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第1章
电子电路基础知识

1.1 电流与电动势

1.1.1 电流

在导体的两端加上电压,导体内的电子就会在电场力的作用下做定向运动,形成电流。电流的方向规定为电子(负电荷)运动的反方向,即电流的方向与电子运动的方向相反。

图1-1所示为由电池、开关、灯泡组成的电路模型,当开关闭合时,电路形成通路,电池的电动势形成了电压,继而产生了电场,在电场的作用下,处于电场内的电子便会定向移动,这就形成了电流。

图1-1 由电池、开关、灯泡组成的电路模型

电流的大小称为电流强度,它是指在单位时间内通过导体横截面的电荷量。电流强度使用字母“ I ”(或 i )来表示,电荷量使用“ Q ”(库仑)表示。若在 t 秒内通过导体横截面的电荷量是 Q ,则电流强度可用下式计算:

电流强度的单位为安培,简称安,用字母“A”表示。根据不同的需要,还可以用千安(kA)、毫安(mA)和微安(μA)来表示。它们之间的换算关系为

1kA=1000A

1mA=10 -3 A

1μA=10 -6 A

1.1.2 电动势

电动势是描述电源性质的重要物理量,用字母“ E ”表示,单位为“V”(伏特,简称为伏),它是表示单位正电荷经电源内部,从负极移动到正极所做的功,它标志着电源将其他形式的能量转换成电路的动力,即电源供应电路的能力。

提示说明

电动势用公式表示

式中 E 为电动势 单位为V W 为将正电荷经电源内部从负极引导正极所做的功 单位为J Q 为移动的正电荷数量 单位为C

图1-2所示为由电源、开关、可变电阻器构成的电路模型。在闭合电路中,电动势是维持电流流动的电学量,电动势的方向规定为经电源内部,从电源的负极指向电源的正极。电动势等于路端电压与内电压之和,用公式表示为

E = U + U = IR + Ir

式中, U 表示路端电压(即电源加在外电路端的电压); U 表示内电压(即电池因内阻自行消耗的电压); I 表示闭合电路中的电流; R 表示外电路总电阻(简称外阻); r 表示电源的内阻。

图1-2 由电源、开关、可变电阻器构成的电路模型

提示说明

对于确定的电源来说 电动势 E 和内阻 r 都是一定的 若闭合电路中外电阻 R 增大 电流 I 便会减小 内电压 U 减小 故路端电压 U 增大 若闭合电路中外电阻 R 减小 电流 I 便会增大 内电压 U 增大 故路端电压 U 减小 当外电路断开 外电阻 R 无限大 电流 I 便会为零 内电压 U 也变为零 此时路端电压就等于电源的电动势

1.2 电位与电压

电位是指电路中某点与指定的零电位的大小差距,电压则是指电路中两点电位的大小差距。

1.2.1 电位

电位也称电势,单位是V,用符号“ φ ”表示,它的值是相对的,电路中某点电位的大小与参考点的选择有关。

图1-3所示为由电池、三个阻值相同的电阻和开关构成的电路模型(电位的原理)。电路以A点作为参考点,A点的电位为0V(即 φ A =0V),则B点的电位为0.5V(即 φ B =0.5V),C点的电位为1V(即 φ C =1V),D点的电位为1.5V(即 φ D =1.5V)。

图1-3 由电池、三个阻值相同的电阻和开关构成的电路模型(电位的原理)

电路若以B点作为参考点,B点的电位为0V(即 φ B =0V),则A点的电位为-0.5V(即 φ A =-0.5V),C点的电位为0.5V(即 φ C =0.5V),D点的电位为1V(即 φ D =1V)。图1-4所示为以B点为参考点电路中的电位原理。

图1-4 电位的原理(以B点为参考点)

1.2.2 电压

电压也称电位差(或电势差),单位是V。电流之所以能够在电路中流动是因为电路中存在电压,即高电位与低电位之间的差值。

图1-5所示为由电池、两个阻值相等的电阻器和开关构成的电路模型。

图1-5 由电池、两个阻值相等的电阻器和开关构成的电路模型

1.3 电路连接与欧姆定律

1.3.1 串联

如果电路中多个负载首尾相连,那么我们称它们的连接状态是串联的,该电路即称为串联电路。

图1-6所示为电子元件的串联关系。在串联电路中,通过每个负载的电流量是相同的,且串联电路中只有一个电流通路,当开关断开或电路的某一点出现问题时,整个电路将处于断路状态,因此当其中一盏灯损坏后,另一盏灯的电流通路也被切断,该灯不能点亮。

图1-6 电子元件的串联关系

提示说明

在串联电路中通过每个负载的电流量是相同的 且串联电路中只有一个电流通路 当开关断开或电路的某一点出现问题时 整个电路将变成断路状态

在串联电路中,流过每个负载的电流相同,各个负载分享电源电压,如图1-7所示,电路中有三个相同的灯泡串联在一起,那么每个灯泡将得到1/3的电源电压量。每个串联的负载可分到的电压量与它自身的电阻有关,即自身电阻较大的负载会得到较大的电压值。

图1-7 灯泡(负载)串联的电压分配

1.3.2 并联

两个或两个以上负载的两端都与电源两极相连,我们称这种连接状态是并联的,该电路即为并联电路。

如图1-8所示,在电子元件的并联状态下,每个负载的工作电压都等于电源电压。不同支路中会有不同的电流通路,当支路某一点出现问题时,该支路将处于断路状态,照明灯会熄灭,但其他支路依然正常工作,不受影响。

图1-8 电子元件的并联关系

图1-9所示为灯泡(负载)并联的电压分配。

图1-9 灯泡(负载)并联的电压分配

1.3.3 混联

如图1-10所示,将电子元件串联和并联连接后构成的电路称为混联电路。

图1-10 电子元件的混联关系

1.3.4 电压变化对电流的影响

电压与电流的关系如图1-11所示。电阻阻值不变的情况下,电路中的电压升高,流经电阻的电流也成比例增加;电压降低,流经电阻的电流也成比例减少。例如,电压从25V升高到30V时,电流值也会从2.5A升高到3A。

图1-11 电压与电流的关系

1.3.5 电阻变化对电流的影响

电阻与电流的关系如图1-12所示。当电压值不变的情况下,电路中的电阻阻值升高,流经电阻的电流成比例减少;电阻阻值降低,流经电阻的电流则成比例增加。例如,电阻从10Ω升高到20Ω时,电流值会从2.5A降低到1.25A。

图1-12 电阻与电流的关系 85gLM0ueTwPMngQeOxlLEe1bKAIoJbD+RJzROZYqeZ5yhjh9OxgPa4k6joh5pZ5n

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