能表一点作用没有。另一种则是在电能表接线上动了手脚，未接“节电器”时电能表计量的是灯泡

29、并接一个电阻（该电阻隐蔽看不见），当插上“节电器”后暗藏的开关断开这个电阻，电能表当然会转慢。已经是欺诈行为了。电能表有电压线圈（1、3）和电流线圈（1、2），取电压电流值进行测量计量。偷电者在1、2之间接一条导线，分去一部分电流，流入表内的电流减少，计量就减少。70年代流行的“节能灯”变压器带3W小灯泡，小于电度表启动电流，不走。1949年，北京公安局发现特务计兆祥家用电量比常人家多几倍，判断他在使用电台。白炽灯220V电能表隐藏部分I1关于“节电”。（1）不省电不省钱；（2）不省电省钱？违法才可能，电能表做手脚。另类思维，买即将淘汰的低价处理的能耗等级低的产品，省下的钱补贴电费，也许合算；

30、（3）省电不省钱，省电产品售价高，比一般的贵好多，要很久才能把钱省回来，如产品有质量问题，花维修费，或在此之前报废，就不划算了；（4）省电又省钱，理想状态，不易做到。质次价低的所谓节能产品如廉价“节能灯”，其实是不省电又不省钱。所谓节电节能，即相同输入下输出越大，或相同输出下输入越小，效率高。三相交流电380/220伏三火线，一零线，火线间电压叫线电压，380V；火零间电压为相电压，220V。零线接地，与大地等电位，不带电，火线带电。站在地上碰火线会触电。工厂用三相电，大功率电器用三相。家用单相，一火线，一零线。不同楼层接不同相，总体也是三相，尽量分配均匀，但不可能做到对称。零线（干线）中断，

31、引起相电压（原为220V）失衡，有的升高，有的降低，造成事故，但不影响线电压（380V）。有报道，“小偷盗割电线烧坏居民众多家电”，说“导致整栋楼的线路电压升高，多数居民家的电器被毁”，必定还有另一楼电压过低。“架设在楼外的4根电线中的2根零线被人剪去了”，“2”根肯定有误。停电检修后电压上升，误接两火线，时有发生，造成用电器大面积损坏。若系供电失误，造成电器损坏，供电局应赔偿。一报道说“抢修人员说，零线断了，供电线路形成回路，电压就会瞬间从伏升至伏。”不确。 零线断了，除非有一相短路，另二相才会升至伏。“突然来电时电灯很亮，然后在很短的时间内就发生了爆炸，结果灯泡的碎片飞得到处都是。”中性线（零线）干线断实例：U相原接100W白炽灯，U=276V；V相200W，