--- title: 基本物理量与定律 url: https://doc.liz6.com/hardware/01-basic-electricity/01-basic-physical-quantities-and-laws locale: zh area: hardware tags: - hardware - 基础电学 date: 2026-06-30 modified: 2026-07-11 description: 基本物理量与定律电荷与电场电荷 (Charge) 电场 (Electric Field) --- 三大基本量电压 (Voltage) 电流 (Current) 电阻 (Resistance) 电导 (Conductance) --- 核心定律欧姆定律 (Ohm's Law) 功率 (Power) --- 基尔霍… --- # 基本物理量与定律 ## 电荷与电场 ### 电荷 (Charge) ``` 符号: Q 单位: 库仑 (C) 定义: 物质的基本属性，有正负两种 1 个电子电荷: e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C 1 C = 6.24 × 10¹⁸ 个电子电荷同性相斥，异性相吸 ``` ### 电场 (Electric Field) ``` 符号: E 单位: V/m (伏特/米) 定义: 单位正电荷所受的力公式: E = F / q F = k × Q₁Q₂ / r² (库仑定律, k = 9×10⁹ N·m²/C²) ``` --- ## 三大基本量 ### 电压 (Voltage) ``` 符号: V 或 U 单位: 伏特 (V) 定义: 两点间的电位差，推动电荷流动的"压力" 类比: 水压 — 水位差越大，水流越猛 1 V = 1 J/C (移动1库仑电荷做1焦耳的功) ``` ### 电流 (Current) ``` 符号: I 单位: 安培 (A) 定义: 单位时间内通过导体截面的电荷量公式: I = ΔQ / Δt 类比: 水流 — 单位时间流过管道的水量方向: 正电荷流动方向 (实际电子反向流动) ``` ### 电阻 (Resistance) ``` 符号: R 单位: 欧姆 (Ω) 定义: 阻碍电流流动的特性决定因素: R = ρ × L / A ρ: 电阻率 (Ω·m) L: 长度 (m) A: 截面积 (m²) 类比: 水管粗细和长度 — 越细越长，阻力越大 ``` ### 电导 (Conductance) ``` 符号: G 单位: 西门子 (S) 公式: G = 1 / R ``` --- ## 核心定律 ### 欧姆定律 (Ohm's Law) ``` V = I × R I = V / R R = V / I 三者知其二，可求第三个。适用于线性电阻；半导体器件不适用！ ``` ### 功率 (Power) ``` P = V × I (通用) P = I² × R (电阻发热 — 焦耳定律) P = V² / R 单位: 瓦特 (W) 能量: W = P × t (焦耳 J，电费按 kWh) ``` --- ## 基尔霍夫定律 ### KCL — 电流定律 (节点) ### KVL — 电压定律 (回路) ``` 闭合回路中，各段电压的代数和为零 ┌── R1 ──┬── R2 ──┐ │ +V1 -│ +V2 - │ │ │ │ └── Vs ──┴────────┘ Vs - V1 - V2 = 0 即: ΣV = 0 (沿回路一周) 本质: 能量守恒 (电场是保守场) ``` ### 应用示例 ``` R1=2Ω R2=3Ω ┌────┤├───────┤├────┐ │ │ ─┼─ Vs=10V R3=5Ω ─┼─ │ │ │ └────────────────────┘ KCL (节点A): I1 = I2 + I3 KVL (回路1,左): 10 - 2I1 - 5I3 = 0 KVL (回路2,右): 5I3 - 3I2 = 0 解联立方程 → I1=2A, I2=1.25A, I3=0.75A ``` --- ## 电路基本结构 ### 串联 (Series) ``` R1=2Ω R2=3Ω R3=5Ω ──┤├──────┤├──────┤├── 等效电阻: Rt = R1 + R2 + R3 = 10Ω 电流: 各处相同 It = I1 = I2 = I3 电压: Vt = V1 + V2 + V3 (分压) ``` ### 并联 (Parallel) ``` ──┬──┤├──┬── │ R1 │ ├──┤├──┤ │ R2 │ ──┴──┤├──┴── 等效电阻: 1/Rt = 1/R1 + 1/R2 Rt = (R1×R2)/(R1+R2) (两个时) 电流: It = I1 + I2 (分流) 电压: 各处相同 Vt = V1 = V2 ``` ### 混联 ``` 先化简并联部分 → 再按串联处理由内向外逐步化简 ``` --- ## 常见前缀 | 前缀 | 符号 | 倍数 | 例子 | |------|------|------|------| | 太 | T | 10¹² | 1TB | | 吉 | G | 10⁹ | 1GHz | | 兆 | M | 10⁶ | 1MΩ | | 千 | k | 10³ | 1kΩ | | - | - | 10⁰ | 1V | | 毫 | m | 10⁻³ | 1mA | | 微 | μ | 10⁻⁶ | 1μF | | 纳 | n | 10⁻⁹ | 1ns | | 皮 | p | 10⁻¹² | 1pF | --- ## 常见信号波形 | 波形 | 特征 | 典型应用 | |------|------|----------| | 直流 (DC) | 恒定不变 | 电源、偏置 | | 正弦波 | V(t)=A·sin(2πft+φ) | 交流电、射频 | | 方波 | 高低交替 | 时钟、PWM | | 三角波 | 线性升降 | 扫描、音频合成 | | 脉冲 | 短暂突变 | 触发、复位 | ### 交流参数 ``` 峰值 Vp: 最大值峰峰值 Vpp: 正负峰间距离 = 2×Vp 有效值 Vrms: 正弦波 = Vp/√2 ≈ 0.707Vp (热效应等效直流值) 频率 f: 每秒周期数 (Hz) 周期 T: T = 1/f 角频率 ω: ω = 2πf ``` --- *关键词: 电压, 电流, 电阻, 欧姆定律, KVL, KCL, 功率, 串联, 并联, 交流, 有效值*