電工初階

1. 電流的起源

2. 電力的產生

因為兩種不同性質的物體裏的原子不相同，這些原子的核心對外圍電子的控制力強弱不一致,互相摩擦時,弱的一方受壓力影嚮,部份自由電子就被逼脫離原有軌道,飛過強的一方的物體表面,形成一種物質帶正電荷,另一種物質就帶負電荷(靜電)。

利用兩種不同的金屬,用壓力併合成一件不易分離物體,在它們的接縫部份加熱,因為金屬受熱,使內部溫度上升,刺激外層的電子運動劇烈增加,影嚮那兩種金屬的原子核對電子的控制，力弱的一方, 電子很容易給強而有力的一方吸引過去,那麼兩者就形成電勢差。如果在兩者極端的邊緣各連接一條導線，通過一個靈敏測電表，完成一完整的電流通路,就可以見到電流的指針移動,可是電流值不很大。

(3) 化學作用產生的電力:

使用化合物的溶液配合一種特定金屬,在溶液裏起化學作用,就可以產生一種電力。例如常用的電池,就是使用這種電力。作法: 用一塊鋅片和一根炭棒,同時插入裝滿氯化氨(Ammonium chloride)的溶液裏,用導線將鋅片和炭棒在瓶外連在一起,就有電流通過。因溶液裏含有不少的銨正離子(NH4+)和氯的負離子(Cl-);當鋅本身餘下負離子。結果,鋅片過份擠擁的電子因同性互相排擠,一有機會和金屬棒連成通路,受異性吸引,就產生一種化學作用的電力。

(4) 光生電力

利用一種感光物質或感光化合物,這種物質一受光的照射,即時起反應,將它本身的電子發射出來。換一句話說,即是有光線到達就產生一種電力,立刻放射電子,譬如用氧化鉀或氧化鈣的感光物質,將它暴露在光線下即有電子發射出來。這種利用光產生的電力,也可以稱做光電反應,光電管(Photo-tube)就是利用這種效應,使光變成一種電子流。

(5) 壓力產生的電力:

用機械力來壓迫晶體, 在它的前後兩面，就可以產生電位差。有好幾種晶體像酒石酸、鉀、鈉等,把它放在兩片金屬中間,利用它受力的時候就會產生微弱的電壓,例如晶體振盪器、晶體傳音器和唱頭,都是利用這種原理構成。

(6) 磁感產生的電力:

拿一根或串聯多根的導線,放到磁鐵兩極間(如圖),將導線在N S兩極間垂直移動,靈敏的電表指針就會左右移動,表示有電壓產生; 閉合電路裏就有電流通過,因為導線在磁場裏運動,將磁力線割切,就會產生電流;或者把磁棒放在線圈筒中間，上下抽動,結果也得到同樣效果。這種現象是電磁感應,導線或線圈割切磁力線,就產生感應電壓和感應電流。發電機就是根據這種原理來發電的。

當導線和磁力線相割,就可以產生電動力,電動力的強弱,要看每秒鐘所割切的磁力線多少而定。如果一秒鐘內有一萬萬條磁力線被割,就產生一個單位的感應電壓(1伏特)。在限定的時間裏,磁場愈強,被割切的磁力線也越多，運動加速或導線數目增加,同樣可以使感應電壓加強的。

3. 直流電(DC)和交流電(AC)

電流可分為直流電(通常簡寫為DC)和交流電(通常簡寫為AC)兩種。所謂直流電,指的是電流以一個固定的方向流動。交流電和直流電不同,它的流動方向具有週期性的變化。直流電可由電池供應,而交流電必須由發電機產生。

(1) 直流電產生(Direct Current):

乾電池(Dry cell):

蓄電池 (Re-chargeable Cell):

放電後又能多次充電使用的電池叫「蓄電池」(可充電池)。鉛酸蓄電池是最多用於汽車的蓄電池,它的負極是金屬鉛粉末壓成的板塊,而正極則是氧化鉛粉末壓成,兩片電極浸在硫酸水溶液的電解質中。
鉛酸蓄電池用完後可再次充電,充電過程是一個電解反應,充電完畢後,兩個電極會變回金屬鉛和氧化鉛。

電源供應器 (Power Supply):

電源供應器可將交流電轉為直流電,電源供應器是轉接器的一種,由於一個電源供應器可以隨時選擇輸出不同的直流電壓。

直流發電機 (D.C. Generator):

直流發電機是把機械能轉化為直流電能的機器。直流發電機和直流電動機在結構上沒有差別,只不過直流發電機是用其他機器帶動,使其導體線圈在磁場中轉動,不斷地切割磁感線,產生感應電動勢,把機械能變成電能。直流發電機由靜止部分和轉動部分組成。靜止部分叫定子,它包括機殼和磁極,磁極當然是用來產生磁場的;轉動部分叫轉子,也稱電樞。當發電機的電樞被其他機器帶動以均速逆時針旋轉時,線圈作切割磁感線運動。是脈動直流電動勢,輸出的就是直流電了。

(2) 交流電產生 (Alternating Current):

交流電流即電流在導體內週期性地反方向流動。香港家庭用戶使用的交流電頻率為50赫(Hertz, Hz),即電流每秒作50次正負極的循環交替。

交流電的波形可以是正弦波(sine wave)的,交流電電源的電壓可以用變壓器改變,這樣電壓就可以在傳送或分配時提升或下調。在遠距離的傳送中,高電壓比低電壓在導電體內損耗的能量較少,故傳送效能較高。

4. 不同種類的發電方法

(1) 太陽能發電 (Solar energy)

太陽能電力是由光電池(solar cell)所產生,但是單一個光電池只能產生少許的電量,所以太陽能電力站需要用很多塊光電池板組合而成，而其位置需設於大部份時間均為晴天的地方。以現時的效率,十七平方米的光電池大約可為一千人提供電力。因此在陽光充足的地方，就是設置太陽能發電廠的最佳選擇。

(2) 核能發電 (Nuclear energy):

核能發電廠是利用核分裂的方式產生熱,再製造出蒸氣。核分裂的意思就是原子受中子撞擊而分裂成細小的部份。當原子互相碰撞及分裂時,它們的溫度便會上升,並產生熱能,發電廠就是利用這些熱能製造出蒸氣,蒸氣膨脹就會造成壓力推動發電機的渦輪轉動。

(3) 風力發電(Wind power):

在不久之前,風力可以說是一種頗重要的發電源。在大風的地方,人們建造風車,並以此產生電力,他們用這些能量用作泵水、磨穀或進行其他工作。但是,風並不易於控制,所以當廉價的石油開始普及化,大部份的風車就消失了。

5. 電學基本認識

(2) 電學單位倍數

(3) 電壓 (Voltage/ Potential difference)

電壓的說明,也可以用下列幾個方式來描述的。

(1) 電源的兩端,具有壓力的一方,推動電子經過加載(Load),再折回電源,這種推動力,在電路上叫做電壓。
(2) 有時又會這樣說:在電路上,能夠維持電子向前的力量,叫做電動力 (Electro-motive force)。
(3) 另一個解釋是:電源一定具有兩端,一端電位較高才能使電子在電路上流動,這種潛力叫做電位差(Potential difference)。
任何電源的兩端,兩點間有電位的差值存在的話,電子就會因不平衡的趨勢而產生運動，好像水向低流的趨向。
在名稱上,雖然有這麼多稱謂,其實在計算上,通通都是指電壓的意思,在算式上,是用V,E或e來代表它的。

電路上要有電流,總要有電壓做推動力,如果電壓高一點,電流可急速一些通過;電壓低一點,電流就緩慢流動。當然,在實際上還要配合加載,才能構成一個合理的電路電壓的單位,用伏特(Volt)表示,補助單位有一仟分一伏(millivolt)和千伏(Kilo-volt)等。

(4) 電阻

它是用來調節電流，及將電路上的電壓按比例分開。一般固定數值電阻的表面都印有不同的色環用以表示它的電阻值，請參看下表:

(5) 歐姆定律 (Ohm’s Law):

V = IR

6. 交流電的電壓與電流值

產生電壓的主要關鍵在於導體與磁場的相對運動。下圖表示導體運動的方向與磁場方向,感應電壓的產生,這是因為導體切割磁磁力線所造成。

交流電發電機的輸出及電樞旋轉的情形

(1) 交流電的瞬時值 (Instantaneous Value):

參閱上表,知道發電機旋轉每一點位置或每一角度所感應而產生電動力是有差異的。
正弦曲線是由無數的瞬時值連接起來構成。

(2) 交流電的平均值(Average Value):

普通交流電因為變化迅速,方向有變,瞬時值不易測定;並且亦沒有甚麼作用,根本不能代表電壓或電流的真正數值。在交流變化過程中,又有平均值的產生,這平均值亦不能旋轉一周來平均計算;因為整一週有正負半週,若用普通方法計算,則正半週和和負半週的數字抵消。現用的平均值是採用半週的平均數。

(3) 交流電的有效值(Effective Value):

有效值叫做平方根值(root mean square value R.M.S),它的來源是由個別瞬時值平方相加,然後再求出它的平均值,再由平方數的根得來。這數值剛是發電機轉到45°位置的瞬時值。

(電流有效值)2=(各個瞬時電流)2

現在使用交流的數值是以有效來計算的,這樣和直流電分別使用時,以同等效果。譬如一個電熱工具耗直流電力測得是1A,那麼改用交流電,也測得消耗了1A的電流,而分別度得約100度C及70度C的熱效應,此電壓便是交流電的有效值。

(4) 週期和頻率 (Cycle and frequency):

線圈旋轉軸一周,所產生的感應電壓和電流,有一正一反的方向循環變化。初由零值到最大值,再降為零值,反方向,繼續又由零值升到最大值,再恢復為零值,週而復始。這樣一起一伏變化,叫做一週(Cycle),一週所耗費的時間,就叫做週期(Period):每秒鐘所轉的週數,稱做頻率(Frequency) 頻率多少,視乎轉動的速率和磁極數多少來決定。
假設T是代表週期,F代表頻率,則它們的關係是:
F = 1/T ; T=1/F

例如週期是需要1/50秒時間,則頻率就是每秒50赫(週);

7. 電路的危險性

市面上有各式各樣的電器,每種電器都有不同的功能。例如電風扇及冷氣機可以為夏天帶來涼快的環境,電飯煲及微波爐可以煮食等。

不同的電器有不同的結構,但它們都是從市電插座中直接取電。一般的電插頭有三個觸點,俗稱「腳」,三個觸點分別是火線(Live)、中線(Neutral)及水線(Earth)。火線主要為電器提供交流電力,開關掣會置於火線上,而中線則是電流的回路。水線則接駁了電器的金屬殼,以免我們觸及電器漏電的地方而受傷。

(2) 短路 (short circuit)

電器可能因為損壞而令電路的電阻大大減少,在這個情況下,電路的電阻等於零,流經電路的電流便會變得非常大。當短路時,電流往往會使電線溫度迅速升高,從而破壞電線的絕緣外層,嚴重的話可能會引起火災。

過載保護 (overload protection):

(3) 保險絲 (Fuse)

保險絲(Fuse)的主要部份是一條藏在瓷管或玻璃管裡的可熔絲,由低熔點的鉛、錫合金等材料製成,當它的溫度上升至熔點時,就會自動熔斷。保險絲是作為電路過荷的保護,保險絲串聯在電路的火線上(即電流的源頭),如果通過電路的電流超過保險絲的額定電流,熔絲便會自動熔斷,切斷電路。這樣,當電路過荷時,流入保險絲的電流應大於額定電流,使保險絲的熔絲熔斷,把電路切斷,從而達到保護電路的目的。

(4) 微型電路斷路器 (mini-circuit breaker):

微型電路斷路器又簡稱為MCB,它的作用是當電路短路或負荷過重的時候,能夠立刻切斷電源,產生短路保護或過荷保護。微型電路斷路器是應用電磁原理工作的過荷保護裝置,主要用於供電系統上的最終電路。

微型電路斷路器是一個電磁開關,由一個電磁鐵和兩個觸點組成。要使觸點接合,必須要用人手扳動;如果觸點分開就可利用人手扳動或電磁鐵啟動裝置使它們分開。電路斷路器的接駁方法和保險絲一樣,是串聯在電路的火線上,在使用時先扳下手柄觸點接合去接通這電路。當流過電路斷路器的電流超出斷路器的額定值時,斷路器裏的電磁鐵便能產生足夠磁力吸引銜鐵而使兩觸點分開,從而切斷電路,達到保護的目的。要重新接通電路,只需把斷路器的手柄扳下,而無需更換保險絲。這就是斷路器比保險絲優勝的地方,但由於它的結構較複雜,所以成本較保險絲高。

(6) 家居的用戶配電箱 (Consumer Unit):

供電由大廈電表房分配到各用戶的配電箱內,再分配到各電路上使用。用戶配電箱由總開關,微型斷路器,漏電斷路器和銅巴組合而成。

(7) 接地 (Earthing):

如果電器內的絕緣部分有損壞,其金屬外殼及與相連的金屬,都有機會帶著危險電壓。假若身體不慎接觸到這些電器的金屬外殼，便會觸電。

8. 電動機 (Motors)

(1) 電動機的動能

發電機是利用磁生電原理的機械,是一種能力的變換;反過來,電能亦可產生磁能。電動機就是用電能來產生磁能,再由磁極的同性排斥,異性吸引的力量來產生一種旋動的機械能。

簡單的說:電動機是利用電力產生機械力量的一種工具。利用電力來將機械力還原來擔任各樣工作。電動機可簡單分做兩種:一種叫做交流電動機(A.C. Motor),用交流電力供能的;另一種叫做直流電動機(D.C. Motor),要用直流電力來供能的。

電動機主要有兩部份，一是定子(Stator)，一是旋轉的轉子(Rotor)，外表和普通發電機的構造很相似。

9. 變壓器

靜態的變壓器(火牛)並不屬於能量轉換裝置,但在許多能量轉換中，變壓器為不可缺少的組件,其中最基本的理由為在廣泛使用的交流電力系統中,變壓器可使發電機在最經濟的電壓下運轉,在最經濟的輸電電壓下傳輸功率,及在特殊之用電裝置中以最適當的電壓使用電力;變壓器同時廣泛使用在低電壓低電流的電子及控制電路,為了在負載端得到最大功率轉移,變壓器可作為與電源之間的阻抗匹配;或兩電路間之隔離;或在兩電路間隔離直流電流,但仍使交流繼續流動。

10. 雙層金屬片(Bi-metallic strip)

雙層金屬片是控制溫度的普遍工具,它是由兩塊遇熱時有不同膨脹率的金屬片所造成的,由於遇熱時一邊金屬片膨脹得較另一邊多,所以它會彎曲。當溫度加高時,兩塊金屬片的長度相差會更大，令其更為彎曲。雙層金屬片的彎曲程度與溫度成正比。

熨斗的恆溫系統
雙層金屬片可以調節熨斗的溫度,雙層金屬片與接觸點之間有一個空隙,如空隙細小,雙層金屬片只要彎曲少許便可接觸到接觸器,如空隙較大,它就要彎曲較多才可接觸到接觸器,即是空隙越大,熨斗的溫度越高,當我們轉動調溫掣時,實際上我們是轉動調較空隙的螺絲去改變空隙的大小。

11. 瑩光管的運作原理