初中生,可能問的有些睿智,但是搞不懂為什麼會分火線零線,不應該是一或這邊來電,一會那邊嘛。


其他各位答主回答的很好,也非常專業,但對於初中生的您來說,也許並不是那麼容易就能理解的。我用盡量淺顯的語言(也許會有錯誤),把火線零線的來龍去脈給您介紹清楚。

這個其實很簡單,沒那麼囉嗦,我們只要稍微搞明白,家裡的電路,線路基本是怎麼接的,這就全明白了

要搞明白火線零線,我們先要簡單瞭解一下發電機的結構,課本上的發電機,長這樣:

旋轉線圈式發電機,適用於小型的手搖式發電機

我們發現,發電機中的線圈在旋轉時切割磁感線,每當線圈轉180°後切割磁感線的方向就翻轉了,所以會輸出交變電流。小型的手搖發電機用的一般就是這種結構,叫做旋轉線圈式。但如圖所示的發電機發出來的交流電,還分不出火線零線,你把兩根線都當成火線也行

我們接著往下看。這種結構,有個什麼缺陷呢?在發電廠裏,為了提高輸出電壓,提升發電能力,常常要把線圈繞很多匝(就是繞很多圈的意思),所以,發電廠裏線圈又厚又重,轉起來很困難,所以,發電廠用的是另一種形式,叫做旋轉磁極式,它長這樣。

旋轉磁極式發電機,線圈可以輕鬆繞很多匝

這就是旋轉磁極式發電機的基本結構,就是把轉動的改成了磁鐵,而線圈固定不動。我們知道運動是相對的,所以不管是旋轉什麼,只要能切割磁感線,發電的基本原理都是一樣的。

圖每次這樣畫起來比較麻煩,也不容易畫好看,我們把上面那幅圖畫的簡化一下,意思是一樣的,就是改一下畫法。

簡化畫法,為了表達清楚,線圈具體的纏繞方法省略沒畫出來

為了看得清楚一點,我把線圈怎麼纏繞的省略沒畫,用一坨線頭代替一下。我們看到,就像前一幅圖一樣,這個發電機,在豎直方向,纏繞了一組線圈,旋轉的是裡面的磁極。同樣,此時發出來的電,也不分火線和零線

我們再來看一下,如果發電機就像這樣只在豎直方向繞幾圈線圈,又有什麼不好的地方?相信大家都發現了,發電機的左右都是空著的,太浪費了也。

怎麼辦呢,很簡單,在左右空著的地方,也放幾組線圈唄。但怎麼放呢?這不能隨便放的,不然就亂套了。國家統一標準,依次間隔120°,放三組線圈。如果還嫌空,每三組組成一套,成套成套地放。

我們就先放一套看看,現在的線路,變成了這個樣子。

給發電機增設多組線圈,可以發出多路電

怎麼樣,現在利用率一下子就上來了吧。注意這亂飛的電線,線路之間交叉的地方,都是跨過去的,不連通。同一臺發電機,這麼一搞,一下子發出了三路電出來。看到沒,旋轉磁極式的威力出來了。

但是呢,這三路電,在輸送的時候,總共要耗費六條線路,浪費金屬,能不能稍微合併一下呢?這個問題,我們思考一下。上面三戶人家,從發電機出來入戶的那根線,是要保留的,以便各戶能單獨控制;而回到發電機的那三根線,倒是可以合併一下,只不過合併成一根之後,那根的電流「可能」會很大。

將迴路線合併為一根後的電路示意,注意線路直接交叉代表是跨越過去的,打點加粗的代表鉸接在一起的

合完之後,發現,線路明顯簡潔了不少。但剛才也說了,合起來的那根迴路線,電流可能會很大,如果電流真的特別大甚至等於原來三路之和的話,這根線得三倍加粗,這麼合併成一根其實就沒有什麼意義了。

這就是問題的關鍵,所有的一切,答案就在這裡。

我們先來看1、2、3號這三個埠的電壓,再來看最後那根迴路線的電流。

我們知道,民用電的電壓是220V,這是指電壓的有效值,而因為是交流電,所以電壓的瞬時值,總是在不斷週期性交替變化的。我們先直觀感受一下,當磁鐵N極剛好掃過1的時候,此時1的電壓是最高的,而2、3離得較遠,電壓是比較低的,而且2、3的入戶埠更靠近S極,電壓還是反向的。也就是說,在每個瞬間,這三個埠電壓瞬時值均不同,如果畫成圖像,長下面這樣。

對於三個埠,每個時刻的瞬時值均不同

這個其實可以用公式寫出來的。對於1、2、3三個埠,如果是普通的家庭電壓的話,它們的電壓瞬時值與時間的關係分別如下:

[公式]

[公式]

[公式]

我記得公式應該是這樣,如果不對,歡迎來錘

然後我們簡單一點,假設三個用戶的負載均為1Ω,並且是純電阻電路,那麼三戶的電流瞬時值數值大小也是像上面三個式子所計算出來的那樣大。然後,煩請題主準備一個計算器,調整到弧度(RAD)模式,隨便選一個時間t,然後分別計算上面三個式子,再把計算出來的結果相加,得出迴路匯流排的電流大小。

發現什麼了,結果幾乎為0,是不是?

然後我可以告訴你,不是幾乎為0,而是就是0,這是可以從數學上證明的(把上面三個式子加起來,要用到三角函數的加減公式,高中會學)。

也就是說,迴路這根線,不但不用加粗,甚至還可以做得很細,或者乾脆就不要。電路可以進一步簡化成這樣。

迴路進一步簡化,直接做接地處理

當1、2、3三個用戶的負載均衡的時候,迴路那根線就可以不要了,這怎麼理解呢?當三根線電流有效值相等的時候,他們每時每刻的瞬時值大小不同方向不同,但和為0,也就是說,三根線相互之間,它們自己形成了迴路

每一個瞬間,三條線路自身就能形成迴路,不用再需要總迴路線

交流電就是這麼神奇。

然後我們就可以回答題主的問題了。上面那幅圖裡面,紅色就是火線,它最終連接著發電機;藍色的就是零線,它最終連接著大地。

當然了,現實情況是,三戶用電負荷不可能總是相等,所以,在城市供電中,要儘可能多的彙集零線,最後就算不平衡,也所剩無幾了,會被導入大地。

像這種供電方式,我們稱之為三相交流電供電系統。

然後,這就可以解釋身邊的一些現象了。像路邊的電線杆,頂端的高壓線路部分,為什麼都是排成三角形的三根線呢?

路邊的10kV輸電線路,三根火線排成三角形

而下面的低壓線路部分,為什麼又是四根線路,並且入戶的時候,引出來的兩根線,總有一根是搭在四根當中第三根線上呢?

路邊的380V輸電線路,四根線排成一字型(網上找的圖)

我們樓道里的配電箱,電壓寫的為什麼是380V,而家裡用的明明是要220V?

民用電380V是指兩條火線間的電壓,220V指的是火線和零線的電壓,都是指有效值

總結一下:火線、零線之分,來源於三相交流電。發電廠發的電,還有輸配電,都是用的三相交流電,我們家庭用的交流電,是其中的一相,所以會有火線零線之分。

題主可以去圖書館、書店找一本《高中物理(選修3-2)》好像是這一本,裡面有涉及交流電的計算,還有一本選修2-1還是什麼的,裡面有一章節就是詳細講三相交流電的。

當然了,實際的供電系統,遠遠比這個複雜不知道多少倍,上面說的,只是一個幫助你理解的簡單模型。如果對這方面有濃厚興趣,可以在進入大學後,詳細鑽研這方面的專業知識。


反對@Patrick Zhang回答中夾帶的私貨。

首先回答問題

圖中是家用電路簡圖,A點是變壓器中性點,已接地。該點確認後,系統的對地最大電壓就是電源電壓220V,即系統的對地絕緣按照220V等級考慮。

第二,火線上有開關,當開關斷開時,用電電器只有C點電壓,C點與A點電壓近似相等,A點又是大地電位,因此電器上沒有高電壓,對人是比較安全的。

為什麼說C與A是近似相等呢?因為AC之間是零線,零線是有電阻的,當零線有電流時,根據歐姆定律電流乘以電阻必然有電壓,所以AC之間是有電壓的。通常這個電壓比較小,幾伏或者10幾伏,最大不過20幾V,所以A與C是近似相等。

那麼火線開關已經斷開了,AC之間還有電流嗎?日常中是有的,因為零線是多個迴路共用。比如某戶人家,由進戶匯流排再分出空調、插座等迴路,關閉空調只能保證空調迴路沒電流,插座迴路還是有電流由進戶匯流排流回變壓器的。

張工的錯誤

第一,他認為零線全線都是0伏,這根據歐姆定律是不成立的。為了證明這個結論,他拋棄了歐姆定律

拋棄的辦法是用某點電位代替某線段電壓,依據是基爾霍夫定律。這裡的錯誤在於,基爾霍夫定律中,導線是定義為沒有電阻的,也就是超導體,而現實中並不是。基爾霍夫定律沒問題,是他用錯了。如果應用基爾霍夫定律,應該是下面電路圖

線路電阻也要畫出來才對。

第二個錯誤是前面的延伸

上面這段話有兩個錯誤。

一個是,C點並不是地電位,這個已經討論過了。事實上C點對地電壓雖然不大,但是有些時候已經達到了對地放電的程度(電焊機也只用12V就可以起弧),所以這個電壓在實際中是有意義的,不能忽略。在易燃易爆場合禁止用保護接零,以防引起火災。

另一個,保護接零的命名不是因為零電位,而是因為外殼接零線。需提醒的是,保護接零這個概念在新的標準中已經不再使用,它是舊體系的遺留問題。現實中保護接零已經用的少了。


反對 @Patrick Zhang 的回答。

對於圖2的A圖,其中的C點我們已經知道流過的電流是1A,但它的電壓是0V。

電壓是電位差/電勢差不是電位/電勢。。。哪來的一個點的電壓了。

這個結論與歐姆定律會衝突嗎?答案是:不會。為何?因為圖2中的A點、B點和C點電壓遵循的是基爾霍夫節點電壓定律,與歐姆定律無關。

怎麼就與歐姆定律無關了。。。這電路要KVL,KCL和歐姆定律合起來才能得到電壓分佈,沒有歐姆定律你來解一個看看?

儘管零線的電壓是零,但它的電流不等於零。零線遵循的是基爾霍夫電壓定律,不是歐姆定律。

零線電位處處是零本來就是零線阻抗視為0的近似結果,0阻抗怎麼就叫不遵循歐姆定律了。再者張工自己老是在講接觸電阻,也不是不知道實際上不為零啊?

而且實際上這也是有的情況會需要考慮的。比如之前就遇到過電路板上把模擬地和數字地給接到一塊去了的,結果就導致幹擾然後頻繁出現錯誤。

最後截全回答省得又刪了跑路了→ →


  • 如你所想,一會這根線來電,一會那根線來電。
  • 實際的單相交流電,就在一根線上,一會正著給電,一會負著給電。另一根線始終為零。

你這樣做在工程上有什麼好處?我反而立即就能想到一個壞處:兩根線需要保持相位相符,這並不是簡單而低成本的操作。

正弦函數是圓周運動在一個軸上的投影,而你可以認為發電機是綁在軸磁鐵擼著線圈裡的電子發出電來的。那麼其實「同一根線裡面一會正著一會反著」的正弦波形狀的交流電,纔是自然而然的產物。


我們看下圖:

圖1:未給出零電位參考點的電路

圖1中的答案是什麼?如果題主說A點是6V,B點是3V,C點是0V,這個答案不一定正確。為何?因為電路中未給出零電位參考點。

我們看下圖:

圖2:給定了零電位參考點的電路

對於圖2的A圖,A點是6V,B點是3V,C點是0V;對於圖2的B圖,A點是0V,B點是-3V,C點是-6V。

可見,圖中的接參考地符號的重要性,它的本意就是定義了零電位參考點。

請題主注意:

對於圖2的A圖,其中的C點我們已經知道流過的電流是1A,但它的電壓是0V。

這個結論與歐姆定律會衝突嗎?答案是:不會。為何?因為圖2中的A點、B點和C點電壓遵循的是基爾霍夫節點電壓定律,與歐姆定律無關。

我們再看下圖:

圖3:交流電路圖

圖3中的電源電動勢E=220Vac,這裡的ac表示交流電。由於我們已經定義了C點是零電位參考點,因此A點的電壓是220Vac,B點的電壓是110Vac,而C點的電壓則是0Vac。

同樣,請注意:儘管C點的電壓是0Vac,但它的電流不是零,而是1Aac。

結論之一:我們把電源E的上端叫做火線,把E的下端叫做零線。我們看到,零線的第一個作用就是構建零電位參考點。

現在,我們把圖3改畫一下:

圖4:零電位參考點接大地的交流電路

注意看,C點的接地符號與圖3不同,這裡的接地符號表示接大地,而圖3中的接地符號是接參考地。這時,C點的電位不但具有了大地的零電位,同時它還能保證電器的外殼與C點接通後具有大地的零電位,我們把這種作用叫做保護接零。

現在,我們給出定義:

1)零線的起始斷接大地,因此零線具有大地的零電位;

2)零線具有保護接地的功能。

3)儘管零線的電壓是零,但它的電流不等於零。零線遵循的是基爾霍夫電壓定律,不是歐姆定律。

最後,我們看看實際電路是如何構建的,如下:

圖5:國際電工委員會定義的TN-C接地系統圖,圖中可見三條火線和一條零線

注意看,零線的起始端是接大地的,並且中間某處重複接大地,確保零線的零電位。用電設備的外殼全部都接到零線上,確保用電設備的外殼具有零電位,以實現保護接地。

相信,題主這下應當明白為何還有火線和零線之分了

回答完畢。


推薦閱讀:
相關文章