初中生,可能问的有些睿智,但是搞不懂为什么会分火线零线,不应该是一或这边来电,一会那边嘛。


其他各位答主回答的很好,也非常专业,但对于初中生的您来说,也许并不是那么容易就能理解的。我用尽量浅显的语言(也许会有错误),把火线零线的来龙去脉给您介绍清楚。

这个其实很简单,没那么啰嗦,我们只要稍微搞明白,家里的电路,线路基本是怎么接的,这就全明白了

要搞明白火线零线,我们先要简单了解一下发电机的结构,课本上的发电机,长这样:

旋转线圈式发电机,适用于小型的手摇式发电机

我们发现,发电机中的线圈在旋转时切割磁感线,每当线圈转180°后切割磁感线的方向就翻转了,所以会输出交变电流。小型的手摇发电机用的一般就是这种结构,叫做旋转线圈式。但如图所示的发电机发出来的交流电,还分不出火线零线,你把两根线都当成火线也行

我们接著往下看。这种结构,有个什么缺陷呢?在发电厂里,为了提高输出电压,提升发电能力,常常要把线圈绕很多匝(就是绕很多圈的意思),所以,发电厂里线圈又厚又重,转起来很困难,所以,发电厂用的是另一种形式,叫做旋转磁极式,它长这样。

旋转磁极式发电机,线圈可以轻松绕很多匝

这就是旋转磁极式发电机的基本结构,就是把转动的改成了磁铁,而线圈固定不动。我们知道运动是相对的,所以不管是旋转什么,只要能切割磁感线,发电的基本原理都是一样的。

图每次这样画起来比较麻烦,也不容易画好看,我们把上面那幅图画的简化一下,意思是一样的,就是改一下画法。

简化画法,为了表达清楚,线圈具体的缠绕方法省略没画出来

为了看得清楚一点,我把线圈怎么缠绕的省略没画,用一坨线头代替一下。我们看到,就像前一幅图一样,这个发电机,在竖直方向,缠绕了一组线圈,旋转的是里面的磁极。同样,此时发出来的电,也不分火线和零线

我们再来看一下,如果发电机就像这样只在竖直方向绕几圈线圈,又有什么不好的地方?相信大家都发现了,发电机的左右都是空著的,太浪费了也。

怎么办呢,很简单,在左右空著的地方,也放几组线圈呗。但怎么放呢?这不能随便放的,不然就乱套了。国家统一标准,依次间隔120°,放三组线圈。如果还嫌空,每三组组成一套,成套成套地放。

我们就先放一套看看,现在的线路,变成了这个样子。

给发电机增设多组线圈,可以发出多路电

怎么样,现在利用率一下子就上来了吧。注意这乱飞的电线,线路之间交叉的地方,都是跨过去的,不连通。同一台发电机,这么一搞,一下子发出了三路电出来。看到没,旋转磁极式的威力出来了。

但是呢,这三路电,在输送的时候,总共要耗费六条线路,浪费金属,能不能稍微合并一下呢?这个问题,我们思考一下。上面三户人家,从发电机出来入户的那根线,是要保留的,以便各户能单独控制;而回到发电机的那三根线,倒是可以合并一下,只不过合并成一根之后,那根的电流「可能」会很大。

将回路线合并为一根后的电路示意,注意线路直接交叉代表是跨越过去的,打点加粗的代表铰接在一起的

合完之后,发现,线路明显简洁了不少。但刚才也说了,合起来的那根回路线,电流可能会很大,如果电流真的特别大甚至等于原来三路之和的话,这根线得三倍加粗,这么合并成一根其实就没有什么意义了。

这就是问题的关键,所有的一切,答案就在这里。

我们先来看1、2、3号这三个埠的电压,再来看最后那根回路线的电流。

我们知道,民用电的电压是220V,这是指电压的有效值,而因为是交流电,所以电压的瞬时值,总是在不断周期性交替变化的。我们先直观感受一下,当磁铁N极刚好扫过1的时候,此时1的电压是最高的,而2、3离得较远,电压是比较低的,而且2、3的入户埠更靠近S极,电压还是反向的。也就是说,在每个瞬间,这三个埠电压瞬时值均不同,如果画成图像,长下面这样。

对于三个埠,每个时刻的瞬时值均不同

这个其实可以用公式写出来的。对于1、2、3三个埠,如果是普通的家庭电压的话,它们的电压瞬时值与时间的关系分别如下:

[公式]

[公式]

[公式]

我记得公式应该是这样,如果不对,欢迎来锤

然后我们简单一点,假设三个用户的负载均为1Ω,并且是纯电阻电路,那么三户的电流瞬时值数值大小也是像上面三个式子所计算出来的那样大。然后,烦请题主准备一个计算器,调整到弧度(RAD)模式,随便选一个时间t,然后分别计算上面三个式子,再把计算出来的结果相加,得出回路汇流排的电流大小。

发现什么了,结果几乎为0,是不是?

然后我可以告诉你,不是几乎为0,而是就是0,这是可以从数学上证明的(把上面三个式子加起来,要用到三角函数的加减公式,高中会学)。

也就是说,回路这根线,不但不用加粗,甚至还可以做得很细,或者干脆就不要。电路可以进一步简化成这样。

回路进一步简化,直接做接地处理

当1、2、3三个用户的负载均衡的时候,回路那根线就可以不要了,这怎么理解呢?当三根线电流有效值相等的时候,他们每时每刻的瞬时值大小不同方向不同,但和为0,也就是说,三根线相互之间,它们自己形成了回路

每一个瞬间,三条线路自身就能形成回路,不用再需要总回路线

交流电就是这么神奇。

然后我们就可以回答题主的问题了。上面那幅图里面,红色就是火线,它最终连接著发电机;蓝色的就是零线,它最终连接著大地。

当然了,现实情况是,三户用电负荷不可能总是相等,所以,在城市供电中,要尽可能多的汇集零线,最后就算不平衡,也所剩无几了,会被导入大地。

像这种供电方式,我们称之为三相交流电供电系统。

然后,这就可以解释身边的一些现象了。像路边的电线杆,顶端的高压线路部分,为什么都是排成三角形的三根线呢?

路边的10kV输电线路,三根火线排成三角形

而下面的低压线路部分,为什么又是四根线路,并且入户的时候,引出来的两根线,总有一根是搭在四根当中第三根线上呢?

路边的380V输电线路,四根线排成一字型(网上找的图)

我们楼道里的配电箱,电压写的为什么是380V,而家里用的明明是要220V?

民用电380V是指两条火线间的电压,220V指的是火线和零线的电压,都是指有效值

总结一下:火线、零线之分,来源于三相交流电。发电厂发的电,还有输配电,都是用的三相交流电,我们家庭用的交流电,是其中的一相,所以会有火线零线之分。

题主可以去图书馆、书店找一本《高中物理(选修3-2)》好像是这一本,里面有涉及交流电的计算,还有一本选修2-1还是什么的,里面有一章节就是详细讲三相交流电的。

当然了,实际的供电系统,远远比这个复杂不知道多少倍,上面说的,只是一个帮助你理解的简单模型。如果对这方面有浓厚兴趣,可以在进入大学后,详细钻研这方面的专业知识。


反对@Patrick Zhang回答中夹带的私货。

首先回答问题

图中是家用电路简图,A点是变压器中性点,已接地。该点确认后,系统的对地最大电压就是电源电压220V,即系统的对地绝缘按照220V等级考虑。

第二,火线上有开关,当开关断开时,用电电器只有C点电压,C点与A点电压近似相等,A点又是大地电位,因此电器上没有高电压,对人是比较安全的。

为什么说C与A是近似相等呢?因为AC之间是零线,零线是有电阻的,当零线有电流时,根据欧姆定律电流乘以电阻必然有电压,所以AC之间是有电压的。通常这个电压比较小,几伏或者10几伏,最大不过20几V,所以A与C是近似相等。

那么火线开关已经断开了,AC之间还有电流吗?日常中是有的,因为零线是多个回路共用。比如某户人家,由进户汇流排再分出空调、插座等回路,关闭空调只能保证空调回路没电流,插座回路还是有电流由进户汇流排流回变压器的。

张工的错误

第一,他认为零线全线都是0伏,这根据欧姆定律是不成立的。为了证明这个结论,他抛弃了欧姆定律

抛弃的办法是用某点电位代替某线段电压,依据是基尔霍夫定律。这里的错误在于,基尔霍夫定律中,导线是定义为没有电阻的,也就是超导体,而现实中并不是。基尔霍夫定律没问题,是他用错了。如果应用基尔霍夫定律,应该是下面电路图

线路电阻也要画出来才对。

第二个错误是前面的延伸

上面这段话有两个错误。

一个是,C点并不是地电位,这个已经讨论过了。事实上C点对地电压虽然不大,但是有些时候已经达到了对地放电的程度(电焊机也只用12V就可以起弧),所以这个电压在实际中是有意义的,不能忽略。在易燃易爆场合禁止用保护接零,以防引起火灾。

另一个,保护接零的命名不是因为零电位,而是因为外壳接零线。需提醒的是,保护接零这个概念在新的标准中已经不再使用,它是旧体系的遗留问题。现实中保护接零已经用的少了。


反对 @Patrick Zhang 的回答。

对于图2的A图,其中的C点我们已经知道流过的电流是1A,但它的电压是0V。

电压是电位差/电势差不是电位/电势。。。哪来的一个点的电压了。

这个结论与欧姆定律会冲突吗?答案是:不会。为何?因为图2中的A点、B点和C点电压遵循的是基尔霍夫节点电压定律,与欧姆定律无关。

怎么就与欧姆定律无关了。。。这电路要KVL,KCL和欧姆定律合起来才能得到电压分布,没有欧姆定律你来解一个看看?

尽管零线的电压是零,但它的电流不等于零。零线遵循的是基尔霍夫电压定律,不是欧姆定律。

零线电位处处是零本来就是零线阻抗视为0的近似结果,0阻抗怎么就叫不遵循欧姆定律了。再者张工自己老是在讲接触电阻,也不是不知道实际上不为零啊?

而且实际上这也是有的情况会需要考虑的。比如之前就遇到过电路板上把模拟地和数字地给接到一块去了的,结果就导致干扰然后频繁出现错误。

最后截全回答省得又删了跑路了→ →


  • 如你所想,一会这根线来电,一会那根线来电。
  • 实际的单相交流电,就在一根线上,一会正著给电,一会负著给电。另一根线始终为零。

你这样做在工程上有什么好处?我反而立即就能想到一个坏处:两根线需要保持相位相符,这并不是简单而低成本的操作。

正弦函数是圆周运动在一个轴上的投影,而你可以认为发电机是绑在轴磁铁撸著线圈里的电子发出电来的。那么其实「同一根线里面一会正著一会反著」的正弦波形状的交流电,才是自然而然的产物。


我们看下图:

图1:未给出零电位参考点的电路

图1中的答案是什么?如果题主说A点是6V,B点是3V,C点是0V,这个答案不一定正确。为何?因为电路中未给出零电位参考点。

我们看下图:

图2:给定了零电位参考点的电路

对于图2的A图,A点是6V,B点是3V,C点是0V;对于图2的B图,A点是0V,B点是-3V,C点是-6V。

可见,图中的接参考地符号的重要性,它的本意就是定义了零电位参考点。

请题主注意:

对于图2的A图,其中的C点我们已经知道流过的电流是1A,但它的电压是0V。

这个结论与欧姆定律会冲突吗?答案是:不会。为何?因为图2中的A点、B点和C点电压遵循的是基尔霍夫节点电压定律,与欧姆定律无关。

我们再看下图:

图3:交流电路图

图3中的电源电动势E=220Vac,这里的ac表示交流电。由于我们已经定义了C点是零电位参考点,因此A点的电压是220Vac,B点的电压是110Vac,而C点的电压则是0Vac。

同样,请注意:尽管C点的电压是0Vac,但它的电流不是零,而是1Aac。

结论之一:我们把电源E的上端叫做火线,把E的下端叫做零线。我们看到,零线的第一个作用就是构建零电位参考点。

现在,我们把图3改画一下:

图4:零电位参考点接大地的交流电路

注意看,C点的接地符号与图3不同,这里的接地符号表示接大地,而图3中的接地符号是接参考地。这时,C点的电位不但具有了大地的零电位,同时它还能保证电器的外壳与C点接通后具有大地的零电位,我们把这种作用叫做保护接零。

现在,我们给出定义:

1)零线的起始断接大地,因此零线具有大地的零电位;

2)零线具有保护接地的功能。

3)尽管零线的电压是零,但它的电流不等于零。零线遵循的是基尔霍夫电压定律,不是欧姆定律。

最后,我们看看实际电路是如何构建的,如下:

图5:国际电工委员会定义的TN-C接地系统图,图中可见三条火线和一条零线

注意看,零线的起始端是接大地的,并且中间某处重复接大地,确保零线的零电位。用电设备的外壳全部都接到零线上,确保用电设备的外壳具有零电位,以实现保护接地。

相信,题主这下应当明白为何还有火线和零线之分了

回答完毕。


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