第1章 电气维修的基础知识

1.1 电流、电压和电阻器的关系

1.1.1 简单电路的结构

1.电路组件

每个电路都具有三个基本量——电压、电流和电阻器。这三个量取决于各器件在实际电路中所设置的部位。

组成电路的组件包括：电能源、保护设备、导线、控制设备和负载设备。

电源为电路提供电压，使导线中的自由电子移动。电源也常被认为是能量供给。常用的电源分为两种：直流电源（DC）和交流电源（AC）。

物质中电子的定向运动就会形成电流。电压源的极性决定了电路中电流的方向，电流的方向被定义为从正极到负极。同时电源提供的电压大小决定了电路中电流的大小。电路中的电流总是保持相同的方向。这种类型的电源称为直流电源，任何使用直流（DC）电源的电路都是直流供电电路，例如电池供电电路就是直流电路。当电源极性是交替变换的，电路中电流的方向也将交替变化。这种类型的电源称为交流电源。任何使用交流（AC）电源的电路都是交流供电电路。

保护设备的目的是为了保护电路配线和器件。保护设备只允许安全限制内的电流通过。当有超过额定电流量的电流（过载电流）通过时，保护设备会自动切断电路。常用的两种保护设备是：熔断器和断路器（断路开关）。通常保护设备都是电压电源或能量供给设备的组成部分，如图1-1所示。

导体或导线用于在各部件间形成通路。导线（导体）是为电器元件和设备供电的通路，本身的电阻值极小。电流的方向被定义为从正极到负极。通常导体都经过绝缘处理，这样可以保证电流在其中正常的流动。最常用的电导体是带有塑料绝缘层的铜导线。

控制设备通常被设置在电路中允许用户简单地开启、关断或切换电流。通常控制设备包括开关、调节装置（温度）和灯的调光器，如图1-2所示。开关主要用于接通或断开电流，温度调节装置则可以自动的控制电流流动或停止。同时，调光器也主要用于开通或断开电流，它可以通过改变电流的大小来控制灯的照明程度。

负载是电路的一部分，它实现了电能的转换。负载可以将电能转换为用户所期望的功能或电路的有用功。为了实现其功能，它需要将电能转换为其他形式的能。如图1-3所示为常见的负载设备包括照明灯、电动机、发热机、电阻器等。

所有传导电流的部件都具有一定量的电阻值。然而，在大多数电路中电路导线和电源的电阻值很小，甚至为零，因此在负载设备中综合电阻是电路的主要负载电阻。

负载的额定电功率决定它从电源得到的能量。因此，负载这个词既表示负载设备得到的能量，也代表负载设备从电源处消耗的能量。

2.简单电路的组成

我们已经知道，电路就是一个可以提供电子流动的闭合通路。简单电路就是只有一个控制设备、一个负载设备和一个电源的电路。例如，一个灯泡，一个电源和一个开关就可以组成一个简单电路。电路中每个部件都相互连接，或用导线首尾相连。整个简单电路用开关来控制其断开或连接。当开关闭合时，电流可以流通，灯泡就亮，如图1-4（a）所示。当灯泡亮起的时候，灯泡处的电压与电源电压相同。当开关打开时，电流被切断灯泡熄灭，如图1-4（b）所示。

1.1.2 欧姆定律

在直流电路中电流的方向被定义为从正极流向负极。

欧姆定律表示了电压（U）与电流（I）及电阻（R）之间的关系。欧姆定律可定义为电路中的电流（I）与电路中的电压（U）成正比，与电阻（R）成反比。

如图1-5中的电路明确的表示出了电压与电流的关系。三个电路中的电阻值相同（10Ω）。注意，当电路中电压增大或减小（25V或10V）时，电流值也按照同样比例增大或减小（从3A变为1A），所以电流与电压成正比。

如果电路中电压保持不变，电流将随电阻的改变而改变，只是比例相反，如图1-6所示。三个电路的电压值相同（25V），当电阻值从10Ω增大到20Ω时，电流从2.5A减小到1.25A；当电阻值从10Ω减小到5Ω时，电流从2.5A增大到5A。所以电流与电阻成反比。

在数学上，欧姆定律可以表示为三个公式：一个基本公式和两个由基本公式导出的公式，见表1-1所示。只要知道电压、电流、电阻这三个值中的任意两个值，通过这三个公式可以得到第三个值。

1.1.3 电路的串、并联与电压电流的关系

1.串联电路与电压和电流的关系

如果电路中两个或多个负载首尾相连，那么我们称它们的连接状态是串联的，如图1-7所示。这类电路称为串联电路。串联电路中通过每个负载的电流量相同。同时，在串联电路中只有一个电流通路。当开关打开或电路的某一点出现问题，整个电路将变成断路。

在串联电路中流过负载的电流相同，各个负载将分享电源电压。例如，如果一个电路中有三个相同的灯泡串联在一起，那么每个灯泡将得到三分之一的电源电压量，如图1-8所示。每个串联的负载可分到的电压量与它自身的电阻值有关。串联时，自身电阻值较大的负载会得到较大的电压值。

因此在串联电路中有：

U总=U1+U2+……+Un

I总=I1=I2=……=In

一些节日的彩灯，树上挂的多个灯泡和供电电路就是多个负载的串联电路。对于这些灯泡而言，如果其中一个坏掉了，其他灯泡将无法点亮。因为每个灯泡都完全一样，所以每个灯泡分配到的电压也一样。串联灯泡的个数决定了电路中每个灯泡的额定电压。越多的灯泡串联在一起，每个灯泡的额定电压越低。例如，如果有10个灯泡串联在一起，它们的工作电压为220V，那么每个灯泡需要至少有22V的额定电压（220V/10）。

2.并联电路与电压电流的关系

如果两个或两个以上负载其两端都和电源两端相连，这种方式为并联方式。这个电路称为并联电路。在并联状态下每个负载的工作电压都等于电源电压，如图1-9所示。这种连接方式常用于家用电器及电灯等配线。家庭电压为220V，因此每个家用电器及电灯的额定电压都必须是220V。如果接入一个工作电压较小的设备，如一个额定电压100V的设备，那么将导致设备烧坏。而如果将一个工作电压较大的设备接上，如接上一个工作电压为380V的设备，那么将导致供电电压不足，则设备无法正常工作。

并联电路中每个设备的电压都相同。然而，每个设备处流过的电流由于它们的电阻值不同而不同，它们的电流值和它们的电阻值成反比，即设备的电阻值越大，流经设备的电流值越小。

因此在并联电路中有：

U总=U1=U2=……=Un

I总=I1+I2+……+In

并联电路中的负载设备工作时，每个负载相对其他负载都是独立的。因为，在并联电路中，有多少个负载就有多少条电流通路。例如，将两个灯泡并联，就有两条电流通路，当其中一个灯泡坏掉了，另一个灯泡仍然能正常工作，如图1-10所示。

如果将节日用的彩灯以并联连接就有比较好的工作效果，即使一个灯泡中途坏掉，也不会影响其他灯泡的正常工作。

同样，控制设备也可以并联连接。当两个或多个控制设备相互交叉连接时，它们就是并联相连。并联的控制设备称为“或（OR）”形式。例如，将两个按钮A和B，以及一个灯泡并联，想要打开灯泡，无论按下A按钮“或”B按钮，或者两个同时按下，都可以实现灯泡打开，如图1-11所示。汽车内顶灯就是并联连接的例子，无论是乘客边的车门打开还是司机边的车门打开，顶灯都会亮起。

3.判断电路中用电器之间的连接方式

串联和并联是电路中两种最基本的连接形式，它们之间有一定的区别。要判断电路中各元器件之间是串联还是并联，就必须抓住它们的基本特征。具体方法是：

（1）用电器连接法。分析电路中用电器的连接方法，逐个顺次连接的是串联；并列在电路两点之间的是并联。

（2）电流流向法。当电流从电源正极流出，依次流过每个元器件的则是串联；当在某处分开流过两个支路，最后又合到一起，则表明该电路为并联。

1.1.4 电流的热效应

把手靠近点亮了一段时间的白炽灯泡，就会感到灯泡发热；电视机、计算机主机和显示器，长时间工作后外壳会发热。我们把这种现象称为电流的热效应。即导体中有电流通过时，导体就会发热，这种现象叫做电流的热效应。

我们知道灯泡和电线串联在电路中，电流相同，灯泡发热、发光，电线却不怎么热；相同的导线如果将灯泡换成大功率的电炉，电线将显著发热，甚至烧坏电线；电熨斗，它通电的时间过长，也会产生很多的热量，一不小心，就会熨坏衣料。这些都说明电流产生的热量和导体的电阻、电流和通电时间有关。

英国物理学家焦耳做了大量的试验后于1840年最先确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的定量关系：电流通过导体产生的热量与电流的平方成正比，与导体电阻成正比，与通电时间成正比。这个规律叫焦耳定律。

用I表示电流，R表示电阻，t为通电时间，Q表示热量，焦耳定律可以表示为：

Q=I2Rt

电流的热效应在生产和生活中广泛的应用。例如：电炉、电熨斗、电热水器、电暖气等，如图1-12（a）所示。这些电热器具有热效率高，调节温度方便等优点，给生产和生活提供了极大地便利。但电流的热效应也有不利的地方，比如电动机，电视机等工作时也会有热量产生如图1-12（b）所示，这既浪费了电能，又可能在机器散热较差时被烧毁。在远距离输电时，由于输电线有电阻，不可避免地使一部分电能在输电线上转化为热能而损失。所以无论是利用电流的热效应，还是减小电流的热效应，都需要掌握有关热效应的规律。

1.1.5 电压、电位与电位差

电流可以认为是从高电位流向低电位。从这一点看，电路中每一点都有一定的电位，其电位高低是一个相对值，它与所选取的参考点（即零电位）有关，就像高山向下流淌的水，每处水位所处的高度与海拔高度有关一样。因此，电路某点与参考点间的电压，称做该点的电位，用符号φ表示，单位和电压单位相同也为V。通常参考点电位为零，零电位的位置通常选在大地或电气设备的外壳上。

如图1-13中，我们以0点作为参考点，可以得到：

ϕa=Uao

ϕb=Ubo

Uao=Uab+Ubo

则整理可得：Uab=ϕa-ϕb

也就是说，电路中任意两点间的电压就等于两点间的电位之差，所以电压又称为电位差。电压是衡量电场力做功本领大小的物理量，类似水的落差，水落差越大，则水流作用力越强。

电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。

电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其他各点的电位也将随之改变。