电路原理-基本概念

前言

本篇文章介绍电子世界的基本概念

原子

一切物质都是由原子构成的，而所有的原子都是有电子、质子和中子构成的。
电子围绕着质子和中子旋转
质子带正电
电子带负电

电子层

围绕着原子核的电子运动轨迹的集合

每个电子层由不同的运动轨道组成，轨道的命名依次为s，p，d，f
第1个电子层包含1个s轨道
第2个电子层包含1个s轨道和3个p轨道
第3个电子层包含1个s轨道和3个p轨道和5个d轨道
第4个电子层包含1个s轨道和3个p轨道和5个d轨道和7个f轨道

每个轨道最多只能包含2个电子，所以
第1个电子层包含最多2个电子
第1个电子层包含最多8个电子
第1个电子层包含最多18个电子
第1个电子层包含最多32个电子

到这里就产生了一个疑问，这四个电子层一共才能容纳60个电子而已，还有更多的层级吗？

有，但是电子的排列不是一个电子层排满再去排列下一个电子层，电子的排列是按照轨道的能量由高到低排列的，并且电子会从能量低的轨道跃迁到能量高的轨道，轨道能量的排列如下：

• 电子层1-s轨道（2个电子） 总电子2个
• 电子层2-s轨道（2个电子） 总电子4个
• 电子层2-p轨道（6个电子） 总电子10个
• 电子层3-s轨道（2个电子）总电子12个
• 电子层3-p轨道（6个电子）总电子18个
• 电子层4-s轨道（2个电子）总电子20个 注意：这里第四层s轨道的能量已经小于第三层的d轨道
• 电子层3-d轨道（10个电子）总电子30个
• 电子层4-p轨道（6个电子）总电子36个
• 电子层5-s轨道（2个电子）总电子38个
• 电子层4-d轨道（10个电子）总电子48个
• 电子层5-p轨道（6个电子）总电子54个
• 电子层6-s轨道（2个电子）总电子56个
• 电子层4-f轨道（14个电子）总电子70个
• 电子层5-d轨道（10个电子）总电子80个
• 电子层6-p轨道（6个电子）总电子86个
• 电子层7-s轨道（2个电子）总电子88个
• 电子层5-f轨道（14个电子）总电子102个
• 电子层6-d轨道（10个电子）总电子112个
• 电子层7-p轨道（6个电子）总电子118个

价电子

原子最外层的电子层称为价电子层，价电子层中的电子称为价电子，正是由于价电子的存在，化学反应才称为可能。同时也决定了物质的电特性。

电离

价电子吸收能量后摆脱原子核的束缚而成为自由电子，这个过程称为电离
电离后的原子带正电，称为阳离子

导电性

导电性的一般规律如下：

• 原子序数越大，最外层电子离原子核就越远，从而导致对电子的束缚力就越弱，导电性越好
• 最外层电子越少，导电性越好
• 次外层结构越稳定，导电性越好

电荷

带有异种电荷的物质会相互吸引,而带有同种电荷的物质会相至排斥，电荷的符号是$Q$，单位是库仑，单位符号为$\text{C}$
$6.25\times 10^8$个电子所带的电荷总数是1库仑

电压

电压定义为单位电荷所消耗的能量或所做的功
$$V=\frac{W}{Q}$$
若在两点间通过一库仑的电荷所消耗的能量为1焦耳，则这两点之间的电压为1伏特
电压的符号为$U$，电压的单位为伏特，单位符号为$\text{V}$
使用伏特表可以测量电压的大小

电压源

• 电池：通过正负极化学反应，正极吸收电子，负极释放电子，这样正负极之间产生电压
• 太阳能电池：一个半导体层接受太阳光照吸收能量，自由电子进入另外一个半导体层，这样，两个半导体层产生电压
• 发电机：运行电磁感应原理，将机械能转化为电能
• 电子电源：将交流电转换为直流电

电流

物质中自由电子从负极到正极所做的定向运动形成电流
电流的符号为$I$，电流的单位为安培，单位符号为$\text{A}$
电流表明电荷通过的速度
$$I=\frac{Q}{t}$$
如果在1秒内通过导体横截面的电荷的数量为1库仑，就说导体的电流量是1安培
使用安培表可以测试电路中的电流量大小

电阻

电阻阻碍或者限制电路中电流的通过
电子和介质中的原子碰撞会产生热，电流越大，产生的热量越多
电阻的符号为$R$，电阻的单位为欧姆，单位符号为$\Omega$
当电阻两端的电压为1伏特，通过的电流为1安培时，电阻的阻值为1欧姆
使用欧姆表可以测量电阻的大小

电导

电阻的倒数就是电导，符号为$G$,电导的单位为西门子，单位符号为$\text{S}$
$$G=\frac{1}{R}$$

电流方向

电流是由电子的移动产生的，所以按道理电流的方向应该是电子移动的方向，但是在这之前，人们已经发现了电流，并且一直认为电流是由正电荷的移动产生的，所以方向与电子的运动方向相反。
电子学领域一般把电流的方向认为是从正极到负极的方向

电阻率

导线电阻的大小有四个方面的影响：

1. 导线的材料
2. 导线的长度
3. 导线的横截面积
4. 导线的温度

其中，不同材料的导线通过电阻率$\rho$来表示材料的导电性，在特定温度下，材料的电阻可以表示为
$$R=\frac{\rho \times l}{A}$$
$l$为导线的长度，$A$为导线的横截面积

电容

电容存储电荷，常常用来阻断直流，导通交流

电感

电感也称为线圈，在电磁学领域常常用来储存能量

变压器

用来升高或降低交流电压

半导体

二极管、三极管、晶体管

电子仪器

• 为电路提供电压和电流的直流电源
• 提供电子信号的函数发生器
• 测量电压的伏特表
• 测量电流的安培表
• 测量电阻的欧姆表
• 三表合一的万用表
• 观察和测量交流电压的示波器

SI：国际单位制

电学量

$$\begin{array}{cccc}量& 符号& 单位& 单位符号\\ 电容& C& 法拉& \text{F}\\ 电荷& Q& 库仑& \text{C}\\ 电导& G& 西门子& \text{S}\\ 电流& I& 安培& \text{A}\\ 能量& W& 焦耳& \text{J}\\ 频率& f& 赫兹& \text{Hz}\\ 阻抗& Z& 欧姆& \Omega \\ 电感& L& 亨利& \text{H}\\ 功率& P& 瓦特& \text{W}\\ 电抗& X& 欧姆& \Omega \\ 电阻& R& 欧姆& \Omega \\ 时间& t& 秒& \text{s}\\ 电压& V& 伏特& \text{V}\end{array}$$

注意：符号都是斜体表示，单位符号都是非斜体表示

磁学量

$$\begin{array}{cccc}量& 符号& 单位& 单位符号\\ 磁通密度& B& 特斯拉& \text{T}\\ 磁通量& ?& 韦伯& \text{Wb}\\ 磁场强度& H& 安（匝/米）& \text{At/m}\\ 磁通势& F_m& 安（匝）& \text{At}\\ 磁导率& \mu & 韦伯/安（匝/米）& \text{Wb/Atm}\\ 磁阻& R_m& 安（匝/韦伯）& \text{At/Wb}\end{array}$$

国际单位
$$\begin{array}{cccc}国际单位词头& 符号& 10的幂& 值\\ 皮& p& 10^{?12}& \text{万亿分之一}\\ 纳& n& 10^{?9}& \text{十亿分之一}\\ 微& \mu & 10^{?6}& \text{百万分之一}\\ 毫& m& 10^{?3}& \text{千分之一}\\ 千& k& 10^3& \text{一千}\\ 兆& M& 10^6& \text{一百万}\\ 吉& G& 10^9& \text{十亿}\\ 太& T& 10^{12}& \text{万亿}\end{array}$$