电学基础知识教材

电

学

基

础

知

识

教

材

制作日期:2005年3月25日

一切物质都是由分子组成,分子则是由更小的微粒-----原子组成,而原子则是由原子核和一定数量的电子组成的,原子核内有质子与中子,它处在原子核的中央.电子在原子核外围沿着一定的轨道不停的旋转.

质子与电子都带有一定数量的电荷,质子所带电荷为正电荷(用“+”表示),电子所带电荷为负电荷(用“-”表示).

一般情况,物质不带电,它所带的正电荷与负电荷相等,两种电荷互相抵消,这种物质叫做“中和”的物质.如果在某一情况下,物质所带正电荷多于负电荷,则它呈现带正电现象,反之所带负电荷多于正电荷时则呈现带负电现象.

一个电子与质子所带电荷量通常用“库仑”表示.

有实验证明,凡是相同性质电荷(即正电荷与正电荷,负电荷与负电荷)之间互相排斥,异性电荷(即正电荷与负电荷)之间互相吸引.因此两种不同性质的电荷之间就存在一定的作用力,这个作用力呈现一定的规律,即在均匀介质中,两点电荷间的作用力与两点电荷所带电量的乘积成正比,与两点电荷之间距离的平方成反比,这一关系就是库仑定律.

如果克服质子与电子间的吸引力,从一物质中取出一些电子,则使它内部正电荷多于负电荷而带上正电,有一简单方法就是使两种不同性质的物体互相摩擦,就能或多或小地把电子从一物体移到另一物体上,使两物体产生带电现象,如用丝绸摩擦玻璃棒,就会使丝绸带负电而玻璃棒带正电.

二.电压:

地球上的物体,在自由运动时,总时从高处移向低处,我们就说这物体在高处具有位能,当一物体带电荷时,这个物体就在某种程度上的电位能,叫做电位.我们常以大地的电位为标准,就是把大地的电位作为零.所以任何带正电荷的物体都具有比大地更高的电位,而带正电荷越多电位也越高,反之,任何带负电荷的物体都具有比大地现低的电位.而且带负电荷越多电位越低.

如果甲物体带有10库仑的正电荷,其电位比大地高,另一与甲物体同样情况的乙物体带有5库仑的正电荷,它的电位也比大地的电位高,但比甲物体的电位低,我们就把甲,乙两物体之间存在的电位差别叫做“电位差”,或者称为“电压”,其单位为“伏特”,简称“伏”,符号为“V”.

电位与水位的意思很相似,凡具有较高电位的物体能够把正电荷推向较低电位的物体,正如水位高的水总向低处流一样.

三.DC电压&AC电压:

方向不随时间变化的电流为直流电,其大小不随时间变化的直流电为恒定直流电(如图a),大小随时间变化的直流电称为脉动直流电(如图b).

交流电是指大小和方向随时间作周期变化的电流.按正弦规律变化的称为正弦交流电(如图c),不按正弦变化的称为非正弦交电流(如图d).

a)恒定直流电 b)脉动直流电

c)正弦交流电 d)非正弦交电流

e)电压测量电路 f)电流测量电路

电压测量仪器为电压表,进行电压测试量时电压表必须与电路中负载(R)并联(测试量电路如图e所示).测量时必须注意表针正负极,正接正,负接负.测量前需确认输出电压是AC还是DC并注意测量范围,不得超出电压表最高量程.

四.电流:

电流是指电荷有规律的流动.有些物体内的电子很容易移动,这类物体叫良导体,简称导体,如金,银,铜,铝,铁,石墨等都是导体.也有一些物质内的电子很不容易移动,这类物体叫做绝缘体,如橡胶,玻璃,干木材等.

如果用金属导线将两个电位不同的带电物体连接起来,那么因为金属线两端有着电位差(电压),则沿着导线就存在着电场的作用力,导线中的自由电子(负电荷)在电场的作用力下,将向正电荷(电位高)的一端移动,也就在导线中产生了电流,这个电流将直到两个带电体的电位相等(即它们之间的电位差等于零时)为止.

通常在导体中的电流是自由电子移动造成的,电子带负电荷,它总是由低电位一边移向高电位一边,不过在实际应用中把电流方向规定为从正极到负极,即指正电荷移动的方向.

电路中电流常用字母“I”表示.电流单位为“安培”,简称“安”,用字母“A”表示,由于安培单位太大,因此常用mA 和μA表示.单位换算如下:

1A=1000mA 1mA=1000μA

电流测量仪器为电流表(安培表),进行电流测量时电流表必须与电路中负载(R)串联(测量电路如图f所示) 测量时必须注意表针正负极,正接正,负接负.测量前需确认输出电流是AC还是DC并注意测量范围,不得超出电流表最高量程.

五.电阻.

1.导体电阻(导通电阻):

导体中自由电子在定向移动时,常与其它原子或电子碰撞而受到阻碍,这种导体对电流的阻碍作用即称为导体电阻,电阻的单位为欧姆(Ω),实用单位还有千欧(KΩ),兆欧(MΩ),毫欧(mΩ),千兆欧(GΩ).

金属导体的电阻与导体的长度成正比,与横截面积成反比,还与材料的导电性有关,通常用下式表示:

R=ρ·ι∕S R表示导体电阻(Ω),ι表示导体长度(M),S表示导体横截面积(M2)

ρ表示导体的电阻率(Ω·M)

电阻率ρ是反映材料导电性能的系数,单位为(Ω·M),不同的金属材料电阻率的大小不一样(可查电阻率表).银,铜,铝的电阻率很小,表示对电流的阻力小,因此常用铜或铝来制造导线和电器设备的线圈.银的电阻率最小,但因价格贵只有在特殊要求时使用.

导体的电阻还与温度有关,通常金属导体的电阻随温度的升高而增加.

2.电阻器(电阻元件):

电阻的串联与并联:

1

R2

2

g)串联电阻电路h)并联电阻电路

串联:二个或二个以上电阻依次相联,使电流只有一条能路,称为电阻的串联(如图g所示).电路中总电阻等于各电阻之和.即:R=R1+R2+……+R n

并联:二个或二个以上电阻的一端联在一点,另一端也联在一点,使各电阻上承受相同的电压,称为电阻

的并联(如图h所示),电路中总电阻与各电阻的问系为,总电阻的倒数等于各电阻倒数之和,如下式: 1/

R

=1/R1+1/R2+……+1/Rn

对于两个电阻并联的电路,总电阻为:

1/

R

=1/R1+1/R2或R=R1?R2/(R1+R2)

欧姆定律:

欧姆定律是反映电路中电动势,电压,电流和电阻之间关系的定律, 一般部分电路中(如下图),

电路中电流I的大小与电阻两端电压U成正比,而与电阻R成反比.

即:I=U/

R 也可写成:U=I R 或 R=U/

I

3.绝缘电阻:

绝缘电阻为绝缘材料的电阻如线材PVC,它的电阻率很大,导电性能差,我们所测量的绝缘电阻为两导体之间绝缘材料的电阻(如下图),

导体间绝缘的电阻即为所测试绝缘电阻

线材绝缘电阻的大小与导体电阻相反,它与线材长度成反比,与两导体间绝缘厚度(即绝缘体截面积)成正比,也就是通常所说的线越长绝缘电阻越小,两导体间绝缘越厚绝缘电阻越大.

缘上就产生一定的电流,这个电流就是我们所测试耐压时的漏电流,这个电流根据绝缘材料的绝性能而定,同样电压下绝缘电阻越大漏电流越小,因此漏电流也是考量绝缘性能的一个参数,使用AC电压测试时称为AC耐压使用DC电压测试时称为DC耐压.

绝缘电阻的测量使用绝缘电阻测试仪,耐压测试使用耐压机即可.

六.电容:

电容器是用来储存电荷的装置,它是两个导体中间被绝缘体隔开的整体,两个金属导体引出了两个电极,中间的绝缘体叫介质,符号如下图表示.如果在电容器两端加上电压,电源对电容器充电,使两电极上带有等量,极性相反的电荷.

C

(电容符号)

电容表示电容器储存电荷的能力,它是电容器的固有参数,它与两极板面积成正比,与两极板间距离成反比, 同时与两极板间的介质有关,而与电极上电荷和电压无关.电容的单位为法拉(F),法拉单位太大,实用单位有微法(μF),纳法(nF) ,皮法(pF).单位换算如下:

1F=106μF 1μF=103nF 1nF=103pF

电容器的主要参数有:标称电容值,耐压值(电容器长期工作时能承受的最高电压,超过该耐压值电容会被击穿),允许偏差(标称电容值所允许的偏差,Ⅰ级为5%,Ⅱ级为10%,Ⅲ级为20%).

电容器的种类很多,按结构不同,可分为固定,可变,半可变电容器.按介质不同可分为纸质,云母,陶瓷,涤纶,玻璃釉,电解电容器等,电解电容器有正负极,使用时需正极接高电位,负极接低电位.

电容器的串联与并联:

串联:二个或二个以上电容器依次相联,只有一条通路联接的方式称为电容器的串联(如图i所示).电

路中总的电容量与各个电容之间关系为,总电容的倒数等于各电容倒数之和,如下式:

1/

=1/C1+1/C2+……+1/Cn

C

对于两个电容串联的电路,总电容为: 1/C=1/C1+1/C2或R=C1?C2/(C1+C2)

●●●

C1

C1 C2

C2

●●●

i)串联电容电路j)并联电容电路

并联: 二个或二个以上电容的一端联在一点,另一端也联在一点,使各电容上承受相同的电压,称为电容的并联(如图j所示).电路中总电容等于各电容之和.即:C=C1+C2+……+C n

七:二极体

二极体又称为半导体,自然界中各种物质的导电能力不同,导电能力强的叫导体,如银,铜,铁等,不能导电的叫绝缘体,如陶瓷等,导电能力在导体与绝缘体之间的物质叫做半导体.应用中多的是硅和锗两种半导体材料.由于半导体的原子结构特殊,使它具有独特的导电性能,当半导体受热或受到光照时,导电性能明显增加,这就时半导体的热敏特性与光敏特性,利用这此特性可制造热敏电阻及光敏电阻,当在半导体中掺入微量的某种杂质后,其导电能力将增加几万倍乃到上百万倍,这就是半导体杂敏特性,利用这个特性就可制造半导体器件,如半导体二极管,晶体管等.

金属材料的导电粒子是自由电子,而半导体材料有两种导电粒子(载流子):一种是带负电的自由电子(简称电孙子),另一种是带正电的空穴.纯净的半导体(称为本征半导体)在室温下,电子和空穴的数量极少,所以本征半导体的导电能力很差 .

掺杂后的半导体称为杂质半导体,根据掺入的杂质不同,可分为N型半导体和P型半导体.

1).N型半导体:在纯将的硅或锗中掺入杂质磷,就成为N型半导体,N型半导体中的电子数远远多于空穴数,

主要依靠多数载流子电子导电,因此又称电子型半导体.

2).P型半导体:在纯净的硅或锗中掺入杂质硼,就成为P型半导体.P型半导体中的空穴数远远多于电子数,

主要依靠多数载流子空穴导电,因此又称为空穴半导体.

在一块硅片上,使一边制成P型半导体,另一边制成N型半导体,而在半导体交界处形成一层特殊的薄层称为 PN结(如下图所示),二极管的管芯即为PN结,并在P区与N区分别引出一电极,P区为阳极(或正极),N区为阴极(或负极). 二极管符号为:

+?-

PN结

k) PN结 l)正向偏置 m)反向偏置二极管的单向导电特性:

对一二极管外加正向电压(称为正向偏置)即P区接电源正极,N区接电源负极(如图l所示),这时PN 结受正向电压影响而变窄,呈现低阻现象即PN结导通,电路中就产生较大的正向电流I .

对一二极管外加反向电压(称为反向偏置)即P区接电源负极,N区接电源正极(如图m所示),这时PN 结受反向电压影响而变宽,呈现高阻现象即PN结截止(不导通),电路中反向电流I极小,相当于断开的开关.

因此,二极管正向偏置时导通,反向截止,具有单向导电特性.

二极管存大反向击穿特性,当外加反向电压增加到一定值时,二极管内反向电流会急剧增加,PN结易烧毁,此现象称为反向击穿.此时所加的电压值称为反向击穿电压.

二极管的主要参数有:

1).最大整流电流I F:指二极管长期正常工作时允许通过的最大正向电流平均值,实际使用时,通过

二极管的正向平均电流不允许超过此值,以免管子过热烧毁.

2).最高反抽工作电压U RM:指二极管允许加的最高反向电压,使用时,二极管上的反向电压峰值不能

超过此值,否则管子易击穿损坏.

发光二极管子: 发光二极字是一种将电信号转换成光信号的半导体器件,它的管芯是采用砷化镓,磷化镓等半导体材料制成,当它工作在正向偏置状态下时,即在有正向电流通过时,它就会发光,其发光亮度随电流的增大而提高, 发光颜色决定于材料.发光二极管的图形如下图n所示:

?

+?-

n)发光二极管符号

o)发光二极管工作及测试电路

发光二极管的工作电压低(一般为1.5~5V),工作电流小(一般为5~10mA),它具有功耗小,体积小寿命长, 显示快等优点.它的工作电路如图o所示,其中R为限流电阻,如测试时有稳压电源,限定一定的电压电流后可直接测试,需严格注意正负极接法,正接正,负接负.

二极管的测试可以用万用表来测试,将万用表调至测试量二极体的档位,将表针正极接二极体正极,表针负极接二极体负极,电表会显示二极体正向压降,表示二极体正向导通.接着再将表针正极接二极体负极,

表针负极接二极体负极,此时电表应无显示表示二极体反向截止(不导通).