基本電量：電荷、電壓、電流、功率、電阻

基本電氣量：電流、電壓、電阻和功率。

收費

電路中最重要的物理現像是運動 電荷……自然界中有兩種電荷——正電荷和負電荷。就像電荷吸引一樣，電荷排斥一樣。這導致存在將等量的正電荷與負電荷分組的趨勢。

原子由帶負電的電子云包圍的帶正電的原子核組成。總負電荷的絕對值等於原子核的正電荷。因此，原子的總電荷為零，也稱為電中性。

在可以容納的材料中 電，一些電子從原子中分離出來，具有在導電材料中移動的能力。這些電子稱為移動電荷或電荷載體。

由於初始狀態下的每個原子都是中性的，帶負電的電子分離後，變成帶正電的離子。正離子不能自由移動並形成靜止的固定電荷系統（參見 - 什麼物質導電).

在半導體作為一類重要的材料，移動電子可以以兩種方式移動：或者電子只是充當帶負電的載體。或者許多電子的複雜集合以這種方式移動，就好像材料中有帶正電的移動載流子一樣。固定費用可以是任一性質。

導電材料可以被認為是包含移動電荷載體（可以具有兩個符號之一）和相反極性的固定電荷的材料。

還有一些稱為絕緣體的材料不導電。絕緣體中的所有電荷都是固定的。絕緣體的例子有空氣、雲母、玻璃、許多金屬表面形成的薄層氧化物，當然還有真空（其中根本沒有電荷）。

電荷以庫侖 (C) 為單位測量，通常用 Q 表示。

通過大量實驗確定了每個電子的電荷量或負電荷量，發現為 1.601 × 10-19 CL 或 4.803 × 10-10 靜電​​荷。

即使在相對較低的電流下，也可以通過以下方式獲得流過導線的電子數量的一些想法。由於電子的電荷量為1.601•10-19 CL，那麼產生等於庫侖電荷的電子數為給定的倒數，即約等於6•1018。

1 A 的電流對應於每秒 1 C 的電流，在通過導線橫截面的電流僅為 1 μmka (10-12 A) 時，每秒大約有 600 萬個電子。如此大的電流同時又如此之小，以至於它們的檢測和測量與重大的實驗困難有關。

正離子的電荷是電子電荷的整數倍，但符號相反。對於單個電離的粒子，電荷等於電子的電荷。

原子核的密度遠高於電子的密度，整個原子佔據的大部分體積是空的。

電現象的概念

通過將兩個不同的物體摩擦在一起，以及通過感應，物體可以被賦予特殊的屬性——電。這樣的物體被稱為帶電的。

與帶電體相互作用有關的現象稱為 電現象.

帶電體之間的相互作用由所謂的電力與另一種性質的力的不同之處在於，無論其運動速度如何，它們都會使帶電物體相互排斥和吸引。

通過這種方式，帶電物體之間的相互作用不同於引力相互作用，引力相互作用僅以物體的吸引力為特徵，或者不同於磁源力，後者取決於電荷移動的相對速度，導致磁現象。

電氣工程主要研究物性外在表現規律 帶電體 ——電磁場定律。

電壓

由於相反電荷之間的強烈吸引力，大多數材料都是電中性的。分離正電荷和負電荷需要能量。

在圖。圖 1 顯示了兩個導電的、最初不帶電的板，它們以距離 d 間隔開。假設板之間的空間充滿絕緣體，例如空氣，或者它們處於真空中。

米。 1. 兩個導電的、最初不帶電的板：a——板是電中性的； b——電荷-Q轉移到底板（板間存在電位差和電場）。

在圖。 1，兩塊板都是中性的，上板的總零電荷可以用電荷+Q和-Q的總和來表示。在圖。如圖 1b 所示，電荷 -Q 從上板轉移到下板。如果在圖1b，我們用導線連接極板，然後相反電荷的吸引力會導致電荷快速轉移回來，我們將回到圖 1b 所示的情況。 1，一個。正電荷將移動到帶負電的板，而負電荷將移動到帶正電的板。

我們說在圖 1 所示的帶電板之間。如圖 1b 所示，存在電勢差，帶正電的上板電勢高於帶負電的​​下板電勢。通常，如果兩點之間的傳導導致電荷轉移，則兩點之間存在電位差。

正電荷從高電位點移動到低電位點，負電荷移動方向相反——從低電位點到高電位點。

測量電位差的單位是伏特（V）。電位差稱為電壓，通常用字母 U 表示。

為了量化兩點之間的張力，使用了這個概念 電場...在圖所示的情況下。如圖 1b 所示，在從較高電勢區域（從正極板）到較低電勢區域（到負極板）的極板之間存在均勻電場。

該場的強度以伏特/米表示，與板上的電荷成正比，如果已知電荷分佈，則可以根據物理定律計算得出。電場大小與板間電壓 U 之間的關係具有 U = E NS e（伏特 = 伏特 / 米 x 米）的形式。

所以，從低電勢到高電勢的轉變對應於與場方向相反的運動。在更複雜的結構中，電場可能不是處處均勻的，為了確定兩點之間的電勢差，有必要反複使用等式 U = E NS e。

我們感興趣的點之間的間隔被分成許多部分，每個部分都足夠小以使得字段均勻分佈在其中。然後將該等式連續應用於每個部分 U = E NS e 並且對每個部分的電位差求和。因此，對於電荷和電場的任何分佈，您都可以找到任意兩點之間的電勢差。

測定電位差時，不僅要說明兩點間電壓的大小，還要說明哪一點的電位最高。然而，在包含多個不同元件的電路中，並不總是能夠預先確定哪一點具有最高電位。為避免混淆，有必要接受標誌的條件（圖 2）。

米。 2…確定電壓極性（電壓可正可負）。

雙極電路元件由配備兩個端子的盒子表示（圖 2，a）。假設從盒子到終端的線路是電流的理想導體。一個端子標有加號，另一個端子標有減號。這些字符固定了相對極性。圖中的電壓 U 2, 並且由條件 U = (端子 «+» 的電位) — (端子 «-« 的電位) 確定。

在圖。在圖 2b 中，帶電板連接到端子，因此 «+» 端子連接到具有更高電位的板。這裡電壓U是正數。在圖。 2、«+»端接下電位板。結果，我們得到一個負電壓。

重要的是要記住應力表示的代數形式。一旦確定了極性，正電壓意味著 «+» 端子具有（更高的電位），負電壓意味著 «-» 端子具有更高的電位。

當前的

上面注意到正電荷載流子從高電位區移動到低電位區，而負電荷載流子從低電位區移動到高電位區。任何費用的轉移都意味著到期 電.

在圖。圖 3 顯示了一些簡單的電流流動情況，表面選擇 C 並顯示了名義上的正方向。如果隨著時間 dt 通過 S 部分，總電荷 Q 將沿所選方向通過，則通過 S 的電流 I 將等於 I = dV/dT。電流的計量單位是安培（A）（1A=1C/s）。

米。 3…電流方向與移動電荷流動方向的關係。如果通過某個表面 C 的正電荷流與所選方向一致，則電流為正（a 和 b）。如果所產生的正電荷流過表面的方向與所選方向相反，則電流為負（b 和 d）。

在確定電流 Iz 的符號時經常會出現困難。如果移動電荷載流子是正的，那麼正電流描述了移動載流子在所選方向上的實際運動，而負電流描述了移動電荷載流子與所選方向相反的流動。

如果移動運營商是負面的，則在確定電流方向時必須小心。考慮圖。圖 3d，其中負移動電荷載流子在所選方向上穿過 S。假設每個載流子都有電荷 -q 並且通過 S 的流速是每秒 n 個載流子。在 dt 期間，電荷 C 在所選方向上的總通道將是 dV = -n NS q NS dt，這對應於電流 I = dV/ dT。

因此，圖 3d 中的電流為負。此外，該電流與帶電荷 + q 的正載流子以每秒 n 個載流子的速度在與所選載流子相反的方向上通過表面 S 運動產生的電流一致（圖 3，b）。因此，兩位數的電荷反映在兩位數的電流中。對於電子電路中的大多數情況，電流的符號很重要，並且載流子（正或負）攜帶該電流並不重要。因此，當他們談論電流時，他們通常假設電荷載流子是正的（見—— 電流方向).

然而，在半導體器件中，正電荷載流子和負電荷載流子之間的差異對於器件的運行至關重要。對這些設備的操作進行詳細檢查應清楚地區分移動充電載體的跡象。電流流過某個區域的概念可以很容易地概括為流過電路元件的電流。

在圖。圖4顯示雙極元件。正電流的方向由箭頭表示。

米。 4. 通過電路元件的電流。電荷以 i（每秒庫侖數）的速率通過 A 端進入電池，並以相同的速率通過 A' 端離開電池。

如果正電流流過電路元件，則正電荷以每秒 i 庫侖的速率進入端子 A。但是，如前所述，材料（和電路元件）通常保持電中性。 （即使圖 1 中的“已充電”電池的總電荷為零。）因此，如果電荷通過端子 A 流入電池，則必須同時有等量的電荷通過端子 A' 流出電池。這種電流流過電路元件的連續性源於元件作為一個整體的中性。

力量

電路中的任何雙極元件都可以在其端子之間產生電壓，並且電流可以流過它。電流和電壓的符號可以獨立確定，但電壓和電流的極性之間存在重要的物理關係，為了闡明這種關係，通常會採用一些附加條件。

在圖。圖 4 顯示瞭如何確定電壓和電流的相對極性。選擇當前方向後，它會流入 «+» 端子。當滿足這個附加條件時，就可以確定一個重要的電量——電功率。考慮圖 1 中的電路元件。 4.

如果電壓和電流為正，則正電荷從高電位點連續流向低電位點。為了保持這種流動，有必要將正電荷與負電荷分開並將它們引入 «+» 端子。這種連續分離需要持續消耗能量。

當電荷通過元素時，它們會釋放這種能量。由於能量必須儲存，它要么以熱量的形式在電路元件中釋放（例如，在烤麵包機中），要么儲存在其中（例如，在為汽車電池充電時）。這種能量轉換發生的速率稱為 力量 並由表達式 P = U NS Az（瓦特 = 伏特 x 安培）確定。

功率的計量單位是瓦特（W），相當於1焦耳的能量轉化為1秒。功率等於電壓和電流的乘積，極性如圖 1 所示。 4是代數量。

如果 P > 0，如上述情況，功率會在元件中耗散或吸收。如果 P < 0，則在這種情況下，該元件為其連接的電路供電。

電阻元件

對於每個電路元件，您可以寫出端電壓與通過該元件的電流之間的特定關係。電阻元件是可以繪製電壓和電流之間關係的元件，該圖稱為電流-電壓特性。這種特徵的一個例子如圖 1 所示。 5.

米。 5.電阻元件的電流-電壓特性

如果已知元件 D 端子處的電壓，則該圖可以確定通過元件 D 的電流。同樣，如果電流已知，則可以確定電壓。

完美抵抗

理想電阻（或電阻器）是 線性電阻元件…根據線性的定義，線性電阻元件中電壓和電流之間的關係是這樣的：當電流加倍時，電壓也加倍。一般來說，電壓應與電流成正比。

電壓和電流之間的比例關係稱為 電路部分的歐姆定律 並且有兩種寫法：U = I NS R，其中 R 是元件的電阻，I = G NS U，其中 G = I / R 是元件的電導率。電阻的單位是歐姆（ohm），電導率的單位是西門子（cm）。

理想電阻的電流-電壓特性如圖 1 所示。 6. 該圖是一條通過原點的直線，斜率等於 Az/R。

米。 6. 理想電阻器的名稱 (a) 和電流-電壓特性 (b)。

完美阻力的力量

表示理想電阻吸收的功率：

P = U NS I = I2NS R, P = U2/ R

正如理想電阻中吸收的功率取決於電流（或電壓）的平方一樣，理想電阻中吸收的功率 v 的符號取決於 R 的符號。雖然有時使用負電阻值當模擬以特定模式運行的特定類型的設備時，所有實際電阻通常都是正的。對於這些電阻，吸收功率始終為正。

電阻吸收的電能，acc 能量守恆定律, 必須 NS 轉化為其他物種。大多數情況下，電能會轉化為熱能，稱為焦耳熱。排泄率 焦耳熱 就電阻而言，它與電能的吸收率相匹配。例外是那些電阻元件（例如，燈泡或揚聲器），其中部分吸收的能量被轉換成其他形式（光能和聲能）。

主要電氣量的相互關係

對於直流電，基本單位如圖 1 所示。 7.

米。七、主要電氣量的相互關係

四個基本單位——電流、電壓、電阻和功率——通過可靠建立的關係相互連接，這使我們不僅可以進行直接測量，還可以進行間接測量，或者從其他測量值中計算出我們需要的值。因此，要測量電路中某一部分的電壓，必須要有電壓表，但即使沒有電壓表，只要知道電路中的電流和該部分的電流電阻，就可以計算出電壓值。