实用电子学/基础理论

静电荷

静电是指积累在绝缘材料上的静止电荷。

电荷

通常情况下，所有物质都是中性的，或者它们的净电荷为零。当一个物体失去或获得一个电子时，该物体将变得带正电或带负电。

$Matter+e\to -$

$Matter-e\to +$

所有电荷都具有一定的电荷量，称为电荷量，用 Q 表示，单位为库仑 (C)。一个电场由电场线组成，向外或向内辐射。对于负电荷，电场线向内辐射，而对于正电荷，电场线向外辐射。电场用 E 表示，单位为 N/C。

负电荷，$-Q=\longrightarrow -Charge\longleftarrow$

正电荷，$+Q=\longleftarrow +Charge\longrightarrow$

电荷根据库仑定律相互作用。

同种电荷互相排斥。异种电荷互相吸引，即负电荷吸引正电荷

电

电荷之间的相互作用会导致电荷之间产生排斥力或吸引力。这种排斥力或吸引力导致了电。

静电力

静电力或库仑力是两个异种电荷之间的吸引力。对于两个位于平面上一条直线上的不同极性的静止点电荷。这两个点电荷之间的吸引力可以用库仑定律计算。

$F=k{\frac {Q_{+}Q_{-}}{r^{2}}}$

F，静电力

k，吸引常数

r，间距

电动力

电动力由电势产生

电荷与电力

如果存在一个电力使静止电荷做直线运动，从而导致电荷流动，称为电流，那么可以使用安培定律计算电场。

F = E Q

$E={\frac {F}{Q}}$

$I={\frac {Q}{t}}$

电荷与磁力

如果存在一个磁力可以改变运动电荷的方向，使其垂直于运动电荷的初始方向，使得正电荷垂直向上移动，而负电荷垂直向下移动，则可以使用洛伦兹定律计算磁场。

F = B v Q

$B={\frac {F}{vQ}}$

电磁力

作用在运动电荷上的总力是安培定律计算出的电力与洛伦兹定律计算出的磁力的总和。安培力与洛伦兹力的总和称为电磁力。

F = E Q + B v Q = Q ( E + v B )

物质和电力

与电力相互作用的物质分为三类：导体、非导体、半导体，这取决于电流在物质中流动的难易程度。

• 导体

所有允许电流轻松流动的物质都被称为导体。例如，所有金属，如锌 (Zn)、铜 (Cu) 都被用来制造导体。

• 非导体

所有不允许电流流过的物质被称为非导体。例如，橡胶。

• 半导体

所有允许电流流过导体和非导体之间的物质被称为半导体。例如，硅 (Si)、锗 (Ge)。

导体和电力

当将导体与封闭回路中的电力源连接起来时，电力的作用力会施加压力，使导体中的电荷以直线运动。电力的压力被称为电压，用 V 表示，单位为伏特 (v)。电荷在导体中的直线运动被称为电流，用 I 表示，单位为安培 (A)。

电压

电压定义为使导体中电荷沿直线运动的电力势差，并通过电荷所做的功与电荷的比值计算得出。势差越大，电荷的流动量就越大。它出现在电路中的一对点之间，例如电池的两端。

电压用 V 表示，单位为伏特 (V)，公式如下所示：

$V={\frac {W}{Q}}$，其中$Voltage={\frac {Joule}{Charge}}$

电流

电流定义为一定时间内流过导体某一截面的电荷流动速率，并通过电荷流动速率与时间的比值计算得出。电流用 I 表示，单位为安培 (A)，公式如下所示：

$I={\frac {Q}{t}}$，其中$Ampere={\frac {Charge}{Time}}$

功率

功率定义为功与时间的比值，并通过电压和电流的乘积计算得出。功率用 P 表示，单位为瓦特或伏安 (VA)，公式如下所示：

$P=VI={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}={\frac {W}{t}}=E$，其中$Watt=Voltage*Ampere$

电阻

电阻定义为导体上的电压除以流过的电流，并通过电压除以电流计算得出。它也是导体的一种属性，当电流通过时，它会阻碍电流的通过，从而导致电能转化为热能。
电阻用 Ω 表示，单位为欧姆 Ω，公式如下所示：
$R={\frac {V}{I}}$，其中$Resistance={\frac {Voltage}{Ampere}}$

电阻与温度

观察发现，导体的电阻会随着温度的变化而改变
$R2=R1*[\alpha 1+(T2-T1)]$ 其中
R1 = 导体在温度 T1 时的电阻
R2 = 导体在温度 T2 时的电阻
α1 = 材料的温度系数
T1 = 指定 α1 的参考温度
T2 = 导体的当前温度

电阻与电能损耗

此外，当电阻为 R 的导体通电时，导体会向周围环境释放热能，导致电能损耗，而电能损耗与导体的电阻成正比

$P_{R}=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}$

没有能量损耗时，供电功率为 P_i

$P_{i}=VI$

有能量损耗 P_R，称为功率损耗或耗散功率

$P_{R}=V_{R}I_{R}=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}$

实际供电功率为

$P_{o}=P-P_{R}$

$P_{o}=VI-I^{2}R=I(V-IR)$

$P_{o}=VI-{\frac {V^{2}}{R}}=V(I-{\frac {V}{R}})$

功率传输效率可以计算为实际功率占供电功率的百分比

$n={\frac {P_{o}}{P_{i}}}$

$n={\frac {P_{i}Cos\Theta }{P_{i}}}=Cos\Theta$

$n={\frac {V-IR}{V}}$

$n={\frac {I-{\frac {V}{R}}}{I}}$

电导

电导定义为电流与电压之比。电导用 Y 表示，单位为西门子 (S)，即 1 / Ω

$Y={\frac {I}{V}}$

1S = 1A / 1V