- 電子工程師從入門到精通
- 韓雪濤主編
- 7字
- 2022-01-07 17:57:37
第1章 電路基礎
1.1 電流和電壓
1.1.1 電路中的電流
在導體的兩端加上電壓，導體的電子就會在電場的作用下做定向運動，形成電子流，稱之為“電流”。在分析和檢測電路時，規定“正電荷的移動方向為電流的正方向”。但應指出金屬導體中的電流實際上是“電子”的定向運動，因而規定的電流的方向與實際電子運動的方向相反。這里可以理解為，正電荷和負電荷的運動方向是相對的。猶如火車和鐵道之間的關系，如坐在火車上看鐵道，好像鐵道是向相反的方向運動的。電流的形成如圖1-1所示。
圖1-1 電流的形成
提示說明
電流的大小用“電流強度”來表示，用大寫字母“I”或小寫字母“i”來表示，指的是單位時間內通過導體橫截面積的電荷量。若在時間t內通過導體橫截面積的電荷量是Q，則電流強度可用I=Q/t計算。
如果在1s內通過導體截面積的電荷量是1C，那么導體中的電流強度為1A。電流強度的單位為安培，簡稱安，用字母“A”表示。根據不同的需要，還可以用千安（kA）、毫安（mA）和微安（μA）來表示。其換算關系為
1kA=1000A
1A=103mA
1A=106μA
為了方便，常常將電流強度簡稱“電流”，可見電流不僅表示一種物理現象，而且也代表一個物理量。
電流有直流和交流之分，如圖1-2所示。
圖1-2 直流和交流的波形圖
1.1.2 電路中的電壓
電壓是表征信號能量的三個基本參數之一。在電路中，其工作狀態如諧振、平衡、截止、飽和以及工作點的動態范圍，通常都以電壓的形式表現出來。
圖1-3是電源、電氣元件和開關組成的電路，圖中的a和b表示電池的正極、負極。正極帶正電荷，負極帶負電荷。根據物理學的知識，在電池的a、b之間要產生電場，如果用導體將電池的正極和負極連接起來，則在電場的作用下，正電荷就要從正極經連接導體流向負極，這說明電場對電荷做了功。為了衡量電場力對電荷做功的能力，便引入“電壓”這一物理量，用符號“U”（或“u”）表示，它在數值上等于電場力把單位正電荷從a點移動到b點所做的功。用W表示電場所做的功，q表示電荷量，則
圖1-3 由電源、電氣元件和開關組成的電路
提示說明
通常兩點間的電壓也稱為兩點間的電位差，即
Uab=Ua-Ub
式中，Ua表示a點的電位；Ub表示b點的電位。
電位可認為是某點與零電位點之間的電位差。在圖1-3中，以b點為基準零電位，則a點相對于b點的電位為1.5V，即電池的輸出電壓。
所謂電壓就是帶正電體A與帶負電體B之間的電勢差。也就是說，由電引起的壓力使原子內的電子移動，形成電流，該電流流動的壓力就是電壓。
圖1-4為電壓的演示模型。
圖1-4 電壓的演示模型
提示說明
從圖1-4中可以看出，正電荷在電場的作用下從高電位向低電位流動。這樣隨著電池的消耗（電池內阻會增加），電能下降，正極a因此而使電位逐漸降低，其結果使a和b兩電極的電位差逐漸減小，則電路中供給燈泡的電流也相應減小。
為了維持電流不斷地在燈泡中流通并保持恒定，就是要使負極b上所增加的正電荷能回到正極a。但由于電場力的作用，負極b上的正電荷不能逆電場而上，因此必須要有另一種力能克服電場力而使負極b上的正電荷流向正極a，這就是電源力。充電電池就是根據這個原理開發的。電源力對電荷做功的能力通常用電動勢Eba來衡量，它在數值上等于電源力把單位正電荷從電源的低電位端（負極）b經電源內部移到高電位端（正極）a所做的功，即
電壓和電動勢都有方向（但不是矢量），電壓方向規定為由高電位端指向低電位端，即電位降低的方向；而電動勢的方向規定為在電源內部由低電位端指向高電位端，即電位升高的方向，如圖1-5所示。在外電路中電流的方向是從正極流向負極的。
圖1-5 電壓和電動勢的方向