第十章 第八节 家庭电路

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 10–62  家庭配电箱

 

各式各样的家用电器为人类的生活提供便利。家中几乎所有的用电器都需要接入家庭供电线路，而家庭配电箱（图 10–62）则控制着其中的各条线路。你是否关注过为家用电器供电的线路呢？了解家庭电路的主要组成，掌握故障分析的基本技术，具有节能环保的意识，安全、合理地用电，才能使我们拥有更美好的生活。

家庭电路主要由供电线路、电能表、总开关、低压断路器、插座、开关、用电器等组成。其中供电线路包含相线（又称火线）及零线，相线与零线间的电压为 220 V，除了相线、零线外，入户线中还应铺设一条地线，地线的对地电压为 0。家庭用电器的种类繁多，厨房、浴室中的用电器和空调的用电量较大，因此往往将家庭电路分为若干支路，分别对应照明、浴室、空调等。如图 10–63 所示为常见家庭配电系统。

家庭电路中，为了避免用电器通断时的相互影响，所有用电器都是并联连接在相线、零线间，且有的用电器还需与地线连接。在实际生活中，接入电路的用电器数目及总功率

 

往往不时发生改变，因此为了保障家庭用电的安全，我们应该根据实际需求来选择合适的电路元器件。

图 10–63  家庭配电系统

低压断路器

低压断路器是家庭用电安全的重要保障之一，如图 10–64 所示。断路器与火线、零线连接，具有过载、短路保护功能，即当火线、零线中的电流超过额定电流时，断路器会自动切断供电线路，避免损害用电器和发生其他危害。有些断路器还带有漏电保护功能，当断路器检测到相线与零线中流过的电流不一致，且差值超过一定大小时便会在短时间内断开电路。

导线

家庭电路中用导线与用电器、低压断路器、开关等连接。我们知道，导线具有一定的电阻，通过电流时，会发热。若导线持续处于过热状态会加快绝缘层老化，甚至损坏，引发事故。因此，导线长时间通电时能承载的最大安全电流是选择导线时重点考虑的要素之一。表 10–5 是常见的铜导线横截面积与安全电流对照表。

表 10–5  铜导线横截面积与安全电流对照表

序号	横截面积 S/mm2	安全电流 I/A	序号	横截面积 S/mm2	安全电流 I/A
1	2.5	28	4	10	65
2	4	35	5	16	91
3	6	48	6	25	120

 

选择家用导线时，可以通过用电器铭牌、说明书等，查找或计算用电器的工作电流，如图 10–65 所示；随后根据连接在导线上的用电器使用需求，对照表 10–5，选择有合适横截面积的导线。

家用电路的故障主要有短路、断路、过载、漏电及连接错误等。

断路器不仅能保障用电安全，也有助于排查故障所在。断路器自动断开表示其所在回路发生过载或短路、漏电等故障；因此不可以强行接通，应立即排查故障所在。如总断路器因故障断开，应先断开所有断路器，随后接通总断路器，再逐一接通支路断路器。如总断路器再次自动断开，便可判断刚刚接通的支路发生了故障。在生活中，应重视断路器的自动断开现象，及时排除故障，否则可能会加快线路老化，或引发火灾、触电等事故。

多用电表及验电笔是对简单电路故障检测的常用工具。当验电笔接触相线时，其中有电流通过，氖泡会发光。当验电笔正常工作时，通过的微弱电流不会对身体造成伤害，但 220 V 家庭用电电压远高于人体安全电压，因此在对家庭用电故障进行检测时，应熟知操作注意事项，做好安全防护措施，否则会危及生命安全！

 

本节编写思路

本节从学生熟悉的家庭电路组成入手，通过分析学会解决家庭电路中的简单问题，具体分为三个层次：

1．通过对家庭电路各部分的介绍，了解家庭电路的基本组成。

2．通过对低压断路器功能以及导线安全电流的了解，掌握分析简单电路故障的方法。

3．结合“大家谈”，知道家庭电路的用电安全注意事项；通过对“STSE”的学习，知道节能环保对可持续发展的重要意义。

本节内容旨在通过电路简单故障的分析提升物理观念，培养科学思维；通过节能环保，安全用电的学习，关注生命教育，提升社会责任意识。

正文解读

家庭配电箱由多组断路器构成，是家庭安全用电的保障。家庭配电箱贴近生活实际，通过对其中断路器的分析，帮助学生认识和排除家庭用电中的简单故障。本节中的“问题与思考”第 4 题与此呼应。

本节可结合前面学习的电路内容，引导学生认识到节首图中配电箱内的断路器是判断电路故障和保护电路安全的重要器件。本节内容涉及面较广，主要由家庭电路的组成、简单故障分析以及用电安全、节能等内容组成。在教学时可结合生活中的实例，通过实物、图片和视频等方式进行讲解，也可以采用学生阅读，教师点拨的方式进行。

 

选择导线面积时是否只需要考虑最大电流？在近距离输电时，首要根据导线允许的安全电流选择合格的导线；远距离输电时，除了要根据导线允许的安全电流选择合格的导线外，还要考虑导线的电压损失，保证用电器两端的电压在正常工作范围内。

 

此处设置“大家谈”及“STSE”的目的是使节约用电和安全用电成为开放性的学习内容。教材中仅展现一部分可用于参考的资料。在使用时，可组织学生自由交流观点，根据生活经验，提出建议和举措，实现相互学习，促进课堂生成。同时，应注意引导学生运用已学知识论证观点，提高证据意识，培养科学思维。

 

通过对“STSE”中“超龄”电器、节能电器和节能习惯等内容的学习，可以培养学生节能环保的意识；通过对分时电费的了解，并配合调查家庭的用电习惯等活动，可以倡导学生体验绿色环保的生活方式，增强学生的社会责任感。

问题与思考解读

1．参考解答：（1）“10 A”表示允许通过的最大电流       （2）上端的“E”字的插脚和家用电器金属外壳相连，是接地线的插脚。插入插座时，金属外壳接地，它比其他两脚稍长一些，插插头时能使家用电器的金属外壳先接地，拔插头时能使金属外壳后离开地线，即使家用电器因绝缘不好“漏电”，人也不会触电。

命题意图：了解插头的实际构造，知道家庭电路的安全知识。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅱ）；社会责任（Ⅰ）。

 

2．参考解答：根据 LED 灯及白炽灯的功率，可以得到替换灯泡后每天节省的电能，由此便可计算出一年节省的电费。根据 W = Pt 可得，每盏白炽灯及 LED 灯每天消耗的电能为

W_白炽灯 = P_白炽灯t = 40 × 5 × 3 600 J = 7.2 × 10⁵ J

W_LED = P_LEDt = 5 × 5 ×3 600 J = 9 × 10⁴ J

则每年可以节省的电能为

W_总 = n（W_白炽灯 – W_LED）× 365 = 5 ×（7.2 × 10⁵ − 9× 10⁴）× 365 J = 1.15 × 10⁹ J = 319.4 kW·h，因此一年可以节省电费 194.8 元。

命题意图：复习功率计算，了解更换节能灯的必要性，提升环保意识。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）；社会责任（Ⅱ）。

 

3．参考解答：两孔插座的开关应该接在火线上；三孔插座应将上方插孔接在接地线上；空调和热水器应该分别连接在不同的断路器上。

命题意图：简单了解家庭电路的线路安全设计原则。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）；社会责任（Ⅰ）。

 

4．参考解答：由于灯熄灭后，断路器未自动断开，可以判断灯泡熄灭的原因并非灯泡以及线路短路，可判断故障应为灯泡所在线路发生断路所致。可使用验电笔或多用电表进行检测，只需写出一种情况即可。若使用多用电表检测，可先将灯泡拆下，用多用电表的电阻挡测量阻值，若显示溢出则代表灯泡断路，否则代表灯泡正常；若灯泡正常，可使用电压表测量开关两端，若电压显示为 0 则代表开关正常，若显示为 220 V 则代表开关断路。

命题意图：能利用所学工具，排除家庭电路故障。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）；科学论证（Ⅱ）；质疑创新（Ⅰ）。

资料链接

低压断路器的工作原理

断路器的电路切断功能是通过“脱扣”来实现的。如图 17 所示，常见的断路器在过载和短路时会自动实现“脱扣”来保护电路，有些也具有欠压保护功能。其内部原理图如图 18 所示，当家用电路发生非严重的过载时，较大的电流使发热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钧与锁扣脱开，将主触头分离，切断电源。当家用电路发生短路或严重电流过载时，短路电流能使得电磁脱扣器产生足够大的吸力，在短时间内（一般小于 0.1 s）将衔铁吸合并撞击杠杆，切断电源。当电路出现欠压时，欠压脱扣器无法吸住衔铁，使衔铁被弹簧拉起，撞击杠杆，切断电源。在实际的断路器中，还存在灭弧室，因为自动断开开关的时候，会有一个电弧的产生，电弧因磁、热等作用引入灭弧室后被分割为多段，很快冷却、熄灭，电流彻底中断。常见的家用断路器，因为以空气作为灭弧介质，故又称“空气开关”。其他类型的断路器还有真空断路器、油断路器等。