电学基础

1.1基础概念

1.1.1 电流

原子

​ 宏观世界由微观粒子构成，而原子是其中最基本的构造单元。一个典型原子由带正电的原子核和带负电的电子组成，二者之间通过电磁力相互吸引而维持结构稳定。这一‘异性相吸，同性相斥’的基本电荷规律，是自然界微观秩序的基础。

原子与电荷

​ 原子核带正电，吸引带负电的电子，电子带负电之间又互相排斥。绝大多数固体材料，他们的原子核和电子靠得近是稳定的。像这样的结构：

​ 但是在金属固体里面，比如铜，电子离原子核远，可以自由移动的。原子核原地不动，保持着材料的结构稳定，电子可能会在原子之间迁移跳动：

我们假设生产了一根厚度只有一个原子的导线，示意图为了简化，每个原子核只画了一个电子。假设1号带负电荷的电子不老实，他往右边挤，会导致2号电子往3号的方向挤，3号电子也跟着往右边挤。
类似一辆挤满人的公交车，前门进去一个，后门就挤出来一个：

电流概念

电流（Current）的形成本质上是电荷的定向移动。电流是电荷在单位时间内通过导体横截面的流动量，其大小定义为：

I = Q / t

其中：

• I：电流（单位：安培，A）
• Q：通过导体横截面的电荷量（单位：库仑，C）
• t：所用时间（单位：秒，s）

电流是怎么形成的？

1. 自由电子的运动

   在金属导体中，例如铜、铝，存在大量自由电子。这些电子本来在导体中是无规则热运动的，不会产生电流。

2. 施加电压

   当在导体两端施加电压（电势差）时，就在导体内部形成了一个电场。

   电场的存在使得自由电子受到力的作用，沿着电场方向（负极 → 正极）定向运动，这个定向运动叠加在原有的热运动上，就形成了电流。

   ⚠️注意：电子的实际运动方向与电流方向相反（电子从负极流向正极，而电流方向是定义为正电荷移动的方向，即从正极流向负极）。

简单类比

可以把电流类比成水流：

• 电荷好比水分子
• 电压好比水压
• 导体好比水管
• 电流就像水流，是水在水管中的有序流动

电子是导体中的还是电源中的?

电子主要来自导体，电源只是驱动它们流动，形成电流, 电池通过化学反应“产生电子”并“推动导体中的电子定向流动”，从而形成电流。。

常见的电流

1.1.2 电压

把电压比成水压帮助理解

电压的概念

电压（Voltage）是电场施加在电荷上的力量，使其在电路中移动的能量。它也被称为电势差。

电压的单位是伏特（V），1伏特代表电场对1C电荷做1焦耳功（1V*1A*1s=1J）。电压的换算关系：1Kv=1000V，1V=1000mV，1mV=1000μV。

常见的电压

1.1.3 电阻

电阻的概念：

​ 导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。可以用下图形象的表示。

​ 在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。导体的电阻通常用字母R表示，单位是欧姆，简称欧，符号是Ω。

​ 电阻的单位换算：1KΩ=1000Ω=103Ω，1MΩ=1000000Ω=106Ω

不同导体对电流的阻碍效果

1.1.4 电路

物理学中将电池这类提供电能的装置叫做电源，将灯泡、电动机、蜂鸣器等这类消耗电能的装置叫做用电器。

电源、用电器，再加上导线，往往还有开关，组成了电流可以流过的路径——电路。

电路图

通路、断路、短路

人们把正常接通的电路，即用电器能够工作的电路叫做通路。

电路中如果某处被切断，电路中就不会有电流流过，这种情况叫做断路。

直接用导线将电源的正、负极连接起来，这种情况叫做短路。

1.1.5 直流电和交流电

​ 电流大小和方向都不变的电流称为直流电，电流大小或方向随时间做周期性变化的电流称为交流电。

直流电

​ 有固定的正极和负极。电流一直是从正极流向负极。通常以弱电为主。比如：干电池、锂电池、电平、蓄电池、光伏发电板等。

交流电

​ 电流的大小或方向，随着时间的变化而交替变化。通常以大功率为主。比如：220V的家用电源。频率是50HZ的正弦波交流电。交流电有火线和零线之分，但没有正负之分。零线是接地的，电压始终是0V。

1.1.6 弱电和强电

​ 弱电一般电压较低，国家规定的安全电压是交流36V以下、直流24V以下。弱电通常用于直流电路（3.3V、5V、12V）、音频和视频线路、网络线路、电话线等。弱电常用于信号传递。

​ 强电一般电压较高，比如，220V的家用电，1000多伏及以上的高压电。强电常用于传递能量。

1.2 常用定律

1.2.1 欧姆定律

定义：

电阻不变的的情况下，电压和电流成正比。

根据欧姆定律计算

• 一条电路中有一个电阻为2欧姆，电流为3安培，求该电路的电压。
• 一个电路中有两个电阻分别为4欧姆和6欧姆，电流为2安培，求该电路的电压。
• 一个电路中有三个电阻，分别为3欧姆、4欧姆和5欧姆，电压为12伏特，求电路中的总电流。
• 一个电路中有两个电阻，分别为3欧姆和6欧姆，总电压为15伏特，求电路中的总电流。
• 一个电路中有三个电阻，分别为2欧姆、3欧姆和5欧姆，总电流为5安培，求电路中的总电压。

答案：6伏特，20伏特，1安培，1.67安培，50伏特。

1.2.2 功率计算

电功率

指电流在单位时间内做的功，是用来表示消耗电能的快慢的物理量。电功率可以通俗地理解为：电器在单位时间内“用电做事”的快慢。

电路中元器件的工作功率计算公式如下：

例如：一个小风扇工作时两端电压为2.6v，工作电流为0.02A，那么小风扇工作时的总功率是多少？

1.2.3 焦耳定律

定义

电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。

电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有同时转化为其他形式的能量，那么电流产生的热量Q就等于消耗的电能W，即Q=W=UIt。

例如，一根60Ω的电阻丝接在36V的电源两端，在5min内共产生多少热量？

1.2.4 串联电路和并联电路

串联、并联电路在电流、电压、电阻等方面的关系

并联电路中只有两个电阻并联可以快速求总阻值 (300 * 600) / (300 + 600) = 200, 再求电路中总电流：9 / 200 = 0.045。

计算如下电路中，A、B、C点的电压：

电路图1：

解析：

1.C点电压为0V，因为C点附近接地了；

2.如下图，把右边红色框电路看出一个整体，左边红色框部分和右边红色框部分串联，串联分压

3.框中部分为并联，可求出并联电路中电阻大小 (600 *（400+200))/(600+200+400) = 300

4.求出并联电路电阻后，此时可以看成：

变成一个串联电路，一个电阻100一个300，电压消耗比例为1:3，A点电压为12 - 12*(1/4) = 9；

5.再去掉一些电路算B点电压，此时为一个串联电路，串联分压：B点电压：9 - 9*(2/3) = 3；

电路图2：

电路图3：

电路图4：