第1章电路基础知识
电路是指电流流动的路径,呈闭合回路。在第1章中,我们将学习“路径”本身以及在该路径上流动的“电流”的基本知识。如果在后续章节中遇到困难,请随时回顾本章内容!
第1讲电流的方向:从正极到负极?
一般认为,电流是从正极流向负极的。电流的本质是带电粒子一电荷的定向移动。
然而,随着19世纪末物理学和电学研究的深入,科学家发现,电流实际上是负电荷(电子)从负极流向正极而形成的。这意味着,早期在尚未完全理解电的本质时,人们定义的电流方向与电子流方向相反。
尽管如此,考虑到“正电荷从正极流向负极”与“负电荷从负极流向正极”在电路分析中的数学等效性,传统电流方向的定义并未更改,并沿用至今。这种约定俗成的定义被称为“常规电流方向”,而实际的电子流动方向被称为“电子流方向”。
在电路中流动的负电荷主要来源于构成物质的原子中的电子。电荷量以库仑(C)为单位。一个电子所带的电荷量约为-1.602x10-19C。因此,大约6.24xl01s个电子的总电荷量为-1C。
电流的单位是安培(A)。Is内通过导体横截面的电荷量为1C时,电流为1A。
推动电流的“压力”——电压
要使电荷定向移动从而产生电流,需要施加电势差一电压。电压的大小以伏特(VI为单位,该单位源于1800年意大利科学家亚历山德罗?伏特(Alessandro Volta)发明的伏打电堆(voltaic pile)。
电压与电流的关系,可用水压与水流的关系来类比。水位差产生的水压驱动水流动,类似于电压推动电流。管道中的水流量对应电流的大小。管道的粗细、长度,以及堰坝、水闸等因素会影响水流量,这相当于第3讲所述的电阻。为维持水位差而将水抽至高处的泵,则相当于产生电压的电源。
从上图可展开诸多联想。*先,要增加管道中的水流量,只需抬高上游水槽以增大水位差,这相当于提高电压会增大电流。其次,若要保持水位差不变而增加流量,可拓宽管道(即减小阻力);管道分支时,总流量在分支前后保持不变;抽升的水通过各种管道*终全部回流至原水池(对应闭合回路);泵的能力决定了其抽水量和扬程的极限等。将这些管道类比直接应用于电路,可理解直至第?章的大部分内容。
电流通路与阻碍:导体与绝缘体
能让电流通过的物质被称为导体,无法导电的物质被称为绝缘体。导体为电荷提供可移动的路径,是电流流动的通路。
关于导体
金属是典型的导体。金属中存在可相对自由移动的“自由电子”,这些电子是传输电荷的主要载体。除了金属,石墨、氯化钠等也是导体。
导体存在电阻,电流通过时会受到类似摩擦的阻碍作用。在常用金属中,银的电阻率*低,但其成本高昂,电线通常采用铜。近年来,质量较小的铝在电线中的应用逐渐增多。
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