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上傳日期: 2019-09-26

上 傳 者: 易水寒他上傳的所有資料

資料介紹

標簽:電路基礎(32)元器件(1175)變壓器(2786)

《從零開始學電路基礎》是2007年由國防工業出版社出版的圖書,該書作者是劉建清。該書內容包括:電路的基本定律、定理和基本分析方法,磁場與磁路,交流電路,互感與變壓器,電路的過渡過程等。

電路基礎是學習電子技術的起步知識。本書就是為使初學者從零開始,快速掌握電路基礎知識而編寫的。與傳統的電路基礎教材不同的是,本書擯棄了運用高等數學以及大量的公式計算和定量分析的講法,注重定性和概念,注重基礎知識與實踐,并配合計算機仿真軟件的仿真實驗,使基礎知識的學習做到不枯燥、不深奧。

第一章 電路與電場基礎知識

第一節 電路及其基本物理量

電流流過的回路叫做電路,又稱導電回路。最簡單的電路,是由電源、負載、導線、開關元器件組成。電路導通叫做通路。只有通路,電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負極間沒有負載而是直接接通叫做短路,這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個元件的兩端直接接通,此時電流從直接接通處流經而不會經過該元件,這種情況叫做該元件短路。開路(或斷路)是允許的,而第一種短路決不允許,因為電源的短路會導致電源、用電器、電流表被燒壞。

電路(英語:Electrical circuit)或稱電子回路,是由電器設備和元器件, 按一定方式連接起來,為電荷流通提供了路徑的總體,也叫電子線路或稱電氣回路,簡稱網絡或回路。如電源、電阻電容電感二極管三極管晶體管、IC和電鍵等,構成的網絡、硬件。負電荷可以在其中流動。

第二節 電阻及電阻定律

電阻(Resistance,通常用“R”表示),在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大,表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體,電阻一般不同,電阻是導體本身的一種特性。電阻將會導致電子流通量的變化,電阻越小,電子流通量越大,反之亦然。

導體的電阻R跟它的長度L成正比,跟它的橫截面積S成反比,還跟導體的材料有關系,這個規律就叫電阻定律(law of resistance),公式為R=ρL/S 。其中ρ:制成電阻的材料電阻率,L:繞制成電阻的導線長度,S:繞制成電阻的導線橫截面積,R:電阻值。

公式:R=ρL/S,R=U/I

ρ——制成電阻的材料電阻率,國際單位制為歐姆 · 米(Ω · m) ;

L——繞制成電阻的導線長度,國際單位制為米(m);

S——繞制成電阻的導線橫截面積,國際單位制為平方米(m2) ;

R——電阻值,國際單位制為歐姆,簡稱歐(Ω);

U——電壓值,國際單位制為伏特,簡稱伏(v);

I——電流值,國際單位制為安培,簡稱安(A)。

其中:

ρ叫電阻率:某種材料制成的長1米、橫截面積是1平方米的導線的電阻,叫做這種材料的電阻率。是描述材料性質的物理量。國際單位制中,電阻率的單位是歐姆·米,常用單位是歐姆·平方毫米/米。與導體長度L,橫截面積S無關,只與物體的材料和溫度有關,有些材料的電阻率隨著溫度的升高而增大,有些反之。

電阻率

1.電阻率ρ不僅和導體的材料有關,還和導體的溫度有關。在溫度變化不大的范圍內,:幾乎所有金屬的電阻率隨溫度作線性變化,即ρ=ρo(1+at)。式中t是攝氏溫度,ρo是O℃時的電阻率,a是電阻率溫度系數。

⒉由于電阻率隨溫度改變而改變,所以對于某些電器的電阻,必須說明它們所處的物理狀態。如一個220 V -100 W電燈燈絲的電阻,通電時是484歐姆,未通電時只有40歐姆左右。

⒊電阻率和電阻是兩個不同的概念。電阻率是反映物質導電性能好壞的屬性,電阻是反映物體對電流阻礙作用的屬性。

電阻率是一個反應材料導電性能的物理量。

電阻率數值上等于單位長度、單位截面的某種物質的電阻,其倒數為電導率。電阻率與導體的長度、橫截面積等因素無關,是導體材料本身的電學性質,由導體的材料決定,且與溫度有關。

電阻率在國際單位制中的單位是Ω·m,讀作歐姆米,簡稱歐米。常用單位為“歐姆·厘米”。

電阻率較低的物質被稱為導體,常見導體主要為金屬,而自然界中導電性最佳的是銀。其他不易導電的物質如玻璃、橡膠等,電阻率較高,一般稱為絕緣體。介于導體和絕緣體之間的物質 (如硅) 則稱半導體。

第三節 導體、絕緣體、半導體和超導體

導體是善于導電的物體,即是能夠讓電流通過材料;不善于導電的物體叫絕緣體。(并不是能導電的物體叫導體,不能導電的物體叫絕緣體,這是一般人常犯的錯誤)金屬導體里面有自由運動的電子,導電的原因是自由電子.半導體隨溫度升高其電阻率逐漸變小,導電性能大大提高,導電原因是半導體內的空穴和電子對。在科學及工程上常用利用歐姆來定義某一材料的導電程度。

能夠讓電流通過的材料,導體依其導電性還能夠細分為超導體、導體、半導體、及絕緣體。在科學及工程上常用利用歐姆來定義某一材料的導電程度。它們使電力極容易地通過它們。

當電流在導體內流過時,事實上是因為導體內的自由電荷(在金屬中的自由電荷是電子,而在溶液中的自由電荷則為陰、陽離子)產生漂移而造成的,根據材料的不同,自由電荷的漂移方式也不相同:在超導體中,電子幾乎不受原子核的干擾而能夠快速移動;而在導體內電子的移動受限于該材料所造成的電子海的能階大小;而在半導體內,電子能夠移動是因為電子-空穴效應;而絕緣體則是電子受限于分子所構成的共價鍵,使得電子要脫離原子是一件非常困難的事。因此,沒有絕對絕緣的絕緣體,只要有足夠大的能量(例如高壓電)就可以使電子得以通過某絕緣體。

而在溶液中的電子流動是因為離子游動而造成的,能夠讓電流通過的溶液稱為電解質溶液。不善于傳導電流的物質稱為絕緣體(Insulator),絕緣體又稱為電介質引。它們的電阻率極高。絕緣體的定義:不容易導電的物體叫做絕緣體。 絕緣體和導體,沒有絕對的界限。絕緣體在某些條件下可以轉化為導體。這里要注意:導電的原因:無論固體還是液體,內部如果有能夠自由移動的電子或者離子,那么他就可以導電。沒有自由移動的電荷,在某些條件下,可以產生導電粒子,那么它也可以成為導體

絕緣體的種類很多,固體的如塑料、橡膠、玻璃和陶瓷等;液體的如各種天然礦物油、硅油、三氯聯苯等;氣體的如空氣、二氧化碳、六氟化硫等。在通常情況下,氣體是良好的絕緣體。在某些特殊條件下,絕緣體也會轉化為導體。

絕緣體在某些外界條件,如加熱、加高壓等影響下,會被“擊穿”,而轉化為導體。在未被擊穿之前,絕緣體也不是絕對不導電的物體。如果在絕緣材料兩端施加電壓,材料中將會出現微弱

的電流。

絕緣材料中通常只有微量的自由電子,在未被擊穿前參加導電的帶電粒子主要是由熱運動而離解出來的本征離子和雜質粒子。絕緣體的電學性質反映在電導、極化、損耗和擊穿等過程中。

絕緣體是一種可以阻止熱(熱絕緣體)或電荷(電絕緣體)流動的物質。電絕緣體的相對物質就是導體和半導體,他們可以讓電荷通暢的流動(注:嚴格意義上說,半導體也是一種絕緣體,因為在低溫下他會阻止電荷的流動,除非在半導體中摻雜了其他原子,這些原子可以釋放出多余的電荷來承載電流)。術語電絕緣體與電介質有相同的意思,但是兩種術語分別用在不同的領域中。

一個完全意義上的熱絕緣體,根據熱力學第二定律是不可能存在的。然而,有一些材料(如二氧化硅)就非

常接近真正的電絕緣體,從而產生了閃存技術。一個更大類別的材料,如,橡膠和很多的塑料,對于家庭和辦公室配線來說都是"完美”的,沒有安全性方面的隱患, 并且效率也很高。

在沒有發明出更好的合成(物理或化學反應)物質前,在大自然的固有物質中,云母和石棉都可以作為很好的熱和電絕緣體。

半導體(semiconductor),指常溫下導電性能介于導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導體在收音機、電視機以及測溫上有著廣泛的應用。

半導體:電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數的物質稱為半導體:

室溫時電阻率約在1mΩ·cm~1GΩ·cm之間(上限按謝嘉奎《電子線路》取值,還有取其1/10或10倍的;因上角標暫不可用,暫用當前方法描述),溫度升高時電阻率則減小。半導體材料很多,按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導體;化合物半導體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化鎵、磷化鎵等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體(鎵鋁砷、鎵砷磷等)。除上述晶態半導體外,還有非晶態的玻璃半導體、有機半導體等。

本征半導體:不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下,半導體的價帶是滿帶(見能帶理論),受到熱激發后,價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導帶,價帶中缺少一個電子后形成

一個帶正電的空位,稱為空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子- 空穴對,均能自由移動,即載流子,它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流,分別稱為電子導電和空穴導電。這種由于電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴,電子-空穴對消失,稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射(發光)或晶格的熱振動能量(發熱)。在一定溫度下,電子- 空穴對的產生和復合同時存在并達到動態平衡,此時半導體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,將產生更多的電子- 空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大,實際應用不多。

第四節 電荷和電場

第五節 電容器

電容器通常簡稱其為電容,用字母C表示。定義1:電容器,顧名思義,是‘裝電的容器’,是一種容納電荷的器件。英文名稱:capacitor。電容是電子設備中大量使用的電子元件之一,廣泛應用于電路中的隔直通交,耦合,旁路,濾波,調諧回路, 能量轉換,控制等方面。定義2:電容器,任何兩個彼此絕緣且相隔很近的導體(包括導線)間都構成一個電容器。

通用公式C=Q/U平行板電容器專用公式:板間電場強度E=U/d ,電容器電容決定式 C=εS/4πkd

隨著電子信息技術的日新月異,數碼電子產品的更新換代速度越來越快,以平板電視(LCD和PDP)、筆記本電腦、數碼相機等產品為主的消費類電子產品產銷量持續增長,帶動了電容器產業增長。并帶動了相關材料、設備行業的發展,已經成為全球電容器生產大國。

在直流電路中,電容器是相當于斷路的。電容器是一種能夠儲藏電荷的元件,也是最常用的電子元件之一。

這得從電容器的結構上說起。最簡單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(包括空氣)構成的。通電后,極板帶電,形成電壓(電勢差),但是由于中間的絕緣物質,所以整個電容器是不導電的。不過,這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓(擊穿電壓)的前提條件下的。我們知道,任何物質都是相對絕緣的,當物質兩端的電壓加大到一定程度后,物質是都可以導電的,我們稱這個電壓叫擊穿電壓。電容也不例外,電容被擊穿后,就不是絕緣體了。不過在中學階段,這樣的電壓在電路中是見不到的,所以都是在擊穿電壓以下工作的,可以被當做絕緣體看。

在交流電路中,因為電流的方向是隨時間成一定的函數關系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的,這個時候,在極板間形成變化的電場,而這個電場也是隨時間變化的函數。實際上,電流是通過場的形式在電容器間通過的。

第二章 電路基本定律

第一節 歐姆定律和焦耳定律

在同一電路中,導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻阻值成反比,這就是歐姆定律,基本公式是I=U/R。歐姆定律由喬治·西蒙·歐姆提出,為了紀念他對電磁學的貢獻,物理學界將電阻的單位命名為歐姆,以符號Ω表示。

由歐姆定律I=U/R的推導式R=U/I或U=IR不能說導體的電阻與其兩端的電壓成正比,與通過其的電流成反比,因為導體的電阻是它本身的一種屬性,取決于導體的長度、橫截面積、材料和溫度、濕度(初二階段不涉及濕度),即使它兩端沒有電壓,沒有電流通過,它的阻值也是一個定值。(這個定值在一般情況下,可以看做是不變的,但是對于光敏電阻和熱敏電阻來說,電阻值是不定的。對于有些導體來講,在很低的溫度時存在超導的現象,這些都會影響電阻的阻值。)

導體中的電流與導體兩端的電壓成正比,與導體的電阻成反比。(表達式:I=U:R)

焦耳定律是定量說明傳導電流將電能轉換為熱能的定律。內容是:電流通過導體產生的熱量跟電流的二次方成正比,跟導體的電阻成正比,跟通電的時間成正比。焦耳定律數學表達式:Q=I^2;×Rt(適用于所有電路);對于純電阻電路可推導出:Q=W=PT;Q=UIT;Q=(U^2/R)T

電流所做的功全部產生熱量,即電能全部轉化為內能,這時有Q=W(在純電阻電路中)。電熱器和白熾電燈屬于上述情況。

在串聯電路中,由于通過導體的電流相等,通電時間也相等,根據焦耳定律可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成正比。

在并聯電路中,由于導體兩端的電壓相等,通電時間也相等,根據焦耳定律可知電流通過導體產生的熱量跟導體的電阻成反比。

電熱器:利用電流的熱效應來加熱的設備,電爐、電烙鐵、電熨斗、電飯鍋、電烤爐等都是常見電熱器。電熱器的主要組成部分是發熱體,發熱體是由電阻率大,熔點高的電阻絲繞在絕緣材料上制成。

焦耳定律是定量說明傳導電流將電能轉換為內能的定律。

非純電阻電路:Q=I^2Rt

純電阻電路:Q=u^2/R t=I^2Rt=W=Pt=U I t(電能只轉化為內能)

第二節 基爾霍夫電流和電壓定律

第三節 電路中電位的計算

第三章 電路的等效變換

第一節 電阻電路的等效變換

第二節 電壓源、電流源及其等效變換

第三節 受控源簡介

第四章 電路基本分析方法和重要定理

第一節 電路基本分析方法

第二節 電路分析重要定理

第三節 非線性電阻電路的分析

第五章 磁場與磁路基礎知識

第一節 磁場和磁感線

第二節 安培力和磁感應強度

第三節 電磁感應

第四節 磁性材料的性能

第五節 磁路及其基本定律

第六章 交流電路

第一節 正弦交流電的產生及變化規律

第二節 正弦交流電的三要素

第三節 正弦交流電的表示法

第四節 電阻、電感和電容交流電路

第五節 功率因數的提高

第六節 RC和LC電路

第七節 迭加法在交流電路中的應用

第八節 復數在交流電路中的應用

第七章 三相交流電路與安全用電

第一節 三相交流電源

第二節 三相電路負載的連接

第三節 三相電路的功率

第四節 供電與用電

第五節 安全用電與建筑防雷

第八章 互感和變壓器

第九章 電路的過渡過程

第十章 Edison仿真軟件及其在電路基礎實驗中的應用

參考文獻

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