《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

  • A+
所属分类:技术支持

1.1 基本概念与规律

1.1.1 电路与电路图

图1-1(a)所示是一个简单的实物电路,该电路由电源(电池)、开关、导线和灯泡组成。电源的作用是提供电能;开关、导线的作用是控制和传递电能,称为中间环节;灯泡是消耗电能的用电器,它能将电能转变为光能,称为负载。因此,电路是由电源、中间环节和负载组成的。

图1-1(a)所示为实物电路,绘制该电路很不方便,为此人们用简单的图形符号代替实物的方法来画电路,这样画出的图形称为电路图。图1-1(b)所示的图形就是图1-1(a)所示实物电路的电路图,不难看出,用电路图来表示实际的电路非常方便。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-1 一个简单的电路

1.1.2 电流与电阻

1.电流

在图1-2所示电路中,将开关闭合,灯泡会发光,为什么会这样呢?下面就来解释其中的原因。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-2 电流说明图

当开关闭合时,带负电荷的电子源源不断地从电源负极经导线、灯泡、开关流向电源正极。这些电子在流经灯泡内的钨丝时,钨丝会发热,温度急剧上升而发光。

大量的电荷朝一个方向移动(也称定向移动)就形成了电流,这就像公路上有大量的汽车朝一个方向移动就形成“车流”一样。实际上,我们把电子运动的反方向作为电流方向,即把正电荷在电路中的移动方向规定为电流的方向。图1-2所示电路的电流方向是:电源正极→开关→灯泡→电源的负极。

电流通常用字母“I”表示,单位为安培(简称安),用“A”表示,比安培小的单位有毫安(mA)、微安(μA),它们之间的换算关系为

\(1A = {10^3}mA = {10^6}\mu A\)

2.电阻

在图1-3(a)所示电路中增加一个元器件——电阻器,发现灯光会变暗,该电路的电路图如图1-3(b)所示。为什么在电路中增加了电阻器后灯光会变暗呢?原来电阻器对电流有一定的阻碍作用,从而使流过灯泡的电流减小,灯光变暗。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-3 电阻说明图

导体对电流的阻碍称为该导体的电阻,电阻通常用字母“R”表示,电阻的单位为欧姆(简称欧),用“Ω”表示,比欧姆大的单位有千欧(kΩ)、兆欧(MΩ),它们之间的换算关系为

\(1M\Omega {\rm{ = }}{10^3}k\Omega = {10^6}\Omega \)

导体的电阻计算公式为

\(R = \rho \frac{L}{S}\)

在上式中,L为导体的长度(单位:m),S为导体的横截面积(单位:m2),ρ为导体的电阻率(单位:Ω·m)。不同的导体,ρ 值一般不同。表 1-1 列出了一些常见导体的电阻率(20℃时)。在长度L和横截面积S相同的情况下,电阻率越大的导体其电阻越大,例如,L、S相同的铁导线和铜导线,铁导线的电阻约是铜导线的 5.9 倍。由于铁导线的电阻率较铜导线大很多,所以为了使负载得到较大电流以及减小供电线路的损耗,供电线路通常采用铜导线。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

表1-1 一些常见导体的电阻率(20℃时)

导体的电阻除了与材料有关外,还受温度影响。一般情况下,导体温度越高电阻越大,例如常温下灯泡(白炽灯)内部钨丝的电阻很小,通电后钨丝的温度升到1 000℃以上,其电阻急剧增大;导体温度下降电阻减小,某些金属材料在温度下降到某一值时(如−109℃),电阻会突然变为0Ω,这种现象称为超导现象,具有这种性质的材料称为超导材料。

1.1.3 电位、电压和电动势

电位、电压和电动势对初学者来说较难理解,下面通过图 1-4 所示的水流示意图来说明这些术语。首先来分析图1-4中的水流过程。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-4 水流示意图

水泵将河中的水抽到山顶的A处,水到达A处后再流到B处,水到B处后流往C处(河中),然后水泵又将河中的水抽到A处,这样使得水不断循环流动。水为什么能从A处流到B处,又从B处流到C处呢?这是因为A处水位较B处水位高,B处水位较C处水位高。

要测量A处和B处水位的高度,必须先要找一个基准点(零点),就像测量人的身高要选择脚底为基准点一样,这里以河的水面为基准(C处)。AC之间的垂直高度为A处水位的高度,用HA表示;BC之间的垂直高度为B处水位的高度,用HB表示。由于A处和B处水位高度不一样,它们存在着水位差,该水位差用 HAB表示,它等于 A 处水位高度 HA与 B 处水位高度 HB之差,即HAB=HA−HB。为了让A处源源不断有水往B、C处流,需要水泵将低水位的河水抽到高处的A点,这样做水泵是需要消耗能量的(如耗油)。

1.电位

电路中的电位、电压和电动势与上述水流情况很相似。如图 1-5 所示,电源的正极输出电流,流到A点,再经R1流到B点,然后通过R2流到C点,最后流到电源的负极。

与图1-4所示水流示意图相似,图1-5所示电路中的A、B点也有高低之分,只不过不是水位,而称为电位,A点电位较B点电位高。为了计算电位的高低,也需要找一个基准点作为零点,为了表明某点为零基准点,通常在该点处画一个“⊥”符号,该符号称为接地符号,接地符号处的电位规定为0V,电位单位不是米(m),而是伏特(简称伏),用“V”表示。在图1-5所示电路中,以C点为0V(该点标有接地符号),A点的电位为3V,表示为VA=3V;B点电位为1V,表示为VB=1V。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-5 电位、电压和电动势说明图

2.电压

图1-5所示电路中的A点和B点的电位是不同的,有一定的差距,这种电位之间的差距称为电位差,又称电压。A点和B点之间的电位差用UAB表示,它等于A点电位VA与B点电位VB的差,即UAB=VA−VB=3V−1V=2V。因为A点和B点电位差实际上就是电阻器R1两端的电位差(即电压), R1两端的电压用UR1表示,所以UAB=UR1

3.电动势

为了让电路中始终有电流流过,电源需要在内部将流到负极的电流源源不断地“抽”到正极,使电源正极具有较高的电位,这样正极才会输出电流。当然,电源内部将负极的电流“抽”到正极需要消耗能量(如干电池会消耗掉化学能)。电源消耗能量在两极建立的电位差称为电动势,电动势的单位也为伏特,图1-5所示电路中电源的电动势为3V。

由于电源内部的电流是由负极流向正极,故电源的电动势方向规定为从电源负极指向正极。

1.1.4 电路的3种状态

电路有3种状态:通路、开路和短路,这3种状态的电路如图1-6所示。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-6 电路的3种状态

1.通路

图1-6(a)所示电路处于通路状态。电路处于通路状态的特点有:电路畅通,有正常的电流流过负载,负载正常工作。

2.开路

图1-6(b)所示电路处于开路状态。电路处于开路状态的特点有:电路断开,无电流流过负载,负载不工作。

3.短路

图1-6(c)所示电路处于短路状态。电路处于短路状态的特点有:电路中有很大电流流过,但电流不流过负载,负载不工作。由于电流很大,电源和导线很容易被烧坏。

1.1.5 接地与屏蔽

1.接地

接地在电子电路中应用广泛,电路中常用图1-7所示的符号表示接地和接机壳。

为了便于初学者理解,本书将接地和接机壳统一成接地来说明。在电子电路中,接地的含义不是表示将电路连接到大地,而是有以下的意义。

① 在电路中,接地符号处的电位规定为 0V。在图1-8(a)所示电路中,A 点标有接地符号,规定A点的电位为0V。

② 在电路中,标有接地符号的地方都是相通的。图1-8(b)所示的两个电路,虽然从形式上看不一样,但电路的实际连接是一样的,故两个电路中的灯泡都会亮。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-7 接地和接机壳符号

 

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-8 接地符号含义说明图

2.屏蔽

在电子设备中,为了防止某些元器件和电路工作时受到干扰,或者为了防止某些元器件和电路在工作时产生信号干扰其他电路的正常工作,通常对这些元器件和电路采取隔离措施,这种隔离称为屏蔽。屏蔽常用图1-9所示的符号表示。

屏蔽的具体做法是用金属材料(称为屏蔽罩)将元器件或电路封闭起来,再将屏蔽罩接地。图 1-10所示为带有屏蔽罩的元器件和导线,外界干扰信号无法穿过金属屏蔽罩干扰内部的元器件和电路。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-9 屏蔽符号

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-10 带有屏蔽罩的元器件和导线

1.1.6 欧姆定律

欧姆定律是电子技术中的一个最基本的定律,反映了电路中电阻、电流和电压之间的关系。

欧姆定律的内容是:在电路中,流过电阻的电流I的大小与电阻两端的电压U成正比,与电阻R的大小成反比,即

\(I = \frac{U}{R}\)

也可以表示为\(U = IR\)和\(R = \frac{U}{I}\)。

为了更好地理解欧姆定律,下面以图1-11所示的几种形式为例加以说明。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-11 欧姆定律的几种形式图示

在图1-11(a)中,已知电阻R=10Ω,电阻两端的电压UAB=5V,那么流过电阻的电流\(I = \frac{{{U_{AB}}}}{R} = \frac{{5V}}{{10\Omega }} = 0.5A\)。

在图1-11(b)中,已知电阻R=5Ω,流过电阻的电流I=2A,那么电阻两端的电压UAB=I·R=2A× 5Ω=10V。

在图 1-11(c)中,已知流过电阻的电流 I=2A,电阻两端的电压 UAB=12V,那么电阻的大小\(R = \frac{U}{I} = \frac{{12V}}{{2A}} = 6\Omega \)。

下面以图1-12所示的电路为例来说明欧姆定律的应用。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-12 欧姆定律的应用说明图

 

在图 1-12 所示的电路中,电源的电动势 E=12V,它与 A、D 之间的电压 UAD相等,3 个电阻R1、R2、R3串接起来,可以相当于一个电阻R,R=R1+R2+R3=2Ω+7Ω+3Ω=12Ω。知道了电阻的大小和电阻两端的电压,就可以求出流过电阻的电流I了。

\(I = \frac{U}{R} = \frac{{{U_{AD}}}}{{{R_1} + {R_2} + {R_3}}} = \frac{{12V}}{{12\Omega }} = 1A\)

求出了流过R1、R2、R3的电流I,并且它们的电阻大小已知,就可以求出R1、R2、R3两端的电压UR1(UR1实际就是A、B两点之间的电压UAB)、UR2和UR3了。

UR1=UAB=I·R1=1A×2Ω=2V

UR2=UBC=I·R2=1A×7Ω=7V

UR3=UCD=I·R3=1A×3Ω=3V

从上面可以看出 UR1+UR2+UR3=UAB+UBC+UCD=UAD=12V

在图1-12中如何求B点电压呢?首先要明白:在电路中,某点电压指的是该点与地之间的电压,所以B点电压UB实际就是电压UBD,求UB有以下两种方法。

方法一  UB=UBD=UBC+UCD=UR2+UR3=7V+3V=10V

方法二  UB=UBD=UAD−UAB=UAD−UR1=12V−2V=10V

1.1.7 电功、电功率和焦耳定律

1.电功

电流流过灯泡,灯泡会发光;电流流过电炉丝,电炉丝会发热;电流流过电动机,电动机会运转。可见电流流过一些用电设备时是会做功的,电流做的功称为电功。用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电压及流过用电设备的电流有关,而且与通电时间长短有关。电功可用下面的公式计算

\(W = UI{\rm{t}}\)

式中,W表示电功,单位为焦(J);U表示电压,单位为伏(V);I表示电流,单位为安(A);t表示时间,单位为秒(s)。

2.电功率

电流需要通过一些用电设备才能做功,为了衡量这些设备做功能力的大小,引入一个电功率的概念。电功率是指单位时间里电流通过用电设备所做的功。电功率常用 P 表示,单位为瓦(W),此外还有千瓦(kW)和毫瓦(mW),它们之间的换算关系是

\(1{\rm{k}}W = {10^3}W = {10^6}mW\)

电功率的计算公式是

\(P = UI\)

根据欧姆定律可知U=I·R,\(I = \frac{U}{R}\),所以电功率还可以用以下公式来表示

\(P = {I^2} \bullet R\)

\(P = \frac{{{U^2}}}{R}\)

举例:在图1-13所示电路中,灯泡两端的电压为220V(它与电源的电动势相等),流过灯泡的电流为 0.5A,求灯泡的电功率、电阻和灯泡在10s内所做的功。

《电子工程师入门篇》-1.1 基本概念与规律

图1-13 电功率计算例图

灯泡的电功率 P=UI=220V×0.5A=110W

灯泡的电阻\(R = \frac{U}{I} = \frac{{220V}}{{0.5A}} = 440\Omega \)

灯泡在10s做的功 W=Pt=UIt=220V×0.5A×10s=1 100J

这里要补充一下,电功的单位是焦耳(J),但在电学中还常用另一个单位——千瓦时(kW· h)来表示,千瓦时也称度。1kW·h=1度,千瓦时与焦耳的关系是

\(1kW \bullet h = 1 \times {10^3}W \times \left( {60 \times 60} \right)s = 3.6 \times {10^6}W \bullet {\rm{s}} = 3.6 \times {10^6}J\)

1kW·h可以这样理解:一个电功率为100W的灯泡连续使用10h消耗的电功为1kW·h,即消耗1度电。

3.焦耳定律

电流流过导体时导体会发热,这种现象称为电流的热效应。电热锅、电饭煲和电热水器等都是利用电流的热效应来工作的。

英国物理学家焦耳通过实验发现:电流流过导体,导体发出的热量与导体流过的电流、导体的电阻和通电的时间有关。这个关系用公式表示就是

\(Q = {I^2}Rt\)

式中,Q 表示热量,单位为焦耳(J);R 表示电阻,单位为欧姆(Ω);t 表示时间,单位为秒(s)。

该定律说明:电流流过导体产生的热量,与电流的平方、导体的电阻及通电时间成正比。

由于这个定律除了由焦耳发现外,俄国科学家楞次也通过实验独立发现,故该定律又称焦耳-楞次定律。

举例:某台电动机的额定电压是220V,线圈的电阻为0.4Ω,当电动机接220V的电压时,流过的电流是3A,求电动机的电功率和线圈每秒钟发出的热量。

电动机的电功率 P=U·I=220V×3A=660W

电动机线圈每秒钟发出的热量 Q=I2Rt=32A×0.4Ω×1s=3.6J

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: