电气工程基础精解【1】

电路基础

基本概念

电荷 (Charge)

定义：
电荷是物质的一种内在属性，表现为物体对电场的响应和产生电场的能力。它分为正电荷和负电荷，同种电荷相斥，异种电荷相吸。

公式：
电荷量 $Q$ 通常以库仑 © 为单位衡量，没有特定的计算公式，但可以通过电荷守恒定律来推断。

性质：

• 电荷是量子化的，即电荷是元电荷（电子或质子的电荷量）的整数倍。
• 电荷守恒：在一个封闭系统中，电荷总量保持不变。

计算：
电荷的计算通常基于电荷守恒原理，在已知部分电荷和系统变化的情况下，可以推算出其他部分的电荷。

例子：
静电现象，如摩擦起电、接触起电和感应起电。

例题：
一个带电量为 $+6Q$ 的物体与一个带电量为 $-2Q$ 的物体接触后分开，它们各带多少电荷？
解答：接触后电荷平分，所以每个物体带电量为 $\frac{+6Q+(-2Q)}{2}=+2Q$。

电流 (Current)

定义：
电流是电荷在导体中的定向移动，它是描述电荷流动快慢的物理量。

公式：
$I=\frac{Q}{t}$ 或 $I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}$，其中 $I$ 是电流，$Q$ 是电荷量，$t$ 是时间。单位是安培 (A)。

性质：

• 电流的方向规定为正电荷移动的方向，与负电荷（如电子）实际移动方向相反。
• 电流是矢量，但在电路分析中通常只考虑其大小。

计算：
通过测量单位时间内通过导体横截面的电荷量来计算电流。

例子：
家庭电路中的电流，电池供电的电路。

例题：
在 5 秒内，通过某导体的电荷量为 10 库仑，求该导体的电流。
解答：$I=\frac{10}{5}=2A$。

电压 (Voltage)

定义：
电压是电场中两点间电势的差值，它表示电场力推动电荷做功的能力。

公式：
$V=\frac{W}{Q}$ 或 $V=\frac{\Delta W}{\Delta Q}$，其中 $V$ 是电压，$W$ 是电场力做的功，$Q$ 是电荷量。单位是伏特 (V)。

性质：

• 电压的方向从高电势点指向低电势点。
• 电压是产生电流的原因，但电流的存在不一定需要电压（如超导体中的电流）。

计算：
通过测量电场力对单位电荷做的功来计算电压。

例子：
电池提供的电压，电路中的电压降。

例题：
一个电源对 5 库仑的电荷做了 15 焦耳的功，求该电源的电压。
解答：$V=\frac{15}{5}=3V$。

电器元件 (Electrical Components)

定义：
电器元件是构成电路的基本单元，用于控制、转换或传输电能。

性质：

• 各自具有特定的电压-电流关系（如欧姆定律对电阻）。
• 可以是线性的（如电阻、电容）或非线性的（如二极管、晶体管）。

例子：
电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管、变压器等。

计算与公式：
每种电器元件都有其特定的计算公式和性质，如电阻的欧姆定律 $V=IR$，电容的充放电公式 $Q=CV$（其中 $C$ 是电容），电感的电压-电流关系 $V=L\frac{dI}{dt}$（其中 $L$ 是电感）。

功率 (Power)

定义：
功率是单位时间内做的功，它表示做功的快慢或能量转换的速率。

公式：
$P=\frac{W}{t}$ 或 $P=IV$，其中 $P$ 是功率，$W$ 是功，$t$ 是时间，$I$ 是电流，$V$ 是电压。单位是瓦特 (W)。

性质：

• 功率是标量，但有正负之分，表示能量转换的方向（输入或输出）。
• 平均功率和瞬时功率：平均功率是长时间内的平均效果，瞬时功率是某一时刻的功率。

计算：
通过测量单位时间内转换或消耗的能量来计算功率。

例子：
电动机的功率，灯泡的功率消耗。

例题：
一个电路中的电流为 2A，电压为 5V，求该电路的功率。
解答：$P=2\times 5=10W$。

能量 (Energy)

定义：
能量是物体做功的能力或状态变化的度量，它可以以多种形式存在和转换（如电能、热能、机械能）。

公式：
$W=Pt$ 或 $W=\int P(t)dt$（对于变化的功率），其中 $W$ 是能量，$P$ 是功率，$t$ 是时间。单位是焦耳 (J)。

性质：

• 能量是标量，但可以有不同的形式（如动能、势能、电能等）。
• 能量守恒定律：在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。

计算：
通过测量功率和作用时间来计算能量。

例子：
电池储存的电能，灯泡消耗的电能转化为光能和热能。

例题：
一个 10W 的灯泡工作 1 小时，消耗了多少能量？
解答：$W=10\times 1\times 3600=36000J=36kJ$（或写成 $10Wh$，即 10 瓦时）。

电路和元件

一、电路和元件的概念

1. 电路：电路是由电子元件和导线连接而成的电气网络。电子元件通过导线连接，形成电流的通路，实现各种电气功能。电路是电流流通的路径，是人们将由各种电子元件或电气设备，按一定规则或要求连接起来构成的一个整体。一个完整的电路一般由电源、负载、导线、控制装置四部分组成。
2. 元件：元件是指工厂在加工过程中不改变原料分子成分的产品。在电路中，元件是具有独立电路功能和构成电路的基本单元。它是电容器、电阻、晶体管和其他电子设备的总称，是电子元件和小型机器和仪器的组成部分。

二、电路的组件和构造

电路的组件主要包括以下几部分：

1. 电源：电路中的能量来源，可以提供电流和电压，使电路正常运行。电源可以分为直流电源和交流电源两种类型。直流电源输出恒定的电流和电压，如电池；交流电源则输出周期性变化的电流和电压，如家庭用电。
2. 负载：电路中消耗电能的元件，它将电能转化为其他形式的能量。常见的负载有电灯、电机、扬声器等。负载的特性决定了电路的工作状态和性能。
3. 开关：在电路中起着控制电流通断的作用。它可以打开或关闭电路，控制电流的流向和大小。开关的种类有很多，如手动开关、自动开关、触摸开关等。
4. 导线：电路中的连接线，将各个元件连接在一起，形成完整的电路。导线一般由导电材料制成，如铜线、铝线。导线的导电性能和导线电阻则直接影响电路的传输效果。

三、电路的重要公式

电路中的重要公式主要包括欧姆定律、电池续航时间计算公式等。

1. 欧姆定律：解释了电压、电流和电阻之间的关系，即通过导体两点间的电流与这两点间的电势差成正比。该定律的数学表达式为V=IR，其中V是电压差，I是以安培为单位的电流，R是以欧姆为单位的电阻。若电压已知，则电阻越大，电流越小。
2. 电池续航时间计算公式：电池续航时间=电池容量（mAh）/负载电流（mA）。这个公式用于估算电池续航时间。电池容量通常以安培小时（Ah）或毫安小时（mAh）为计量单位。上述结果只是估算值，实际结果会受电池状态、使用年限、温度、放电速度和其它因素的影响而发生变化。

四、电路例子

以下是一个简单的电路例子及其工作原理：

• 例子：洗手间自动开关灯电路。这个电路可以在人进入洗手间时自动开灯，离开时自动关灯。
• 工作原理：电路通过一个常闭开关、一个运算放大器、一个555定时器和一个12V灯实现自动开关灯功能。当门完全推向墙壁以将其打开时，常闭开关将打开，运算放大器用作比较器，产生一个低逻辑脉冲触发555定时器，定时器输出一个高逻辑脉冲使灯发光。同样，当门关闭时，开关回到正常位置并关闭，由于运算放大器的非反相端的电压高于反相端，因此无法触发计时器，灯被关闭。

电感器和线圈

一、电感器

1. 定义：电感器（Inductor）是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。它具有一定的电感，能够阻碍电流的变化。电感器在电路中常用字母“L”表示。
2. 结构：电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组。它一般由骨架、绕组、屏蔽罩、封装材料、磁心或铁心等组成。绕组是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘骨架上形成的，导线彼此互相绝缘。
3. 工作原理：电感器的工作原理基于电磁感应现象。当电流通过电感器时，会在其周围产生磁场。如果电流发生变化，磁场也会随之变化，从而在电感器两端产生感应电动势，以阻碍电流的变化。
4. 分类：电感器按用途可分为振荡电感器、校正电感器、显像管偏转电感器、阻流电感器、滤波电感器、隔离电感器、被偿电感器等。此外，它还可以分为固定电感和可变电感。固定电感线圈简称电感或线圈。
5. 重要参数：电感器的主要参数包括电感量（L）、品质因数（Q值）、固有电容量、稳定性、通过的电流和使用频率等。其中，电感量表示电感元件自感应能力的大小，单位是亨利（H）、毫亨利（mH）或微亨利（μH）。品质因数Q是表示线圈质量的一个物理量，Q为感抗XL与其等效的电阻的比值，即Q=XL/R。它是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。

二、线圈

1. 定义：线圈通常指呈环形的导线绕组，也可以是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上形成的。在电路中，线圈常常指电感器。
2. 结构：线圈的导线彼此互相绝缘，而绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯。线圈的匝数、直径和形状等参数会影响其电感量。
3. 工作原理：线圈的工作原理与电感器相似，都是基于电磁感应现象。当电流通过线圈时，会在其周围产生磁场。如果电流发生变化，磁场也会随之变化，从而在线圈两端产生感应电动势。
4. 分类：线圈可以分为多种类型，如单层线圈、铜芯线圈、色码电感线圈、蜂房式线圈、偏转线圈等。每种类型的线圈都有其特定的应用场景和特性。
5. 重要参数：线圈的重要参数包括电感量（L）、匝数（N）、直径（D）等。电感量的计算公式为电感（微亨）=匝数平方与线圈截面积的积比线圈长度。此外，线圈的品质因数（Q值）、分布电容等参数也会影响其性能。

三、电感器与线圈的关系

电感器和线圈在电子学中有着密切的关系。实际上，很多情况下电感器就是由线圈构成的。线圈通过其特殊的绕制方式和结构，实现了电感器的功能。因此，在很多情况下，电感器和线圈可以视为同一概念的不同表述方式。

四、应用实例

电感器和线圈在电子电路中有着广泛的应用。例如，在LC滤波电路中，电感器和电容器一起工作，对交流信号进行滤波；在变压器中，电感器通过互感作用实现电压的变换；在无线通信中，电感器和线圈也扮演着重要的角色。

综上所述，电感器和线圈是电子学中的重要概念，它们在电路中起着阻碍电流变化、存储磁能等关键作用。通过了解其定义、结构、工作原理、分类以及重要参数等方面的知识，可以更好地理解和应用这些电子元件。

参考文献

1. 文心一言