大纲
前序知识
这里先了解⼀些原⼦相关的知识 ，会对电学中很多的概念和结论有更好的理解。
原子（Atomic）
- 原⼦是构成物质的最⼩单位，它由原⼦核和电⼦组成，其中原⼦核又由质⼦和中⼦组成。
- 下图为碳原⼦的简易模型图：
提示
这里提及原⼦结构，是为了给后续的：电流、电压、⼆极管、三极管等知识做铺垫，但也会忽略掉⼀些与电学⽆关的知识，⽐如：有些元素（氢的同位素氕）没有中⼦，再⽐如：质⼦和中⼦的⽐例关系，会对元素的放射性有⼀定影响等，这些知识不在本教程中体现。
质⼦（Proton）
- 质⼦带⼀个单位的正电荷，且质⼦数量决定着元素身份，改变了质⼦数量，也就改变了原⼦的类型。
- 举个例⼦：如果能从铅的原⼦核（82 个质子）⾥移出 3 个质⼦，那就成功的⽤铅原⼦造出了⼀个⾦原⼦（79 个质子）。
- ⽽实际上：质⼦之间结合地⾮常紧密，⼏乎⽆法分开，这也是炼⾦术未能实现的原因。
- 拓展内容：现代物理学中的核反应堆、粒⼦加速器等可以实现上述过程，但所需能量和成本⾮常⾼，已经远超⻩⾦的价值了，⽽且这种反应通常很难精确控制，产出的黄⾦量可能很少。
中⼦（Neutron）
- 中⼦不带电，且中⼦对原⼦的影响远⼩于质⼦。
- 电学领域通常不对中⼦进⾏深⼊探讨，因为它不带电荷，不直接影响电势、电流的形成。
电⼦（Electron）
- 电⼦带⼀个单位的负电荷，它围绕原⼦核做⽆规则的运动。
- 早期的『波尔模型』，将电⼦的运动⽐作成⾏星的 “轨道运动”；
- 但随着量⼦⼒学的发展，这种⽐喻并不完全正确，所谓的 “轨道” 其实是电⼦出现的概率区域，并不不是⼀个具体的路径。
- 通常来说原⼦的质⼦数和电⼦数相等，其内部的正电荷与负电荷互相抵消，这时候原⼦呈电中性。
- 电⼦层：电⼦围绕原⼦核活动的范围。
最外层电⼦数为 8 个时，通常是较稳定的状态。
- 许多元素在化学反应中，会倾向于通过：获得电⼦、失去电⼦、共享电⼦，来尽可能达到 8 个电⼦的稳定结构，这个现象被称为：⼋隅规则。
- 当然也有⼀些例外的元素，例如：氢 (H) 、氦 (He) 只需要 2 个电⼦就能达到稳定状态。
不同电荷之间互相吸引，相同电荷之间互相排斥，具体计算参考库伦定律：
- 最外层的电⼦更容易脱离原⼦，因为它们与原⼦核的距离较远，受到的引⼒较弱。
⽯墨与⾦刚⽯
- ⽯墨：每个碳原⼦与周边 3 个碳原⼦分别建⽴共价键，最终外层剩余 1 个 未成键的电⼦，这个电⼦可以在不同的原⼦之间⾃由移动，所以⽯墨是导体。
- ⽯墨的层与层之间是靠『范德华⼒』结合在⼀起的，范德华⼒是⼀种弱的分⼦间作⽤⼒，因此⽯墨的各个层之间可以很容易地滑动，所以⽯墨可以作为：润滑剂、铅笔芯等。
- ⾦刚⽯：每个碳原⼦与周边 4 个 碳原⼦分别建⽴共价键，形成⼀个⾮常坚硬的⽴体⽹状结构，没有⾃由电⼦，所以⾦刚⽯是绝缘体。
- ⾦刚⽯的碳原⼦之间共价键内的电⼦活动范围相对较⼩，且共价键内的电⼦被两个原⼦核共同吸引，所以碳原⼦之间共价键内的电⼦相对稳定，不会轻易脱落，除⾮有⾜够的能量来打破这个键。
电学基础
电场、电势、电势能
为了能更好的理解⼀些抽象的概念，这里⽤重⼒场中的相关概念，去类⽐电场中的相关概念。
重⼒场、电场
- 重⼒场：在地球周围存在，有质量的物体进⼊该区域后，会受到被拉向中⼼的⼒。
- 电场：在电荷周围存在，带电的粒⼦进⼊这个区域后，会受到吸引⼒或排斥⼒。
- 沿着电场线⽅向，电场的强度会逐渐减弱，且⽆论正电荷还是负电荷，⽆穷远处的电场强度为 0。
重⼒势能、电势能
- 重⼒势能：描述物体在重⼒场中所具备的能量，与所处位置、物体质量均有关。
- 电势能：描述带电粒⼦在电场中所具备的能量，与所处位置、粒⼦带电量均有关。
重⼒势、电势
电流
电流的概念：
- 电荷的定向移动，形成了电流，衡量电流的⼤⼩，要看单位时间内通过导体横截⾯的电荷量。
- 注意：
- 电学上定义的『电流⽅向』是正电荷的流动的⽅向，这个概念在 19 世纪初就先被定电学上定义的『电流⽅向』是正电荷的流动的⽅向，这个概念在 19 世纪初就先被定义了；
- 后来虽然发现了是电⼦在移动，但为了保持定义的统⼀性，『电流⽅向』仍然⽤正电荷的流动去定义，所以『电流⽅向』与『电⼦移动⽅向』是相反的。
电流的单位：安培 (A)，简称安
- 1A 的含义：1 秒钟内有
6.242*10^18个单位电荷（电⼦、质⼦、都属于单位电荷）通过了导体横截⾯。 6.242*10^18个单位电荷所带的电荷总量，为 1 库伦 (C)，所以 1A 的含义也能这样描述：在 1 秒钟内，有 1 库仑的电荷通过了导体的横截⾯。
- 1A 的含义：1 秒钟内有
电流的单位换算：
- 进位为 1000，例如 1A = 1000mA
- 常⽤的单位是：安 (A)、毫安 (mA)
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常⻅电器的⼯作电流：
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电压
电压的概念：
- ⼜称电势差，是两点之间电势的差值，衡量电压的⼤⼩，要看两点电势差的⼤⼩。
- 有了电压，电子才能持续且定向地移动起来，所以电压是形成电流的必要条件之一。
- 电压越大，能定向移动起来的电子就越多，电流就会越大。
电压的单位：伏特 (V)，简称伏
- 1V 的含义是：电场 对 1 库伦 (C) 电荷做了 1 焦⽿ (J) 的功。
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- 1V 的含义是：电场 对 1 库伦 (C) 电荷做了 1 焦⽿ (J) 的功。
电压的单位换算：
- 进位为 1000，例如 1kV = 1000V
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- 进位为 1000，例如 1kV = 1000V
常⻅电源的电压：
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电阻
电阻的概念：
- 电阻是指材料或元器件对电流流动的阻碍程度。
- 电阻的大小不仅与材料有关，还与材料的粗细、长短等因素有关。
电阻的单位：欧姆（简称欧），符号是 Ω。
- 1Ω 的含义：给导体施加 1V 电压，此时如果导体的电流为 1A，那这个导体的电阻就是 1Ω。
电阻的单位换算：
- 进位为 1000，例如 1KΩ = 1000Ω
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- 进位为 1000，例如 1KΩ = 1000Ω
电阻的决定式：
- $R = \rho \cdot \frac{L}{A}$
- R：电阻
- L：导体的⻓度
- A：导体的横截⾯积
- ρ：材料的电阻率，表示材料对电流的阻碍能⼒
- $R = \rho \cdot \frac{L}{A}$
电阻的补充内容：
- 后续会讲解⼀种电⼦元器件 — 『电阻器』，它的简称也叫『电阻』，是⼀种专⻔⽤于控制电流大小的电⼦元器件（如下图所示），其的作⽤是：为电路提供电阻，来限制电流的⼤⼩。
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- 后续会讲解⼀种电⼦元器件 — 『电阻器』，它的简称也叫『电阻』，是⼀种专⻔⽤于控制电流大小的电⼦元器件（如下图所示），其的作⽤是：为电路提供电阻，来限制电流的⼤⼩。
电路
- 电源：物理学中将提供电能的装置叫做电源。
- ⽤电器：将灯泡、电动机、等这类消耗电能的装置叫做⽤电器。
- 电路：电源、⽤电器，再加上导线、开关等，就组成了电流可以流过的路径，这就是电路。
电路图：
- 在绘制电路图时，为了绘制简单且⽅便研究，通常⽤图形符号来表示元件。
- 此处先只列举了三个电路符号（如下图所示），其他的电路符号以后会随着教程讲解。
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电路状态：
- 断路：电路中某处被切断，电路中没有电流流过。
- 通路：正常接通的电路，⽤电器能够正常⼯作的电路。
- 短路：比如直接⽤导线将电源的正、负极连接起来（⚠️危险操作）。
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欧姆定律
概念：
- 导体中的电流，与导体两端的电压成正⽐，与导体的电阻成反⽐。
- 在电阻不变的情况下，电压越⼤，电流也会越⼤。
公式：
- $I = \frac{U}{R}$
- U 为电压，单位为 V
- I 为电流，单位为 A
- R 为电阻，单位为 Ω
- 变形公式一：
- $R = \frac{U}{I}$
- 变形公式二：
- $U = IR$
- $I = \frac{U}{R}$
决定式 vs 定义式：
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使⽤场景：
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局限性：
- 欧姆定律有局限性，仅适用于纯电阻电路（或者说纯电阻元器件、纯电阻设备）！
- 纯电阻电路：消耗的电能仅转化为热能，没有其他形式的能量转换。
直流电 VS 交流电
直流电
定义：
- 有固定的正负极，且电流⽅向始终『不变』的电流，全称：Direct Current，简称 DC。
举例：
- ⼲电池、锂电池、光伏发电板等。
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- ⼲电池、锂电池、光伏发电板等。
交流电
定义：
- 电流⽅向随时间做『周期性变化』的电流，全称：Alternating Current，简称 AC。
- 交流电的电流⽅向⼀定做周期性变化，但电流⼤⼩不⼀定做周期性变化！
举例：
- 家庭⽤电
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- 家庭⽤电
扩展内容
家庭⽤电为的 220V / 50Hz 的正弦交流电，下⾯是关于家⽤交流电的⼀些总结性内容。
周期：
- 交流电完成⼀个完整波动循环所需的时间（参考下图）。
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- 交流电完成⼀个完整波动循环所需的时间（参考下图）。
零线与⽕线：
- 交流电⽆正负极之分，但有零⽕线之分。
- 零线的电势始终为 0，⽕线的电势不断变化，有时⾼于 0，有时低于 0，这样就形成了交变电流。
对于 220V / 50Hz 的理解：
- 220V 指的是交流电的有效电压
- 什么是有效电压？—— 让交流电和直流电，分别通过同⼀个电阻，在交流电的⼀个周期内，若⼆者产⽣的热量相等，那么这个直流电的电压，就是交流电的有效电压。
- 我们平时聊天所说到的、⽤电器说明书上写的、电表所测到的，都是有效电压，即：220V。家庭用电的 220V 指的是交流电的有效电压。
- 什么是峰值电压？—— 交流电在⼀个周期中达到的最⼤电压值，220V 交流电的峰值电压为：$200\sqrt {2}$，约为：311V，如图所示。
- 50hz 指的是交流电的频率
- 50hz 的含义是交流电在 1 秒钟内完成了 50 个周期（每个周期包含两次电流⽅向变化，所以对于 50Hz 的交流电来说，1 秒钟内电流的⽅向变化了 100 次）。
- 220V 指的是交流电的有效电压
整流与逆变：
- 什么是整流？—— 交流（AC） → 直流（DC）
- 什么是逆变？—— 直流（DC） → 交流（AC）
- 在⽣活中很多的电器，都是将交流转换成直流后⼯作的（参考下图），例如：电脑、⼿机、路由器等，因为直流电更加稳定，适合精密电路。
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弱电与强电
弱电：
- 弱电的电压⼀般较低，⾏业规定安全电压为不⾼于 36V。
- 弱电通常⽤于直流电路（3.3V、5V、12V），弱电也能于信号传递，例如：⾳频和视频线路、⽹络线路、电话线等（参考下图）。
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强电：
- 强电的电压⼀般很⾼，对人体危害较大，必须采取防护措施，例如：220V 的家⽤电、1000V 及以上的⾼压电。
- 强电常⽤于能源传输或者高功率供电（参考下图）。
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通过人体电流的大小，直接决定了电击的危险性：
- 感知电流：能引起人感觉的最小电流，约 0.7mA ~ 1.1mA 左右，有很轻微的刺痛感，但不会造成伤害。
- 摆脱电流：能自主摆脱的最大电流，约 10mA ~ 16mA 左右，会有明显的肌肉收缩，不要持续接触。
- 致命电流：能在短时间内危及生命的最小电流，约为 50mA 左右，明显的呼吸困难、心脏产生室颤。
特别注意
⼤家⼀定要注意⽤电安全，⼀般弱电平台⽤⼿直接触摸不会造成⼈身危险；但是强电平台 ⼀定不能⽤⼿直接触摸，会有⽣命危险！
家庭电路
本节属于电⼯学内容，但也属于电学相关的常识性内容，不必深究，了解⼀下就可以。
- 家庭电路中的『保护接地』，是如何保护我们的？
- (1) 发电⼚系统会通过⼀个接地点，将零线连接到⼤地，这是电⼒系统中⼀个重要的设计， 其⽬的是：
- 保证电压稳定：将零线电压锁定为地电位（0V）。
- 提供保护：在发⽣故障时，接地可以快速引导电流回到地，触发保护装置（如断路器）。
- (2) 为什么触摸⽕线很危险？
- ⽕线为 220V，地为 0V，身体与地之间构成回路，导致电流流过身体，很危险！
- 人体触电时，电流的整体路径是：⽕线（220V）→ 人体 → 地 → 零线（0V，接地）→ 发电⼚。
- (1) 发电⼚系统会通过⼀个接地点，将零线连接到⼤地，这是电⼒系统中⼀个重要的设计， 其⽬的是：
- 无地线 + 人体触电（致命危险）
- 接地线 + 人体触电（非致命危险）
- 断路器 + 接地线 + 人体触电（安全）
特别注意
特别注意，家庭⽤电属于强电！禁⽌⾃⼰操作强电！也禁⽌⽤⾃⼰的身体去验证各种结论！
串联与并联
串联电路
并联电路
串并联练习
- 电路图 1，请分析 A、B、C 三点电压分别是多少？答案是：A 点 9V，B 点 3V，C 点 0V，点击查看图解分析。
- 电路图 2，请分析 A、B、C 三点电压分别是多少？答案是：A 点 4V，B 点 1V，C 点 0V，点击查看图解分析。
- 电路图 3，请分析 A、B、C 三点电压分别是多少？答案是：A 点 10V，B 点 8V，C 点 4V，点击查看图解分析。
电路仿真软件
- 串联电路和并联电路可以使用开源电路仿真软件 CircuitJS1 进行模拟和分析。CircuitJS1 是基于 Paul Falstad 的 Circuit Simulator 开发的 JavaScript 版本。
- 其他的 CircuitJS1 开源衍生版本有：pfalstad/circuitjs1、SEVA77/circuitjs1。
电功率
概念：
- 电功率⽤于衡量电流在单位时间内所做的功（⽤来表示⽤电器消耗电能快慢的物理量）。
单位：
- 瓦特（简称瓦），符号是 W。
单位换算：
- 进位为 1000，例如： 1kW = 1000W。
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- 进位为 1000，例如： 1kW = 1000W。
公式：
- $P = U I$
U为电压，单位为V（伏）I为电流，单位为A（安）P为功率，单位为W（瓦）
- $P = U I$
常⻅⽤电器的功率
瓦时 VS 千瓦时
- ⼆者都是表示电能的⼀种单位。
- 瓦时：
- 瓦时是功率（W）与时间（h）的乘积，即：
瓦时 = 功率 × 时间 - ⼀个 1W 的⽤电器，⼯作 1h ，它消耗的电量就是 1 瓦时（1Wh）。
- 瓦时是功率（W）与时间（h）的乘积，即：
- 千瓦时：
- 千瓦时是瓦时的千倍，通常⽤于描述⼤型电⼒设备，如电表读数、新能源汽⻋等。
- ⼀个 1kW 的电器⼯作 1h ，它消耗的电量就是 1 千瓦时（1kWh，俗称 1 度电）。
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安时 VS 毫安时
- ⼆者都是描述电池容量的单位。
- 安时：
- 表示该电池能以 1A 的电流持续⼯作 1h，通常⽤于描述⼤容量的电池。
- 毫安时：
- 安时的千分之⼀，通常⽤于描述⼩容量的电池。
- 例如：
- 华为『Mate70 Pro』⼿机电池的容量为 5700mAh ，充电宝的电池容量为 20000mAh。
- 有些时候我们也省略
h，直接说：⼿机的电池容量和为 5700mA，充电宝电池容量为：20000mA。![]()
焦⽿定律
概念：
- 电流通过导体产⽣的热量与电流的平⽅成正⽐，跟导体的电阻成正⽐，跟通电时间成正⽐。
单位：
- 单位：焦⽿（简称焦），简称 J。
公式：
- $Q = I^2 R t$
Q为热量，单位为：J（焦⽿）I为电流，单位为：A（安培）R为电阻，单位为：Ω（欧姆）t为时间，单位为：s（秒）
- $Q = I^2 R t$
例如：
- ⼀根 60Ω 的电阻丝接在 36V 的电源两端，在 5 分钟内共产⽣多少热量？答案是：$ \left (\frac {36\ \text {V}}{60\ \Omega} \right)^2 \times 60\ \Omega \times 5\ \times 60\ = 6480\ \text {J} $
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- ⼀根 60Ω 的电阻丝接在 36V 的电源两端，在 5 分钟内共产⽣多少热量？答案是：$ \left (\frac {36\ \text {V}}{60\ \Omega} \right)^2 \times 60\ \Omega \times 5\ \times 60\ = 6480\ \text {J} $
注意：
- 电路通过导体时，如果电能全部转化为内能，⽽没有同时转化为其他形式的能量，那么电流产⽣的热量就等于消耗的电能，但实际上：只有纯电阻电路，才能把电能完全⽤于产⽣热量！
- 对于纯电阻电路来说，消耗的电能全部⽤于转化热量，所以可以推导出如下公式：
- 功率计算公式：$P = \frac {U^2}{R}$，$P = I^2 R$
- 热量计算公式：$Q = U I t$，$Q = P t$
公式总结
特别注意
- 功率计算公式（$P = U I$）与焦耳定律（$Q = I^2 R t$）是原始公式，适用于所有电路。
- 欧姆定律（$I = \frac {U}{R}$）有局限性，仅适用于纯电阻电路（或者说纯电阻元器件、纯电阻设备）。
