Lesson 01

Basics of Circuits

电路基础

静电讨论电荷停下来以后的分布,电路讨论电荷持续流动时的能量转移。先定义电流和电压,再用电阻描述材料怎样响应它们。

1. Electric current

Electric current 电流是单位时间穿过某个截面的净电荷量:

\[I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}.\]

单位 ampere 安培 \(\mathrm A=\mathrm{C/s}\)。微观粒子即使不断无规则运动,如果没有净电荷流过截面,平均电流也为零;电场使载流子在无规则运动上叠加一个很小的定向漂移。

均匀导体的电流大小可写为 \(I=n|q|Av_d\),这里 \(n\) 是单位体积载流子数、\(A\) 是截面积、\(v_d\) 是漂移速率。电流不是电荷本身,也不是单个电子的速率。接下来约定这个电荷流的方向。

2. Conventional current vs. electron flow

Conventional current 约定电流方向沿正电荷运动方向。金属中的电子带负电,其漂移方向与电流方向相反;两种说法描述同一个过程。

电路方程可以先任意假设各支路的正电流方向,若计算结果为负,真实电流就与假设相反。不能因结果为负就说“没有电流”。

合上开关后,电场与电路响应的传播很快,不需要某个电子先从电池慢慢走完整个回路。载流子漂移与信号传播是不同速率。持续电流需要能量来源,这由电势差描述。

3. Voltage

Voltage 电压是两点间的电势差,\(\Delta V=V_B-V_A\),单位 \(\mathrm V=\mathrm{J/C}\)。电荷跨越两点时,电势能变化为 \(q\Delta V\)。

电源利用化学能等把电荷提升到较高电势能,使外电路可以持续转移能量。Electromotive force 电动势 \(\mathcal E\) 表示电源每单位电荷提供的能量,单位也是伏特,虽然名称含 force,它不是力。

电压必须说明哪两点,不能说“某一点有一个电压”而不说明参考点。理想导线电阻可忽略,两端电势近似相同;这会帮助我们辨认下一部分的节点。

4. Simple circuits

Circuit 电路由电源、导线和用电元件连接而成。节点是理想导线连成的同一电势位置,支路连接节点,闭合路径构成回路。连接关系决定电路,图画得弯曲还是方正不改变它。

闭合回路可以维持电流;断路使该路径不再连续,电流为零,但断口两侧仍可能有电压。短路提供很小电阻的旁路,可能绕过负载,使实际电源承受很大电流。

用简单电路符号代替实物照片,就能徒手看清连接。判断时沿导线找节点,不能仅凭两个元件在纸上“挨着”就说它们串联或并联。现在定义元件的电阻。

5. Resistance and Ohm's law

Resistance 电阻 \(R\) 描述电势差与电流的比值,单位 ohm 欧姆 \(\Omega=\mathrm{V/A}\)。电阻元件的电压降与电流满足

\[|\Delta V|=IR.\]

Ohm's law 欧姆定律作为材料行为规律,要求在给定温度等条件下 \(R\) 近似不变。电阻的比值定义可以用于某个工作状态,但灯丝升温时 \(R\) 变化,不能因此仍把整个 \(I\)–\(V\) 曲线当作直线。

\(V\)–\(I\) 图的斜率为 \(R\),\(I\)–\(V\) 图的斜率为 \(1/R\),先看轴再解释斜率。电阻中电势能转为内能,电流并不是被电阻“消耗”。相同材料的电阻还会随尺寸变化。

6. Resistivity

均匀、横截面固定的导体满足

\[R=\rho\frac LA.\]

Resistivity 电阻率 \(\rho\) 是材料在相应条件下的属性,单位 \(\Omega\,\mathrm m\);\(L\) 是导体长度,\(A\) 是截面积。越长越难导电,横截面越大越容易导电。半径变为两倍、长度不变时,面积变为四倍,电阻降为四分之一。

电阻率会随温度和材料结构变化,不应把所有金属和半导体都当作相同温度趋势。下一课把这些元件连接起来,利用电荷和能量守恒求各支路电流。

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