既然日常中用的是交流电,那为什么还有火线、零线之分?

既然日常中用的是交流电,那为什么还有火线、零线之分?

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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

我们接着往下看。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着的,太浪费了也。

怎么办呢,很简单,在左右空着的地方,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 号这三个端口的电压,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 的入户端口更靠近 S 极,电压还是反向的。也就是说,在每个瞬间,这三个端口电压瞬时值均不同,如果画成图像,长下面这样。

对于三个端口,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 三个端口,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:

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,得出回路总线的电流大小。

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,它最终连接着发电机;蓝色的就是零线,它最终连接着大地。

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。