學點電器知識——電器導體之1

本想在知乎上開場Live來介紹，但想想這裡面的知識量如此之大，一場Live如何能講完？於是決定先來個開場白，也即寫若干篇「學點電器知識」系列文章，給我的Live做鋪墊。

電器，不管是低壓電器還是高壓電器，以及家用電器，它所包含的理論和知識都十分豐富。這些知識涉及到物理、化學和電路理論，還有電子技術和微機測控技術，高低壓配電和居家配電技術，甚至還有美學設計等等。

概括起來，電器的主體理論包括電器的發熱理論、電器的電動力理論、電器的電接觸理論、電器的電弧理論、電器的電磁理論。這些理論涉及到的科學大師有牛頓（發熱理論）、霍姆（電接觸理論）、湯遜（電弧理論）、麥克斯韋（電磁理論）等等。

考慮到知友們並非專業人士，也不一定是學生，也許只是一位對科學技術感興趣的普通大眾而已，因此我的行文以科普為主。

當然，必要的公式是躲避不開的。我會對這些公式的來源作講解，並說明這些公式的意義和它們的應用價值。

在技術領域，把相關的理論和應用有機地接合起來，並對工程人員給予有效指導的文檔就是標準和規範。因此，我的這些系列文章，也包括將來的專場Live，我會結合這些國際和國家標準規範來展開討論。

開關電器技術，它的基礎理論門檻很高。不過，那些科普作家們尚且能把諸如天文和生物等高大上的理論講解的如此通俗，我也試著用中學文化水平來表述電器理論，對自己做一番挑戰。

講完開場白，我們這就開始。

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第一個概念：電路和節點電壓

要弄懂電器，必須先弄懂什麼是電路。

在初中上物理課時，我們第一次接觸到電路。例如下圖：

依稀記得，中學老師是這樣講電路的：電路由電源、負載和連接導線構成，並且忽略導線的電阻。

事實上，電源有內阻，而導線也有電阻。如果我們不忽略這兩個電阻，把它們合併為電阻r，據此我們就能繪製出圖1的1圖。注意到r與R串聯。

2圖是把1圖加以具體化。我們來仔細看看2圖：

圖中的電源電壓是6V，並且r=1歐，R=5歐，於是電流I和路端電壓U分別為：

現在我們要給出一個很重要的概念了，就是節點電壓。

我們在中學都知曉歐姆定律，並且知曉歐姆定律是指：流過某電阻的電流等於該電阻兩端的電壓除以該電阻的阻值。許多人就以此來理解電路中各處的電壓。

現在，我們來建立有關節點電壓的概念。

圖2中，我們看到標記了A點、B點和C點等三處。這三處的電壓就叫做節點電壓。那麼這三處的電壓是多少？

在談論節點電壓時，首先要建立零電位點。

注意到2圖的左下角C點左側有一個接地符號，表示C點的參考電壓為0V。

據此，我們推得，A點的電壓是6V，B點的電壓是5V，C點的電壓當然就是0V。

如果我們把接地符號移到A點，則A點的電壓是0V，B點的電壓是-1V，C點的電壓是-6V。

注意1：當節點電壓值等於零時，並不代表此節點中沒有電流。例如2圖中的節點C，雖然它的電壓為零，但節點C中流過的電流是I。

注意2：注意理解節點電壓與歐姆定律中的電壓不同，不要把電阻兩端的電壓理解為節點電壓。

注意3：節點電壓等於零，與中學生最喜歡的所謂超導體毫無關係。本系列文章與超導體毫無瓜葛，也不期望知友將這些系列文章中的概念引用到超導體的討論中去。

節點電壓的概念十分重要，它是我們進一步探討電器的基礎。從此以後，若不特別說明，討論中一般都採用節點電壓。

第二個概念：導體的電阻

我們來看圖2：

圖2中，我們看到了觸頭和導電杆。觸頭用於合分電路，而導電杆則用於導入和導出電流。由此可知，導電杆其實就是接觸器這個電器內部的專用導體而已。

我們在前面已經說過，導體當然有電阻。那麼導體上的電阻如何計算呢？

計算方法在中學學過，如下：

在這裡，R是導體電阻，L是導體的長度，S是導體的截面面積，而ρ則是導體材料的電阻率。

電阻率很有意思，它會隨著溫度的升高而變大。因此電阻率有如下表達式：

在這裡，ρ0是零度時的材料電阻率，α是材料的電阻溫度係數，θ是實際溫度。

如此一來，導體的電阻表達式變成這樣了：

這個表達式告訴我們一個很重要的道理：原來開關電器的導電材料電阻阻值是會變化的，它的阻值隨著環境溫度升高而升高。

我們把開關電器的工作溫度減去環境溫度，得到的偏差叫做溫升。溫升用希臘字母τ來表達。

我們都知道絕對溫度，絕對溫度的單位是K，即開爾文溫標。我們把攝氏度加上273.15度後，就是絕對溫標。顯見，溫升τ的單位就是K。

國家標準GB14048.1-2012《低壓開關設備和控制設備 第1部分：總則》規定，當環境溫度為40度時，銅導體的最高溫升不得超過60K，鍍錫導體的最高溫升不得超過65K，而鍍銀導體的最高溫升不得超過70K。

此標準是強制性國家標準，所有的低壓開關電器都必須絕對滿足此技術要求。

為何國家標準對開關電器的內部導體有溫升的規定？

原來，這與材料的機械強度有關。溫升越高，材料的機械強度會大幅度地降低。而開關電器內部的導體材料往往是結構件，例如圖2中的導電杆同時又是觸頭的支架。當溫升升高後，一旦導電杆材料軟化，開關電器的結構就會發生變形，並可能由此造成嚴重後果。

開關電器如此，家用電器也是如此。所有開關電器都有溫升的要求。

我們知道，當導電杆流過電流後，它會發熱，但導電杆同時也會散熱。於是導電杆的發熱和散熱會達到一種平衡。

那麼這種平衡是否與導電杆的工作電流相關？我們且聽下回分解。