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家庭用电都是交流电,为何会有零线和火线的区别?

交流电是世界上使用最广泛的一种电流形式,交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流。

直流电我们也很熟悉,直流电的电流在流动过程中电流方向不会发生变化,并且我们知道,电流是从正极流向负极,如果我们用这个形式来理解交流电的话,就相当于交流电的正负极在不停的变化,如果交流电的频率是50HZ的话,按照这个逻辑,那么正负极就会在一秒钟内变化100次,但这样理解又会存在一个问题,就是既然两根线不停地转变电压,那么两根线的性质应该是一样的呀,却为什么又分零线和火线,并且我们触摸火线会触电,触摸零线却不会触电呢?那么我们就来捋一捋家用交流电中零线和火线的关系。

我们先从交流发电机讲起,发电机主要是由磁体和线圈组成,初中我们就学过,当线圈切割磁感线时就能够产生感应电动势,也就是有了电压,当我们接通电路时,就有了电流。

不过连续转动线圈有一个问题,就是线圈是要外接电路的,因此转动线圈这个操作不太方便,我们知道,运动是相对的,所以我们可以让线圈静止,让磁体来运动,磁体在外力的作用下不停转动从而发电,下面这个图就是最简单的模型。对于这种单套线圈产生的交流电来说,的确没有火线和零线之分,这两根线性质完全一样,如果我们用手触摸到任何一条线都会触电。

但这种方式发电没有完全利用好磁铁动力,因为只有当磁体转到竖直方向部分区域时,才会形成一定的电流,在其它角度,没有很好利用到磁铁的动力,那么这个时候就需要改造一下发电机,就是多绕几组线圈,也就是我们现在所使用的三相发电机,利用三组线圈发电,每一组线圈相差120°。模型就类似于下面这个图。

通过这种接法,就可以实现三个线圈同时发电,并且由于这些线圈的相位差为120°,因此各组线圈产生的电压的相位差也是120°。你会发现如果使用三组线圈就要接出6根电线,对于远距离输电来说,将会大大增加线缆的使用量,成本高昂,那么有什么方式可以改变这种状况呢?那就是换一种线圈的接法,我们依旧保持线圈的位置不动,将线圈的一端作为公共接点,并进行接地,我们把这根公共的线称为中性线,而发电处的大地与我们所处的大地是相连的,因此直接输出三根线就可以了,用户这一端的零线实际上就是接入大地的一根线(这是零线不触电的主要原因)。

也就是说,一个发电机可以输出三套供电系统,每一个系统供应不同的用户,并且这三组电路的用电功率通过电网的调配基本保持在平衡状态。所以,按照这个标准,我们可以计算一下我们三组电路的总电流是多少。

假如三组线路中功率一样,我们可以将三组电路等效于接入了三个一样的电阻,所以各线路中电流的关系与电压的关系一样(根据欧姆定律),按照这个方式计算(需要使用三角函数计算)我们会得到接地线的电流为零,所以实际上电流是在三根火线(发电机接出的四根线中,一条为中性线接地,三条为火线)上循环。而零线也就是接地线上基本无电流。所以,这就是火线与零线的差别,实际上零线就是一根接地线,并且在三个供电线路功率基本一致的情况下,零线的公共端是没有电流的。

所以家用交流电实际上是三相交流电,电流基本是在三根火线之间流通,而并不是我们简单想象的单相交流电,如果是那种的话,的确是没有零线和火线的区别。

最后总结一下,首先零线是接地线,所以零点的电势实际上为零(因为大地的电势为零)所以当我们触摸零线时,零线与大地是没有电势差的,所以不会触电,另方面,由于三个供电系统之间电流是相互调和的,所以零线的总端口也就基本不会存在电流,这就是零线与火线的根本区别。

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