02-電子電路的基本概念(2016版)

1、廣東職業(yè)技術學院第2課電子電路的基本概念授課教師：歐浩源研究方向：嵌入式應用、物聯(lián)網(wǎng)應用電子郵件：答疑地點：廣東職業(yè)技術學院高明校區(qū)實訓樓3-4011廣東職業(yè)技術學院電是什么？n 電燈、電視、電話、電腦、電池、電機、電冰箱、電磁爐、電動車、各種電子儀器設備.假如這個世界沒有電？n 電，是一種自然現(xiàn)象，是個一般術語，是一種能量。n 在電概念出現(xiàn)之前，現(xiàn)象一直存在，直到18世紀時，西方開始探索電的種種現(xiàn)象，尋找自然規(guī)律。n 1800年意大利人伏特用銅片和鋅片浸于食鹽水中，并接上導線，制成了第一個電池。1820年安培發(fā)現(xiàn)電流之間的互作用定律

2、。1831年英國人法拉第，發(fā)現(xiàn)電磁感應定律，制出了世界上最早的第一臺發(fā)電機。1866年德國人西門子制成世界上第一臺工業(yè)用發(fā)電機。1865年蘇格蘭人麥克斯韋提出電磁場理論。1887年德國人赫茲展示出這樣的電磁波.n 被遺忘的電氣之王：尼古拉.特斯拉。2廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電荷n 帶電是物質(zhì)的一種固有屬性。n 帶正負電的基本粒子叫電荷。物體或構成物體的質(zhì)點所帶的電量，即電荷的多少，叫電荷量。n 物體由于摩擦、加熱、射線照射、化學變化等原因，失去部分電子時物體帶正電，獲得部分電子時物體帶負電帶有多余正電荷或負電荷的物體叫做帶電體。n 自然界只有兩種電荷：用綢緞摩擦過的玻璃棒所帶的

3、電荷：正電荷用皮毛摩擦過的硬膠棒所帶的電荷：負電荷兩類電荷不可能單獨產(chǎn)生，只能成對產(chǎn)生。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。3廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電荷與物體帶電n 電荷亦稱電，有實物的屬性，存在于原子中，不能離開電子和質(zhì)子而存在。n 1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)，所有的物質(zhì)都包含質(zhì)量很小且?guī)ж撾姾傻牧Ｗ?，該粒子被稱為電子。在19091911年間，其學生盧瑟福發(fā)現(xiàn)，原子中有一個質(zhì)量很大的帶正電的原子核。n 如果原子核所帶的正電荷等于周圍電子所帶的負電荷，該原子呈中性。借助外部能量，外層電子可以從原子中脫離。失去電子的原子帶正電。從原子脫離的電子可以保持獨立狀態(tài)，或者附著在另外的原子

4、上，成為帶負電的粒子。n 起電的本質(zhì)，都是將正負電荷分開，使電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，物體帶電的實質(zhì)是獲得或失去電子的過程，并不是創(chuàng)造電荷。帶電的方式：摩擦起電、感應起電、接觸起電。4廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電荷的分離與守恒n 如果兩個電中性的物體相互摩擦，那么每個物體都帶電。n 例如：當硬膠棒和毛皮摩擦時，毛皮原子中的電子便轉(zhuǎn)移到了硬膠棒上。硬膠棒上多余的電子使它帶負電；而失去電子的毛皮則帶正電。但是，這兩個物體的總電荷保持不變，也就是電荷守恒。n 電荷既不能被創(chuàng)生，也不能被消滅，所有實際能夠發(fā)生的只是通過電子的轉(zhuǎn)移而使正負電荷分離而已。摩擦起電不是創(chuàng)造了電，而是核外電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移。n

5、電荷守恒：電荷既不能創(chuàng)造,也不能消滅，它只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，在轉(zhuǎn)移的過程中，系統(tǒng)的電荷總數(shù)保持不變。5廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院靜電與靜電力應用n 帶電體所帶的電荷不易流動，而是處于靜止狀態(tài)，稱為靜電。靜電荷之間存在作用力，稱為靜電力。n 把電荷移近不帶電的導體，可以使導體帶電的現(xiàn)象，叫做靜電感應，或感應起電。n 靜電感應，沒有創(chuàng)造和消滅電荷，而是使物體中的正負電荷分開，將電荷從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分。n 靜電知識在實際生產(chǎn)和生活中有很多應用。例如：利用靜電技術收集從煙囪排出的煤煙灰，可以減少空氣污染；通過靜電感應使油漆微粒帶電，這

6、樣油漆就能被均勻地噴涂在汽車或者其他物體上；復印機利用靜電將墨粉印到紙上但是，靜電也有許多危害，會引起灰塵吸附，會損壞電子設備6廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院靜電感應的本質(zhì)n 把帶正電荷的C球移近彼此接觸的導體A和B，可以看到AB上的金屬箔片張開，這表明AB都帶上了電荷。n 如果先把C移走，A和B上的箔片就會閉合。n 如果先把A和B分開，再移走C，可以看到，A和B上面的金屬箔片仍張開。這時候，讓A和B接觸，它們的金屬箔片都閉合。n 這證明A和B分開后所帶的是異種等量的電荷，重新接觸后，等量異種電荷發(fā)生中和。n 導體中的自由電荷受到電場力的作用而定向移動使導體兩端分別出現(xiàn)等量異種電荷，

7、是產(chǎn)生靜電感應的原因。7廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院庫侖定律（電荷之間有作用力并可以量化）n 法國物理學家?guī)靵觯?736-1806），用精確的實驗研究靜止電荷之間的相互作用力，在1785年發(fā)現(xiàn)了庫侖定律。n 庫侖定律：在真空中，兩個電荷間的作用力跟它們的電量的乘積成正比，跟他們之間的距離的平方成反比，作用力的方向在它們的連線上。n 定律成立條件：真空、靜止、點電荷。n 真正的點電荷是不存在的，是一種理想化的模型。8廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電場n 法拉第認為：（首先認識一下什么是場）如果一個帶電物體A能對位于空間中任一點處的另一個帶電物體B產(chǎn)生作用，那么帶電物體A必然

8、以某種方式使空間的特性發(fā)生改變，而物體B則感受到了空間的這種改變，并因此受到了反映它所在空間的這種特性的作用力。n 什么是場？9廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院什么是場？n 場是一種特殊物質(zhì)，看不見摸不著，但它確實存在。n 自然科學已經(jīng)十分明確的揭示，同一物質(zhì)表現(xiàn)為兩種最基本的現(xiàn)象狀態(tài)，一種是實物、粒子形態(tài)；一種是場、波的形態(tài)。人們首先發(fā)現(xiàn)了光的波粒二象性，繼而又提出物質(zhì)波的思想，認為一切物質(zhì)粒子，如電子、質(zhì)子、中子等都有實物和波兩種想象形態(tài)。在量子場論來看，場是一種基本的、普遍的物質(zhì)，是相應的時空連續(xù)體；粒子只不過是場的局部凝聚。物質(zhì)此起彼伏、時散時聚之表現(xiàn)為場，聚之起之表現(xiàn)為粒子。

9、n 現(xiàn)代科學認為，場就是能量的海洋。因而場與實物的矛盾運動，也就是能量與質(zhì)量之間的矛盾運動（質(zhì)能方程）。能量和質(zhì)量只不過是物質(zhì)的不同表現(xiàn)形式而已。時空，場，能量，質(zhì)量都處在統(tǒng)一而又交錯的矛盾的運動網(wǎng)絡中。10廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電場n 法拉第認為：（首先認識一下什么是場）如果一個帶電物體A能對位于空間中任一點處的另一個帶電物體B產(chǎn)生作用，那么帶電物體A必然以某種方式使空間的特性發(fā)生改變，而物體B則感受到了空間的這種改變，并因此受到了反映它所在空間的這種特性的作用力。n 電場：電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質(zhì)。n 電場與通常的實物不同，它不是由分子原子所組成，但它是

10、客觀存在的，具有通常物質(zhì)所具有的力和能量等客觀屬性。n 電場的力的性質(zhì)表現(xiàn)為：電場對放入其中的電荷有作用力，這種力稱為電場力。電場的能的性質(zhì)表現(xiàn)為：當電荷在電場中移動時，電場力對電荷做功（這說明電場具有能量）。n 只要有電荷存在，在電荷周圍就存在著電場。11廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電場力與電場強度n 把一個電荷放進電場中，它就受到力的作用，這個力叫做電場力。當電荷在電場中移動時，電場力就會對電荷做功。n 電場所施加的力能夠做功，從而將能量從電場轉(zhuǎn)移至帶電物體中。在日常生活中，無論你是將電器的插頭插進電源插座，還是將它與電池連接，你都在使用這種能量。n 電場強度：是描述電場性質(zhì)的

11、基本物理量，矢量，簡稱場強。1. 方向與正電荷在該點受到的電場力方向相同。2. 大小等于每個單位正電荷所受的力。n 任何位于電場中的電荷都會受到該處電場對它的作用力。這個力的大小取決于該處的電場強度E及電荷量q： F = Eq。這個力的方向取決于電場方向及電荷的性質(zhì)。12廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電場線與電場強度n 在電場中，每個點的電場強度E都有一定的方向，所以可以在電場中畫出一系列從正電荷出發(fā)，到負電荷終止的曲線，使曲線上每一點的切線方向都跟該點的場強一致，這些曲線就叫做電場線。n 電場是一個矢量，其方向是正電荷所受電場力的方向。電場存在于三維空間中，各條電場線永遠不會相交。

12、n 電場線并不是電場里實際存在的線，而是人們?yōu)榱耸闺妶鲂蜗蠡傧氲木€。它只是簡單地提供了一種描述電場的模型，但電場卻是真是存在的。n 電場線密，場強大。n 電場線疏，場強小。13廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電勢能n 在力學中，當一個小球被舉高時，它的重力勢能就會發(fā)生變化。為了克服重力使其升高，你必須對小球做功。這樣小球的重力勢能就增加，相當于你做的功轉(zhuǎn)移到球成了勢能。n 在電學中，對于兩個相互吸引的異種電荷，要將一個電荷從另一個附近拉開，你就需要做功。當你做功的時候，你將能量轉(zhuǎn)移給了電荷，這個能量以電勢能的形式儲存在電荷中。n 電勢，又稱為電位，是電場中某個位置的單位電荷所具有的

13、電勢能。（聯(lián)想一下重力勢能）n 電勢是從能量角度描述電場的物理量，只有大小，沒有方向。電場強度則是從力的角度上來描述電場。n 只要順著電場線的方向，總是電勢減小的方向，逆著電場線總是電勢增大方向。14廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電勢差n 水位有高低，高處的水就會往低處流。同樣，電勢也有高低，電勢高的電流會流向電勢低的地方，這兩個電勢之差，也就是電勢差，也叫做電位差。n 電勢差，定義為在電場中，兩點間移動一個正試探電荷時所做的功與該試探電荷的電荷量之比。1.與試探電荷的電荷量無關，它僅取決于電場強度和位移。2.與電荷的具體運動路徑無關，僅取決于始末兩點的位置。3.相同電勢點之間的電勢

14、差為零，等勢。兩點之間的電勢差為0時，電荷的移動就停止了。4.勢能是相對的，其大小與參考面有關，而勢能差是絕對的。電勢差可以用電壓表測量，有時，它也可以簡稱為電壓。15廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電壓n 電壓，也稱作電勢差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能力差的物理量。電壓一般只用于電路當中，電勢差和電位差則普遍應用于一切電現(xiàn)象當中。n 從電場力做功來看，電壓，是將單位正電荷從電路一點移到另一點，電場力做功的大小。大?。簡挝徽姾墒茈妶隽ψ饔脧腁點到B點所做的功。方向：從高電位指向低電位（順著電場線方向）n 從另外一個角度看，電壓，就是導體中形成電流的壓力。（

15、水壓高，水流速度就大，單位時間內(nèi)流出龍頭的水就多）n 電壓是推動電荷定向移動形成電流的原因。電流之所以能夠在導線中流動，是因為電路中有著高電勢和低電勢的差別。16廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電動勢（電源）注意理解：n 對于電源內(nèi)部來說，電位差，也就是電動勢。n 對于外部電路來說，電位差，就是電壓。n 電源，是一種能把其他形式能量轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置。它能夠克服靜電力做功，迫使正電荷從低電勢處經(jīng)電源內(nèi)部移向高電位處。n 在數(shù)值上，等于非靜電力將單位正電荷從電源負極通過電源內(nèi)部移送到電源正極時所做的功。n 在電源（電荷泵）的作用下，電荷在閉合的電路中往復循環(huán)流動，從而形成穩(wěn)定的電流。電路

16、工作的兩個條件：電源作用，閉合電路。17廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電流n 水流是水粒子（水分子）運動所產(chǎn)生的，電流也是帶電粒子（電荷）的運動所引起的。n 電流：正電荷的定向移動，形成電流。n 電子從負極流向正極，但電流方向規(guī)定為從正極流向負極。n 電流大?。簡挝粫r間內(nèi)流過的電荷量。n 電流的產(chǎn)生（水流和抽水泵）：1.當兩個帶電導體球相互接觸時，電荷會從電勢較高的球流向電勢較低的球，持續(xù)到兩球電勢相等為止。2.可以通過將電荷從A“泵回”B的辦法維持B和A之間的電勢差。3.泵取電荷的過程中，電荷的電勢能會增加，所以必須要有外界能量才能做到這一點，例如電池。18廣東職業(yè)技術學院 歐浩源

17、廣東職業(yè)技術學院電流的運動過程n 容許電荷通過的閉合回路或者導通電路，稱為電路。n 電荷在一個封閉的回路中流動，從“電荷泵”將帶電粒子泵至B后開始，通過C到A，再到電荷泵，不斷循環(huán)。n 這個過程，電荷的電勢能會增加，必須要外部能量的支持。n 一條電路含有一個將電荷從A移到B以增加其電勢能的“電荷泵”，以及一個將電荷從B移至A的以減少其電勢能的用電器。電荷通過用電器損失的電勢能qU，通常會轉(zhuǎn)化為其他形式的能，例如：電燈將電能轉(zhuǎn)化為光能，電動機轉(zhuǎn)化為動能。19廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電功n 做功是能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種的形式的過程。兩個必要因素:作用在物體上的力和物體在力的方向

18、上通過的距離。n 電流做功，跟電壓、電流和通電時間成正比（單位：J）也就是說，電流在某段電路上所做的功，等于這段電路的兩端電壓、電路中電流和通電時間的乘積。 W = UItn 電流做功的過程，實際就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程。n 電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。例如：電流通過電燈發(fā)光，電能轉(zhuǎn)化為光能。電流通過電爐發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為熱能。電流通過風扇轉(zhuǎn)動，電能轉(zhuǎn)化為動能。20廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院電功率n 為了表示電流做功的快慢，我們引入了電功率的概念。n 以W為單位的電功率度量了電能傳輸?shù)乃俾?。也就是說，電功率描述的是能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另外一種形式的速度。n 公式：P = UI =I2R =U2/R如果一臺發(fā)電機每秒內(nèi)將1J的動能轉(zhuǎn)化為電能，那么它轉(zhuǎn)化能量的速度便是1J/S，也就是1W。n 高壓輸電電能的傳輸中，熱能產(chǎn)生的快慢由P= I2R決定。在遠距離的電能傳輸中，在不減小功率的前提下，可以通過提高電壓的辦法來使電流減?。ㄒ驗镻=UI）21廣東職業(yè)技術學院 歐浩源廣東職業(yè)技術學院能量轉(zhuǎn)化的例子n 電荷是一個守恒量，能量也是