物理·电流和电路(第十五章)

串联是连接电路元件的基本方式之一。将电路元件 ( 如电阻、电容、电感 , 用电器等 ) 逐个顺次首尾相连 接，将各用电器串联起来组成的电路叫串联电路。

电流和电路(第十五章)

• 重要定律
  • 欧姆定律：在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，基本公式是I=U/R（电流=电压/电阻） 诺顿定理：任何由电压源与电阻构成的两端网络, 总可以等效为一个理想电流源与一个电阻的并联网络。 戴维宁定理：任何由电压源与电阻构成的两端网络, 总可以等效为一个理想电压源与一个电阻的串联网络。 分析包含非线性器件的电路，则需要一些更复杂的定律。实际电路设计中，电路分析更多的通过计算机分析模拟来完成。 它是线性元件的一个重要定理。在线性电阻中，某处电压或电流都是电路中各个独立电源单独作用时，在该处分别产生的电压或电流的叠加。 对于一个具有n个结点和b条支路的电路，假设各条支路电流和支路电压取关联参考方向，并令（i1,i2,···,ib）、（u1,u2,···,ub）分别为b条支路的电流和电压，则对于任何时间t，有i1*u1+i2*u2+···+ib*ub=0。 在对偶电路中，某些元素之间的关系（或方程）可以通过对偶元素的互换而相互转换。对偶的内容包括：电路的拓扑结构、电路变量、电路元件、一些电路的公式（或方程）甚至定理。 所有的电路在工作时，每一个元件或线路都会有能量的工作运用，即电能运用，而所有电路里的电能工作运用即称为电路功率。 电路或电路元件的功率定义为：【功率=电压*电流（P=I*V）】。 自然界里能量不会消灭，固有一定律【能量守恒定律】。 电路总功率=电路功率+各电路元件功率。例如：【电源（I*V）=电路（I*V）+ 各元件（I*V）】 在电路中的能量有时会变为热能或辐射能…等其他能量到空气中，这就是电路或电路元件会发热的原因，不会全部形成电能于电路中，有【总能量=电能+热能+辐射能+其他能量】
• 电流
  • 定义
    • 单位：电流的强弱用电流强度来描述，电流强度是单位时间内通过导体某一横截面的电荷量，简称电流，用I表示。电流强度是标量，习惯上常将正电荷的运动方向规定为电流的方向。在导体中，电流的方向总是沿着电场方向从高电势处指向低电势处。在国际单位制中，电流强度的单位是安培（A），它是SI制中的七个基本单位之一。
      • 一些常见的电流：电子手表1.5μA~2μA，白炽灯泡200mA，手机100mA，空调5A~10A，高压电200A，闪电20000A~200000A
      • 定义公式：在一段时间Δt内，通过导体横截面的电荷量ΔQ，单位是库仑；Δt为电荷通过导体的时间，单位是秒
    • 方向：物理上规定电流的方向，是正电荷定向运动的方向（即正电荷定向运动的速度的正方向或负电荷定向运动的速度的反方向）。电流运动方向与电子运动方向相反。电荷指的是自由电荷，在金属导体中的自由电荷是自由电子，在酸、碱、盐的水溶液中是正离子和负离子。 在电源外部电流由正极流向负极，在电源内部由负极流回正极。
    • 电流密度：电流密度是一种度量，以矢量的形式定义，其方向是电流的方向，其大小是单位截面面积的电流。采用国际单位制，电流密度的单位是“安培/米2”。(其中Dk是电流密度，单位为A/m2，I是电流强度，单位为A，S是负极（或正极）的总面积，m2)
    • 通过导体横截面的电荷量Q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流，也叫电流强度。即I=Q/t。如果在1s内通过导体横截面的电荷量是1C，导体中的电流就是1A。决定电流大小的微观量：在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取两个截面B和C，设导体的横截面积为S，导体每单位体积内的自由电荷数为n，每个电荷的电荷量为e，电荷的定向移动速率为v，则在时间t内处于相距为vt的两截面B、C间的所有自由电荷将通过截面C。由（I=ΔQ/Δt），可得I=nesv。
      • n：表示单位体积内的自由电荷数； e：自由电荷的电量； s：为导体横截面积； v：为自由电荷定向移动的速率。
      • 在中，如果正负离子同时移动形成电流，那么Q为两种电荷的电量和。电流的方向与正电荷在电路中移动的方向相同。在日常的电路中，其实并不是正电荷移动，而是负电荷的移动。金属中的自由电子带负电，在电路中移动的方向为电流的反向。电流与电压、电阻间的关系为：（部分电路欧姆定律）。
    • 串联电路： 假设n个用电器串联，则 电流：I总=I1=I2…=In（串联电路中，电路各部分的电流相等）； 电压：U总=U1+U2…+Un（总电压等于各部分电压之和）； 电阻：R总=R1+R2…+Rn（总电阻等于各部分电阻之和）。
    • 并联电路： 假设n个用电器并联，则 电流：I总=I1+I2…+In（并联电路中，干路电流等于各支路电流之和）； 电压：U总=U1=U2…=Un（各支路两端电压相等并等于电源电压）； 电阻：（总电阻倒数等于各部分电阻倒数之和）。当2个用电器并联时，有以下推导公式：
    • 电阻公式推导方法
      • （1）串联 由U总=U1+U2…+Un，得到I总R总=I1R1+I2R2…+InRn。因为串联电路各部分电流相等，即I总=I1=I2…=In，所以得到：R总=R1+R2…+Rn（例如：一个3Ω的电阻和一个6Ω的电阻串联，其串联的总电阻为9Ω）。
      • （2）并联 由I总=I1+I2…+In，得到U总/R总=U1/R1+U2/R2…+Un/Rn。因为并联电路各部分电压等于总电压，即U总=U1=U2…=Un，所以得到：（例如：一个3Ω的电阻和一个6Ω的电阻并联，其并联的总电阻为2Ω）。
      • 对于只有两个电阻并联的部分来说，可以继续推导出以下公式：由，可知 由上面的公式还可以得到一个结论：串联的总电阻大于其任意一分电阻，并联的总电阻小于其任意一分电阻。
  • 三大效应
    • 热效应：导体通电时会发热，把这种现象叫做电流热效应。例如：比较熟悉的焦耳定律，是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。
    • 磁效应：电流的磁效应：奥斯特发现，任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。
    • 化学效应：电的化学效应主要是电流中的带电粒子（电子或离子）参与而使得物质发生了化学变化。化学中的电解水或电镀等都是电流的化学效应。
  • 分类
    • 直流电：方向不随时间发生改变。生活中使用的可移动外置式电源提供的的是直流电。直流电一般被广泛使用于手电筒（干电池）、手机（锂电池）等各类生活小电器等。干电池（1.5V）、锂电池、蓄电池等被称之为直流电源。因为这些电源电压都不会超过24V，所以属于安全电源。
    • 交流电：大小和方向都发生周期性变化。生活中插墙式电器使用的是民用交流电源。交流电在家庭生活、工业生产中有着广泛的使用，生活民用电压220V、通用工业电压380V，都属于危险电压。
• 电路
  • 基本概念
    • 电流流过的回路叫做电路，又称导电回路。
    • 根据一定的任务,把所需的器件,用导线相连即组成电路。电路是电力系统、控制系统、通信系统、计算机硬件等电系统的主要组成部分,起着电能和电信号的产生、传输、转换、控制、处理和储存等作用。
    • 最简单的电路，是由电源，用电器（负载），导线，开关等元器件组成。电路导通时叫做通路，断开时叫开路。只有通路，电路中才有电流通过。电路某一处断开叫做断路或者开路。如果电路中电源正负极间没有负载而是直接接通叫做短路，这种情况是决不允许的。另有一种短路是指某个元件的两端直接接通，此时电流从直接接通处流经而不会经过该元件，这种情况叫做该元件短路。开路（或断路）是允许的，而第一种短路决不允许，因为电源的短路会导致电源烧坏，用电器短路会导致用电器、电表等无法正常工作现象的发生。
  • 数字电路
    • 数字电路亦称为逻辑电路
    • 定义：将连续性的电讯号，转换为不连续性定量的电信号，并运算不连续性定量电信号的电路，称为数字电路。
    • 数字电路中，信号大小为不连续并定量化的电压状态。 多数采用布尔代数逻辑电路对定量后信号进行处理。典型数字电路有，振荡器、寄存器、加法器、减法器等。运算不连续性定量电信号。
  • 模拟电路
    • 将连续性物理自然变量转换为连续的电信号，并通过运算连续性电信号的电路即称为模拟电路。模拟电路对电信号的连续性电压、电流进行处理。
    • 最典型的模拟电路应用包括：放大电路、振荡电路、线性运算电路（加法、减法、乘法、除法、微分和积分电路）。运算连续性电信号。
  • 集成电路
    • ·集成电路亦称为IC (Integrated Circuit)。
    • 运用集成电路设计程式（IC设计），将一般电路设计到半导体材料里的半导体电路（一般为硅片），称为积体电路。·利用半导体技术制造出集成电路（IC）。
  • 串联电路
    • 串联是连接电路元件的基本方式之一。将电路元件(如电阻、电容、电感,用电器等)逐个顺次首尾相连接，将各用电器串联起来组成的电路叫串联电路。
    • 开关在任何位置控制整个电路，即其作用与所在的位置无关。电流只有一条通路，经过一盏灯的电流一定经过另一盏灯。如果熄灭一盏灯，另一盏灯一定熄灭。
    • 优点：在一个电路中， 若想通过一个开关控制所有电器， 即可使用串联的电路
    • 缺点：只要有某一处断开，整个电路就成为断路。 即所相串联的电子元件不能正常工作
    • 串联电路中总电阻等于各电子元件的电阻和，各处电流相等，总电压等于各处电压之和
    • 1. 电流处处相等： I总=I1 =I2 =I3 =……=In 2. 总电压等于各处电压之和：U总=U1+U2+U3+……+Un 3. 等效电阻等于各电阻之和：R总=R1+R2+R3+……+Rn (增加用电器相当于增加长度,增大电阻) 4. 总功率等于各功率之和：P总=P1+P2+P3+……+Pn 5. 总电功等于各电功之和：W总=W1+W2+……+Wn 6. 总电热等于各电热之和：Q总=Q1+Q2+……+Qn 7. 等效电容量的倒数等于各个电容器的电容量的倒数之和：1/C总=1/C1+1/C2+1/C3+……+1/Cn 8. 电压分配、电功、电功率和电热率跟电阻成正比：(t相同) U1/U2=R1/R2，W1/W2=R1/R2，P1/P2=R1/R2，Q1/Q2=R1/R2。或写成　U1/U2=W1/W2=P1/P2=Q1/Q2=R1/R2 9.在一个电路中，若想控制所有电器， 即可使用串联电路。
  • 并联电路
    • 并联电路是使在构成并联的电路元件间电流有一条以上的相互独立通路，为电路组成二种基本的方式之一。例如，一个包含两个电灯泡和一个9 V电池的简单电路。若两个电灯泡分别由两组导线分开地连接到电池，则两灯泡为并联。
    • 特点：用电器之间互不影响。一条支路上的用电器损坏，其他支路不受影响
    • 1.各支路两端的电压都相等，并且等于电源两端电压： U总=U1=U2 =U3=……=Un； 2.干路电流（或说总电流）等于各支路电流之和： I总=I1 +I2 +I3 +……+In； 3.总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数和： 1/R总=1/R1+1/R2+1/R3+……+1/Rn或写为：R=1/(1/(R1+R2+R3+……+Rn))； (增加用电器相当于增加横截面积,减少电阻) 4.总功率等于各功率之和：P总=P1+P2+P3+……+Pn； 5. 总电功等于各电功之和：W总=W1+W2+……+Wn 6. 总电热等于各电热之和：Q总=Q1+Q2+……+Qn 7.等效电容量等于各个电容器的电容量之和:C总=C1+C2+C3+……+Cn 8. 在一个电路中， 若想单独控制一个电器， 即可使用并联电路。
  • 类型及概念
    • ·电源电路：产生各种电子电路的所需求电源。 ·电子电路：亦称电气回路。 ·基频电路，基频，低频率，使用基频元件。 ·高频电路，高频，高频率，使用高频元件。 ·被动元件：如电阻、电容、电感、二极体…等，有分基频被动元件、高频被动元件。 ·主动元件：如电晶体、微处理器…等有分基频主动元件、高频主动元件。 微处理器电路：亦称微控制器电路，形成计算机、游戏机、(播放器影、音)、各式各样家电、滑鼠、键盘、触控…等。 电脑电路：为微处理器电路进阶电路，形成桌上型电脑、笔记型电脑、掌上型电脑、工业电脑…各样电脑等。 通讯电路：形成电话、手机、有线网路、有线传送、无线网路、无线传送、光通讯、红外线、光纤、微波通讯、卫星通讯等。 显示器电路：形成萤幕、电视、仪表等各类显示器。 光电电路：如太阳能电路。 电机电路：常运用於大电源设备、如电力设备、运输设备、医疗设备、工业设备…等
  • 组成
    • 电路由电源、开关、连接导线和用电器四大部分组成。实际应用的电路都比较复杂，因此，为了便于分析电路的实质，通常用符号表示组成电路实际原件及其连接线，即画成所谓电路图。其中导线和辅助设备合称为中间环节。 电源是提供电能的设备。电源的功能是把非电能转变成电能。例如，电池是把化学能转变成电能；发电机是把机械能转变成电能。由于非电能的种类很多，转变成电能的方式也很多。电源分为电压源与电流源两种，只允许同等大小的电压源并联，同样也只允许同等大小的电流源串联，电压源不能短路，电流源不能断路。 在电路中使用电能的各种设备统称为负载。负载的功能是把电能转变为其他形式能。例如，电炉把电能转变为热能；电动机把电能转变为机械能，等等。通常使用的照明器具、家用电器、机床等都可称为负载。 连接导线用来把电源、负载和其他辅助设备连接成一个闭合回路，起着传输电能的作用。
  • 提高抗干扰
    • 一、减小来自电源的噪声
    • 二、减小信号传输中的畸变