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基本電路中的電流

時間:2020-02-24 10:04來源:海獵人

 

1.3 基本電路中的電流

閉合電路中,電子能夠在閉合環路中從高電勢向低電勢運動,因此形成了電流。換言之,電流的形成需要一個對電子有推力的電子源和電子的返回點。

電流(一種物理現象)有四種基本特征量:電壓、電流、電阻和功率。我們將使用圖1-4中的簡單電路作為接下來討論的基準。注意,電路是以圖片和電路圖形式同時繪出的。若想了解更多的電路圖符號,請參考附錄B。

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 1-4 簡單直流電路

關于電流 這一術語,有以下幾點需要說明。這個詞在電子學中有不止一個含義,一開始可能會令人困惑。在一種意義上,電流是指穿過某種導體的電子流,它指的是電子所帶電荷的運動。在另一種意義上,電流指的是穿過導體的電子數,它說明了在某個時間點經過電路某點的電子數量。換句話說,對電流的測量就是對運動的電子數量的測定。

對電流的一種理解方式就是記住電流必須在運動狀態下測量。所以當你看見電流 這個詞時,它通常指的是運動狀態。更明確地說,電流 通常指的是電荷的移動。而靜電荷,甚至是普通電池兩極的靜電荷都沒有電流,也沒有可測量的電流。

如圖1-4所示,只沿一個方向流動的電流稱為直流 (DC)。普通電池產生直流電,標準的計算機系統的直流供電也是如此。不斷改變方向的電流稱為交流 (AC)。交流電存在于家用壁式插座中(例如美國),它也是使音響系統中揚聲器工作的電流。電流變換方向的速率稱為頻率 ,以每秒周數計量,單位為赫茲(縮寫Hz)。因此,一個60 Hz的信號是由每秒鐘改變方向60次的電流組成的。當交流電用于驅動揚聲器時,對于一個頻率為440 Hz的信號,我們聽起來就是高于中CA音。

按照慣例,直流電從正極流向大地(負極),而事實上,電子從電源負極流向電源正極。在圖1-4中,箭頭指示出了電子流。這一矛盾從根本上源于本杰明·富蘭克林的錯誤假定,他認為電子帶正電荷,從電源正極流向電源負極。他的猜想是錯誤的,但是當物理學家弄清楚真實情況的時候,我們已經形成了根深蒂固的慣例,因而就有了傳統電流和電子電流。雖然你應該知道了這一矛盾的存在,但從此處開始,我們還是要使用傳統電流,因為大多數電子工業都沿用這一慣例。

伏特 (V)是測量電勢差、電勢和電動勢的單位。當使用電壓 這個術語時,通常指的是電路兩點之間的電勢差。換言之,我們說靜電荷帶有一定的伏特(電勢),但在電路兩點之間有一定的電壓(電勢差)。

電壓可以被形象地理解為壓力或驅動力(盡管它實際上并不是一種機械力)。這就是由電池或發電機產生的電動勢(EMF),電動勢可以驅動電流在電路中流動。盡管電源看起來不像發電機,它(例如插進壁式插座給手機充電的電源)也不過是某個電廠的發電機輸出整流器而已。

電壓也可以理解為電場中兩點間的電勢差。它類似于分別位于梯子頂端和高塔頂端的炮彈之間的勢能之差。兩枚炮彈都位于地球的重力場之中,都具有勢能,而使它們達到各自的位置也需要做功。當炮彈釋放時,塔頂的炮彈落到地面時比梯子頂端的炮彈落到地面時能量更大,因為它的高度更高,具有的勢能也更大。

對電壓的這兩種描述實際上是一枚硬幣正反兩面的關系。為了在兩點間建立電勢差,必須做功。做功產生的能量消耗完之后,電勢就會降低。當炮彈墜到地面上時,為了抬升它而克服重力所消耗的能量都轉化為在地面上砸出一個深坑所需要的動能。

這里我們記憶的重點是高電壓比低電壓有更多的可用電能(壓力)。這就是為什么你用一截導線短接一塊普通的9 V電池,卻只能看見微弱的火花,而1000萬伏(或更高)的閃電卻能在一瞬間照亮云層到地面之間遙遠的距離。閃電的電壓更高,因此與地面的電勢差也更高,它就能夠克服途中空氣的絕緣效應。

盡管電壓可以被理解為電的壓力,但電流是對某一時間點通過電路的電子總量的測量。記住,電流 有兩個含義:電子的運動(電子流)和電子的流量。在電子學中,電流 這個詞通常指的是在一瞬間流過導體中某一特定點的電子數量。此時電流的含義是物理學上的數量,用安培(A)這一單位測量。

既然已經了解了電壓和電流,那我們就可以檢測一下在某些特定電壓下,電荷在運動(有電流)時發生的事情。無論傳統導體的性能多么優良,它也不可能在對電流不造成任何阻礙的情況下使電子通過(超導體可以,但此處不討論這個問題)。電阻是對電路中的電流受到阻礙大小的衡量,單位是歐姆(Ω),以德國物理學家格奧爾格·西蒙·歐姆的名字命名。之后的1.6節對于電阻的物理特性有更詳細的闡述,F在我們來看看電阻是如何對電流產生影響的。

你可能會把電阻想象成類似機械摩擦的東西(但是這個類比并不完美)。當電流流過電阻,一部分電勢差就轉化為熱量,在電阻兩端會產生壓降。所產生的熱量與流過電阻的電流和壓降的大小成函數關系。我們將在1.5節詳細討論這個問題。

你也可以認為電阻是對原子的價電子層電子所表現出的黏性的量度。易于釋放或接收電子的原子具有較低的電阻,而緊抓住電子不放的原子則會有較高的電阻(當然,一般情況下,不釋放電子的物質是良好的絕緣體)。

例如,碳可以導電,但導電性不如銅。碳被廣泛應用于制造電路中的電阻元件。

8章介紹了電阻等無源元件。

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