《电学基础回顾》课件

电学基础回顾欢迎大家参加电学基础回顾课程电学是物理学中研究电现象的重要分支，它为我们理解现代科技提供了基础知识在这门课程中，我们将系统地回顾电学的基本概念、原理和应用，帮助大家巩固已有知识，为进一步学习打下坚实基础从电荷和电场的基本概念，到电路分析和电磁感应，再到现代电子技术的应用，这门课程将带领大家重温电学的精彩世界希望通过这次回顾，能够激发大家对电学更深入的兴趣和思考课程目标强化基础知识系统回顾电学基本概念、定律和原理，建立完整知识体系培养实践能力掌握电学测量工具的使用方法，提高解决实际问题的能力拓展应用视野了解电学在现代科技中的广泛应用，激发学习兴趣为进阶学习做准备为后续深入学习电子学、电路分析等相关课程打下基础电学发展简史古代探索时期1公元前年，古希腊人发现琥珀摩擦后能吸引轻小物体，电字源于希腊语600中的琥珀（）elektron科学基础奠定期2世纪，富兰克林提出电荷守恒定律，库仑建立了静电力定律，伏特发明了18第一个电池电磁理论发展期3世纪，法拉第发现电磁感应现象，麦克斯韦建立了电磁场理论，为现代电19学奠定理论基础电气化应用期4世纪末至今，爱迪生发明实用白炽灯，特斯拉贡献交流电系统，电学逐渐19深入应用到人类社会各个领域电荷电荷的定义正负电荷电荷是物质的一种基本属性，是产生电场和电磁相互作用的物理电荷分为正电荷和负电荷两种它们是根据带电体间的相互作用量电荷是物质内在的一种特性，就像质量是物质的基本属性一来区分的同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引样在原子结构中，质子带正电，电子带负电，中子不带电当物体电荷的基本单位是库仑（），一个电子所带的电荷量为失去电子时带正电，获得额外电子时带负电这种正负电荷的概C-，这个数值被称为元电荷物体带电是由于念为理解各种电学现象提供了基础

1.602×10^-19C电子的得失或转移造成的电荷守恒定律定律内容电荷守恒定律是电学中的一个基本定律，它指出在一个孤立系统中，电荷的代数和保持不变，即电荷不会凭空产生或消失，只能从一个物体转移到另一个物体数学表达若系统中有个带电体，总电荷为₁₂，则无论系统内部如何相互作用，n Q=q+q+...+qₙ总电荷的值始终保持不变Q物理意义电荷守恒定律反映了自然界中电荷这一物理量的基本特性，它与能量守恒定律、动量守恒定律等一起，构成了物理学中重要的守恒定律体系应用实例摩擦起电时，两个物体一个带正电，一个带负电，但总电量代数和保持为零；电池放电过程中，电荷在回路中流动，但系统总电荷保持不变库仑定律数学表达式₁₂，其中为库仑常数，在真空中约为F=k·|q·q|/r²k9×10⁹N·m²/C²物理含义两个点电荷之间的相互作用力与两电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比力的方向同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引，作用力方向沿连接两电荷的直线应用价值库仑定律是电学理论的基础，是分析静电力、建立电场理论的出发点电场电场的概念电场强度电场是带电体周围空间的一种特殊状态，是电荷之间相互作用的电场强度是描述电场强弱的物理量，定义为单位正电荷在该点所媒介当一个电荷放入另一个电荷的周围时，它会受到力的作用，受的电场力，用符号表示其单位是牛顿库仑或伏特米E/N/C/这种作用是通过电场传递的V/m电场是一种矢量场，具有大小和方向我们通常用电场线来描述点电荷在距离处产生的电场强度为，其中为库仑常q rE=k·q/r²k电场，电场线的切线方向表示电场方向，电场线的疏密程度表示数对于多个电荷产生的电场，满足叠加原理电场强度的大小₁₂电场强度是研究电学问题的基本物理量E=E+E+...+Eₙ电势和电势差电势的定义电势差的概念计算方法电势是电场中一点的标量特电势差是两点间的电势之差，点电荷在距离处的电势为q r性，定义为单位正电荷从无表示单位正电荷从一点移动对于多个电荷，φ=k·q/r穷远处移动到该点所做的功到另一点电场力所做的功电势满足叠加原理与电荷量的比值电势的单电势差也称为电压，是电路₁₂电势φ=φ+φ+...+φₙ位是伏特分析中的重要概念差V UAB=φA-φB实际应用电势和电势差概念在电路分析、电容器工作原理、静电加速器等领域有广泛应用，是理解电能转换的关键静电静电现象静电现象是电荷在绝缘体上积累并保持静止状态时产生的物理现象我们在日常生活中经常遇到的例子包括衣物相互吸附、摩擦后头发竖起、触摸金属物体时的轻微电击感等静电产生原理静电主要通过摩擦起电、接触起电和感应起电三种方式产生当两种不同材料接触后分离时，电子会从一种材料转移到另一种材料，导致两者带上相反的电荷静电感应静电感应是带电体使附近导体上的电荷重新分布的现象当带电体靠近导体时，导体中的自由电子会移动，导致导体的一端带正电，另一端带负电，尽管导体整体仍然保持电中性静电应用静电现象在许多现代技术中有应用，如复印机和激光打印机中的静电成像技术、静电除尘器、静电喷涂等同时，在某些情况下静电也需要被防护，如电子元件制造和易燃易爆环境电容器结构原理电容器是由两个彼此靠近的导体（称为电极或极板）组成，电极电容器的工作原理基于电荷分离和存储当电容器连接到电源时，之间填充绝缘材料（称为电介质）根据形状不同，常见的电容电源将电子从一个极板推向另一个极板，使一个极板带正电，另器有平行板电容器、圆柱形电容器和球形电容器等一个带负电，两极板上的电荷量相等但符号相反电容器的结构特点是导电极板与电介质交替排列，为了增大电电容器的容量（电容量）定义为，其中是电荷量，是C=Q/U QU容量，现代电容器往往采用多层结构或特殊的几何形状设计，同两极板间的电压电容的单位是法拉电容器能够储存电能，F时根据用途不同可选择各种电介质材料这种储能特性使其在电路中有广泛应用电流⁸1A

6.25×10¹基本电流单位每秒通过的电子数安培是国际单位制中电流的基本单位，定义为恒1安培电流相当于每秒有约

6.25×10¹⁸个电子通定电流在真空中相距米的两根无限长平行直导过导体的任一横截面1线之间产生2×10⁻⁷牛顿/米的力1C/s电荷流动率安培的电流表示每秒有库仑的电荷通过导体11横截面，体现了电流的物理本质是电荷的定向移动电流是指电荷的定向移动，它是描述电荷流动的物理量在金属导体中，电流由自由电子的定向移动构成；在电解质溶液中，电流由正负离子的定向移动构成；在半导体中，则由电子和空穴共同构成电流的方向传统电流方向传统电流方向定义为正电荷流动的方向，从电源正极流向负极实际电子流动在金属导体中，实际上是电子从电源负极流向正极，方向与传统电流相反电路分析约定尽管实际电子流动方向与传统定义相反，但电路分析中仍使用传统电流方向实际应用考虑在半导体、电解质等情况下，电流可能由多种带电粒子共同构成，传统电流方向约定简化了分析电压定义电压是两点之间的电势差，表示单位正电荷从一点移动到另一点时，电场力所做的功电压反映了电能在电路中的推动力，是促使电流在电路中流动的动力单位电压的国际单位是伏特，伏特等于焦耳库仑，即单位正电荷获得焦耳能V11/J/C1量时的电势差实际应用中还有千伏、毫伏等单位kV mV测量方法电压通常用电压表测量，电压表应并联在被测量的两点之间理想电压表内阻无穷大，不会影响被测电路的正常工作实际应用日常生活中常见的电压有家用电源中国、接口、干电池等电220VUSB5V

1.5V压是电路设计、用电安全和能源传输的关键参数电阻基本定义单位和符号电阻是导体阻碍电流通过的物理量，表电阻的国际单位是欧姆，符号为ΩR示导体对电流通过难易程度的度量电大电阻常用千欧和兆欧表示，kΩMΩ阻越大，在相同电压下通过的电流越小小电阻则用毫欧表示mΩ实际应用影响因素电阻元件广泛应用于电路中，用于限流、导体的电阻与材料的电阻率、长度、横分压、保护电路和信号处理等电热器、4截面积和温度有关温度升高时，金属白炽灯等利用电阻发热效应工作导体电阻增大，而半导体电阻减小欧姆定律数学表达式或或I=U/R U=IR R=U/I1物理含义导体中的电流与两端电压成正比，与电阻成反比应用范围适用于欧姆导体，如金属，在恒温条件下3局限性不适用于非线性元件如二极管、热敏电阻等欧姆定律是电学中最基本的定律之一，由德国物理学家欧姆于年提出它揭示了电流、电压和电阻三个物理量之间的数量关系，为电路分析1827和设计提供了理论基础欧姆定律表明，在给定电阻的情况下，电流与电压成正比；在给定电压的情况下，电流与电阻成反比电阻与导体特性的关系串联电路连接特点元件首尾相连，形成单一通路，电流只有一条路径电流特性电路中各点电流相等₁₂I=I=I=...=Iₙ电压分配总电压等于各元件电压之和₁₂U=U+U+...+Uₙ等效电阻总电阻等于各电阻之和₁₂R=R+R+...+Rₙ串联电路是基本的电路连接方式之一，其特点是各元件依次连接，电流只有一条路径在串联电路中，如果一个元件断开，整个电路将中断这种特性在圣诞树灯串等应用中可以明显观察到，一个灯泡损坏会导致整串灯不亮串联电路的分压特性使其广泛应用于分压电路、电压测量和保护电路等场景例如，多量程电压表就是利用串联电阻来扩展测量范围的并联电路连接方式电压特性并联电路中，所有元件的两端分别连接在电路的同两个节点上，并联电路中各元件两端的电压相等₁₂U=U=U=...=为电流提供多条路径这种连接方式使得每个元件都直接连接到这一特性确保了无论元件参数如何，它们都工作在相同的Uₙ电源，共享相同的电压电压环境下电流分配等效电阻计算总电流等于各支路电流之和₁₂电流在并联电路的等效电阻符合公式₁₂I=I+I+...+I1/R=1/R+1/R+...+ₙ各支路中的分配遵循水流分支原理，电阻越小的支路电流越大，总是小于任何一个分支电阻值两个电阻并联时，1/R R=ₙ₁₂₁₂R×R/R+R串并联混合电路识别电路结构首先观察并辨别电路中的串联部分和并联部分，确定电路的拓扑结构复杂电路可以分解为多个简单的串联或并联子电路简化并联部分对于并联连接的元件，计算其等效电阻₁₂1/R_eq=1/R+1/R将每组并联元件替换为一个等效电阻+...+1/Rₙ简化串联部分对于串联连接的元件，计算其等效电阻₁₂R_eq=R+R+...+将每组串联元件替换为一个等效电阻Rₙ逐步求解电路反复应用串并联简化，直至整个电路简化为一个等效电阻然后利用欧姆定律和基尔霍夫定律，从整体到部分逐步计算各部分的电流和电压基尔霍夫电流定律节点定义数学表达物理原理节点是电路中三条或在任何节点处，流入基于电荷守恒原KCL三条以上导线连接的节点的电流总和等于理，反映了节点处电点基尔霍夫电流定流出节点的电流总和，荷不能积累的事实律（）主要应用可表示为流入电路中的电荷既不会KCL∑I_于分析节点处的电流流出，或凭空产生，也不会消=∑I_∑I=分配情况（流入为正，流出失，只能流动0为负）应用方法在电路分析中，可针对每个节点列出KCL方程，结合其他电路定律（如欧姆定律）求解未知电流和电压这是网络分析的基本方法之一基尔霍夫电压定律闭合回路数学表达适用于电路中的任何闭合回路，无任一闭合回路中，电压的代数和为零KVL论其形状和包含的元件数量∑U=02能量守恒电压方向体现了能量守恒原理，闭合回路中计算时需明确电压的参考方向，顺着假KVL能量不会凭空产生或消失设电流方向的电压降为正，电压升为负基尔霍夫电压定律（）是电路分析的基本定律之一，由德国物理学家基尔霍夫于年提出该定律与基尔霍夫电流定律一起，构KVL1845成了分析复杂电路的理论基础实际上是静电场环路积分为零的推广，反映了电势是位势函数的特性KVL电功W J电功符号国际单位电功用符号W表示，表示电流在电路中所做的功电功的国际单位是焦耳J，1焦耳=1伏特×1安培×1秒kW·h实用单位实际生活中常用千瓦时kW·h，1千瓦时=

3.6×10⁶焦耳电功是电能在电路中转化的量度，表示电流在电路中所做的功当电荷在电场中移动时，电场力对电荷做功，这个功就是电功电功的计算公式为，其中是电压，是电流，是时间对于恒定电压和电流，电功正比于电压、W=UIt UI t电流和时间的乘积在变化的电路中，电功可以通过积分计算W=∫UIdt电功的物理意义是电能转化为其他形式能量的量度，如热能、机械能、光能等家庭用电表就是测量电功的装置，用来计算用电量和电费电功率定义计算公式电功率是单位时间内电能转换的速率，表示电能在单位时间内转电功率的基本计算公式为，其中是功率，是P=W/t=UI PW化为其他形式能量的快慢功率越大，表示单位时间内能量转换电功，是时间，是电压，是电流单位是瓦特，瓦特t UI W1=1越多焦耳秒/在电学中，功率是评估电气设备效能的重要指标家用电器的额在直流电路中，对于电阻元件，功率还可表示为P=UI=I²R定功率标签告诉我们它在正常工作时的能量消耗速率，如电热水在交流电路中，功率计算需考虑功率因数=U²/R P=器的、电饭煲的等，其中是功率因数2000W800W UI·cosφcosφ焦耳定律数学表达式Q=I²Rt=UIt=U²t/R1热效应原理电流通过导体产生的热量与电流的平方、电阻和时间成正比实际应用电热器、电熨斗、电炉等电热设备的工作原理3能量转换效率电能转换为热能的效率接近，是最高效的能量转换形式之一100%焦耳定律是由英国物理学家詹姆斯焦耳于世纪年代发现的，它描述了电流通过导体时产生热量的规律这一定律揭示了电能转化为热能的数量关系，·1940对于理解电热设备的工作原理和电路的热效应至关重要电源电源是提供电能的装置，是电路中能量的来源根据能量转换原理不同，电源可分为化学电源（电池、燃料电池）、光电源（太阳能电池）、热电源（温差电偶）、机电源（发电机）等电源的主要特性包括电动势（理想无负载情况下的输出电压）、内阻（电源内部的等效电阻）、最大输出功率、稳定性（负载变化时输出电压的稳定程度）和效率（输出电能与输入能量之比）电池原电池（一次电池）蓄电池（二次电池）锂离子电池原电池是不可充电的一次性电池，使用后蓄电池可以通过外部电源充电并重复使用锂离子电池是当前最流行的充电电池类型，需要废弃它们通过不可逆的化学反应将其工作原理是利用可逆的化学反应，在放具有能量密度高、无记忆效应、自放电率化学能转化为电能常见的原电池包括锌电时将化学能转化为电能，充电时将电能低等优点它们广泛应用于手机、笔记本-碳电池（干电池）和碱性电池，广泛应用储存为化学能常见的蓄电池有铅酸蓄电电脑和电动汽车等现代电子设备中，是便于遥控器、手电筒等低功耗设备中池、镍氢电池和锂离子电池等携式电子设备的主要电源电动势基本概念电动势（）是描述非静电力将电荷从低电势移动到高电势的能力，是电源提供能量的量度EMF它表示电源在单位正电荷上做功的能力，单位是伏特V物理本质电动势的本质是非静电场力做功，这种力可以来自化学反应（电池）、磁场变化（发电机）、光照（太阳能电池）或温差（热电偶）等这些力克服静电力，使电荷在电源内部从低电势移动到高电势与电压区别电动势是电源的内在特性，表示理想状态下（开路时）电源两端的电势差而实际电压是考虑了电源内阻压降后的端电压，电压电动势内阻压降（）=-U=E-Ir测量方法电动势可以通过高阻电压表在电源开路状态下测量，或通过测量不同负载下的端电压，然后外推到无负载情况下的值准确测量需要考虑测量仪器对电路的影响内阻和外阻内阻定义外阻影响内阻是电源内部的等效电阻，表示电源内部对电流的阻碍作用外阻是连接在电源外部的负载电阻，表示电路对电流的阻碍作用它源于电源内部材料的电阻、电化学反应的极化效应等因素内外阻与内阻的比值决定了电源的工作状态和效率阻影响电源的输出特性和效率当外阻等于内阻时，电源输出的功率最大，但效率只有当50%理想电源的内阻为零，但实际电源都有一定的内阻内阻越小，外阻远大于内阻时，电源的效率接近，但输出功率较小100%电源的性能越好电池在使用过程中，随着电解质浓度变化和极在实际应用中，需要根据需求平衡功率和效率板老化，内阻会逐渐增大短路和开路短路状态开路状态安全隐患故障诊断短路是指电路中负载电阻开路是指电路中某处断开，短路是严重的安全隐患，在电路故障诊断中，短路接近于零的状态，电流只电流无法形成闭合回路的可能导致电气火灾和设备和开路是两种常见的故障受电源内阻限制短路时，状态开路时，电路中不损坏而某些情况下的开类型通过测量电压、电电流可能达到危险的高值，存在电流，电源两端电压路也可能有安全风险，如流和电阻，可以判断电路导致线路过热、火灾或爆等于电动势电路设计中高压电容断开前未放电，中是否存在短路或开路故炸保险丝和断路器的主的开关就是通过控制开路可能造成触电危险合理障，并定位故障位置要功能就是防止短路危害和闭合来控制电流的流动的电路保护设计至关重要安培定则应用领域安培定则广泛应用于电磁学研究和工线圈的磁场电流元的磁场对于线圈或螺线管，安培定则可以扩程实践中，帮助理解电动机、发电机、右手定则内容对于直线电流，它产生的磁场是一系展为右手握住线圈，四指弯曲指向电磁铁等设备的工作原理，也是设计安培定则，也称为右手定则，是描述列同心圆，磁感线方向遵循右手定则电流方向，则伸直的大拇指指向的是和分析电磁装置的重要工具电流与其产生的磁场方向关系的规则磁场强度与电流成正比，与距离成反线圈内部磁场的北极方向（磁感线从具体来说右手握住导线，大拇指指比安培定则帮助我们确定这些磁感北极出发）向电流方向，其余四指弯曲的方向就线的方向是该点磁感线的环绕方向磁场基本概念磁感线特点磁场是磁体或电流周围的一种特殊状态，磁感线是描述磁场的闭合曲线，从磁体可对其他磁体或载流导体产生力的作用北极出发，经外部空间进入南极地磁场磁场来源地球本身就是一个巨大的磁体，地磁场磁场可由永久磁体、电流或变化的电场为指南针定向提供基础产生，体现了电磁统一性磁场是现代物理学的基本概念之一，与电场一起构成了电磁场的完整描述磁场与电场不同，它不对静止电荷产生作用，而只对运动电荷或电流产生作用磁场的存在使得电磁感应、电动机和发电机等重要技术成为可能电流的磁效应直线电流的磁场螺线管的磁场电磁铁当电流通过直导线时，会在其周围产生同当电流通过螺线管（密绕线圈）时，产生在螺线管中插入铁芯，可以大大增强磁场心圆形状的磁场磁感线方向遵循安培定与条形磁铁类似的磁场螺线管内部磁场强度，形成电磁铁电磁铁的磁性可以通则右手握住导线，大拇指指向电流方向，近似均匀，外部磁场类似于磁偶极子右过控制电流来调节和开关，这使其在电动弯曲的手指指向磁感线方向磁场强度与手握住螺线管，四指指向电流方向，拇指机、发电机、继电器等众多应用中发挥关电流成正比，与距离成反比指向北极键作用磁感应强度基本单位物理定义磁感应强度（也称磁感应或磁场强度）是描述磁场强弱的物理量，磁感应强度定义为垂直于磁场方向运动的单位电荷单位速度所符号为，国际单位是特斯拉特斯拉相当强的磁场，地球受的最大磁场力，即中的值它表征了磁场在空B T1F=qvB·sinθB磁场大约为⁻，医疗设备的磁场强度约为间各点的分布情况，是矢量，有大小和方向5×10⁵T MRI

1.5-3T测量方法计算公式磁感应强度可以通过霍尔效应传感器、磁通门传感器或超导量子直线电流产生的磁感应强度₀；螺线管中心的B=μI/2πr干涉仪等设备测量在实验室中，可以通过测量载流导磁感应强度₀，其中₀是真空磁导率，是单位长度SQUID B=μnIμn体在磁场中受到的力来间接测定磁感应强度的匝数，是电流I洛伦兹力力的表达式洛伦兹力是带电粒子在电磁场中受到的力，表达式为F=qE+v×B，其中q是电荷量，是电场强度，是粒子速度，是磁感应强度在纯磁场中，洛伦兹力简化为E vBF=qv×B力的方向洛伦兹力的方向可以通过右手定则确定右手四指指向粒子速度方向，弯曲的手指指向磁场方向，大拇指所指方向即为正电荷受力方向（负电荷则相反）此力垂直于速度和磁场所在平面粒子运动特点由于洛伦兹力始终垂直于速度，它只改变粒子运动方向而不改变速度大小在均匀磁场中，带电粒子将做圆周运动（当速度垂直于磁场）或螺旋运动（当速度与磁场成一定角度）应用实例洛伦兹力在许多设备中有重要应用，包括回旋加速器（用于粒子物理研究）、质谱仪（用于分析物质成分）、磁约束装置（用于核聚变研究）以及电子显微镜等电磁感应现象电磁感应是电磁学中的一个基本现象，指磁通量变化导致导体回路中产生电动势和电流的现象这一现象由迈克尔法拉第于年发·1831现，是现代电力技术的理论基础电磁感应可以通过多种方式实现移动导体通过静止磁场；在静止导体附近移动磁体；改变通过固定导体回路的磁通量等无论采用哪种方式，只要导体回路中的磁通量发生变化，就会产生感应电动势法拉第电磁感应定律定律内容磁通量概念法拉第电磁感应定律指出导体回路中感应电动势的大小等于穿过该回磁通量定义为垂直穿过某一面积的磁感应强度的积分，单位是韦伯Φ路的磁通量对时间的变化率的负值用数学表达式表示为对于均匀磁场和平面回路，磁通量，其中是磁感E=-WbΦ=BA·cosθB，其中是感应电动势，是磁通量应强度，是面积，是磁场方向与面积法线的夹角dΦ/dt EΦAθ负号含义应用领域公式中的负号表示感应电动势的方向遵循楞次定律感应电流产生的磁法拉第电磁感应定律是发电机、变压器、电磁炉、感应加热、涡流制动场总是阻碍引起感应的磁通量变化这是能量守恒原理的体现，也是电等众多技术的理论基础它揭示了电能和机械能之间相互转换的基本原磁感应现象的核心特征理，推动了电气工程的发展楞次定律能量守恒方向判断楞次定律是能量守恒原理在电磁感应确定感应电流方向时，首先判断磁通中的体现如果感应电流产生的磁场量的变化情况（增加或减少），然后加强原始磁通量的变化，将形成自我确定感应电流产生的磁场应该与这种增强的正反馈，违背能量守恒原理变化相反，最后根据右手定则确定电定律内容楞次定律指出电磁感应产生的电流，流方向应用实例其磁场总是阻碍引起感应的磁通量的楞次定律解释了许多现象，如磁阻尼、变化简单来说，感应电流的方向总涡流制动、金属探测器的工作原理等是使其产生的磁场抵抗原始磁场的变它也是电磁感应相关设备设计中必须化考虑的关键原理4自感和互感自感现象互感现象自感是指导体中电流变化引起自身磁通量变化，进而在导体中产互感是指一个导体中电流变化引起邻近导体中磁通量变化，从而生感应电动势的现象当电路中电流变化时，其产生的磁场也随在邻近导体中产生感应电动势的现象当原线圈（初级线圈）中之变化，这种变化的磁场会在导体本身产生感应电动势，阻碍原电流变化时，其产生的磁场变化会穿过次级线圈，在次级线圈中电流的变化产生感应电动势自感系数定义为单位电流变化率产生的感应电动势，单位是亨利互感系数定义为初级线圈单位电流变化率在次级线圈中产生的L M感应电动势自感系数与导体的几何形状、感应电动势，单位也是亨利感应电动势₂₁H E=-L·dI/dt HE=-M·dI/dt尺寸和周围介质有关线圈的自感系数与匝数的平方成正比互感系数与两线圈的几何位置、形状和周围介质有关变压器正是利用互感原理工作的变压器工作原理变压器基于电磁感应原理，利用互感现象实现交流电的电压转换基本结构由铁芯和绕在其上的原边线圈（初级线圈）和副边线圈（次级线圈）组成变压关系电压比等于线圈匝数比₁₂₁₂，电流比与匝数比成反比₁₂₂₁3U/U=N/N I/I=N/N应用场景电力传输、电源适配器、电子设备中的电压转换等领域广泛应用4变压器是利用电磁感应原理工作的静止电气设备，能够改变交流电的电压理想变压器的能量转换效率为，但实际变压器由于铁损（涡流损耗和磁滞损100%耗）和铜损（绕组电阻发热损耗）存在一定能量损失变压器在电力系统中扮演着至关重要的角色，使电力的高效远距离传输成为可能电动机工作原理基本结构主要类型电动机的工作原理基于载流导电动机主要由定子（产生磁场直流电动机工作电源为直流，体在磁场中受到洛伦兹力作用的部分）和转子（带电流的线结构简单，调速性能好；交流当电流通过线圈时，线圈在外圈或导体）组成根据结构和电动机工作电源为交流，包部磁场作用下产生力矩，进而工作原理不同，还包括换向器、括同步电动机和异步电动机，产生旋转运动，实现电能到机电刷、轴承等部件效率高，维护简单械能的转换应用领域电动机广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器等领域从小型精密仪器中的微型马达到大型工业设备和电动汽车中的大功率电机，应用范围极广发电机工作原理结构组成主要类型发电机是将机械能转换为电能的设备，其发电机主要由定子（通常含有输出绕组）、直流发电机输出直流电，含有换向器；工作原理基于法拉第电磁感应定律当导转子（通常含有磁场系统）、轴承系统和交流发电机输出交流电，分为同步发电体（通常是线圈）在磁场中运动或磁场在冷却系统组成不同类型的发电机结构有机和异步发电机此外，还有特殊用途的导体周围变化时，导体中就会产生感应电所不同，但基本工作原理相似发电机，如脉冲发电机、感应发电机等动势，形成电流交流电基本定义交流电是指电流方向随时间周期性变化的电流标准的交流电通常是正弦波形，其电压和电流随时间按正弦规律变化主要参数交流电的主要参数包括频率（每秒钟完成的周期数，单位赫兹）、周期Hz（完成一次完整变化所需的时间）、振幅（最大值）、有效值（等效热效应的直流电值）和相位（波形所处的状态）主要优势交流电的主要优势在于便于升降压（通过变压器），有利于远距离输电；发电和使用设备（如交流电动机）结构简单；能够通过电容、电感等元件进行功率因数校正应用领域交流电是现代电力系统的基础，广泛应用于电力传输、工业生产和民用电器中全球大部分地区使用或的交流电作为电力供应标准50Hz60Hz直流电基本特点直流电是指方向不随时间变化的电流，电子沿固定方向流动直流电可以是恒定值，也可以随时间变化但不改变方向的电流（如脉动直流）直流电的极性保持不变，由正极流向负极主要来源直流电的主要来源包括化学电源（电池、燃料电池）、太阳能电池、交流电经整流后的直流电源以及热电偶等在现代电子设备中，大多数直流电来自交流电经过变压、整流和滤波后获得应用优势直流电在某些应用中具有优势适合电化学过程（如电镀、电解）；便于能量存储（电池）；某些设备（如计算机、手机）需要稳定的直流电源；高压直流输电在特定情况下比交流输电更经济典型应用直流电广泛应用于电子设备、通信系统、电动汽车动力系统、计算机及周边设备、照明LED以及长距离海底电缆和跨国输电等领域电路图基本符号电源由一长一短两条平行线表示，长线代表正极，短线代表负极电阻由锯齿线或矩形框表示，阻值标注在旁边电容器由两条平行短线表示，极性电容器会标明正负极电感器由一系列连续的半圆弧或线圈表示二极管由一个三角形接一条线表示，指示电流单向导通方向晶体管由一条线和箭头组成，分为型和型两种NPN PNP符号开关由可连接或断开的导线表示，断开和闭合状态有不同表示法接地由一系列长短不一的平行线表示，是电路中的参考点电路图是用标准化的符号表示电路组成和连接的图形，是电子和电气工程中不可或缺的工具掌握电路图符号及其含义，是理解和分析电路的基础不同国家和行业可能有略微不同的符号标准，但基本含义相同电表的使用电流表电压表电流表用于测量电路中的电流，应串联在被测电路中使用时需电压表用于测量电路中两点间的电压，应并联在被测两点之间先选择合适的量程（从大到小调整），然后断开电路，将电流表使用时同样需先选择合适的量程，然后将电压表的两个探针分别串联到电路中，注意极性（红色接正，黑色接负）接触被测电路的两点，注意极性理想电流表内阻为零，实际电流表有较小的内阻使用中应注意理想电压表内阻为无穷大，实际电压表有较大的内阻使用注意勿将电流表并联到电路中；测量前关闭电源；先选大量程，再逐事项确保量程大于被测电压；红色探针接高电位点，黑色探针步调小；使用完后将量程开关置于最大位置接低电位点；使用时保持稳定接触；测量高压电路时注意安全万用表的使用读取和解释数据现代数字万用表直接显示数值和单位安全测量操作正确连接测试线测量电压时并联连接，测量电流时串注意单位前缀（如m表示毫，k表示选择正确的功能和量程万用表通常有两个或三个插孔联连接，测量电阻时必须断开被测元千，表示兆）某些测量可能需要M万用表通常具有测量电压（公共端，通常为黑色）、件的电源始终先连接黑色测试线乘以量程倍率自动量程万用表会自COM（AC/DC）、电流（AC/DC）、电V/Ω/mA（用于测量电压、电阻和（COM端），然后再连接红色测试动调整显示范围，但仍需了解单位含阻、电容、二极管、温度等功能使小电流，通常为红色）和（用线测量完成后，先断开红色测试线，义10A用前需根据测量对象选择正确的功能于测量大电流）测量不同参数时需再断开黑色测试线旋钮位置，并选择合适的量程不确正确插入测试线定时先选大量程，再逐步调整示波器的基本操作基本功能示波器是显示和分析电信号波形的仪器，可以测量电压随时间变化的关系现代示波器可以测量频率、幅值、相位、上升时间等多种信号参数，是电子工程中必不可少的工具主要控制旋钮垂直控制调节垂直灵敏度（）和垂直位置；水平控制调节时基（时间格）和水平位V/div/置；触发控制设置触发方式、电平和源；通道选择选择输入通道和耦合方式（）AC/DC/GND测量步骤连接探头（注意探头衰减比）；选择适当的垂直灵敏度和时基；调整触发设置使波形稳定；调整波形位置至适当位置；读取波形参数或使用自动测量功能注意事项使用前校准探头；测量高电压信号时注意安全；了解探头的带宽和阻抗特性；保护输入不超过最大允许电压；正确设置探头衰减比例（通常为或）10X1X电学安全知识电击危害电流通过人体可能导致肌肉痉挛、呼吸困难、心脏纤颤甚至死亡通常认为超过的电流对人体就有危险电击严重程度取决于电流大小、通过路径、持续时间10mA和频率保护措施使用绝缘工具和防护装备；安装漏电保护器；设备正确接地；了解紧急断电方法；操作高压设备时保持一只手插在口袋里（防止电流穿过心脏）；远离水源操作电气设备紧急救助发现电击事故首先切断电源；不要直接接触触电者；使用绝缘物移开导线；检查呼吸和脉搏；必要时实施心肺复苏；立即呼叫紧急医疗服务安全规范遵守电气安全标准和规范；定期检查电气设备；不使用损坏的电线和设备；不超负荷使用电源；保持电气设备干燥；避免不正确的临时接线家庭用电常识用电负荷节能用电安全用电家庭电路通常设计为多个选择高效节能电器（如定期检查电线和插座是否回路，每个回路有一定负灯替代白炽灯）；有磨损；不使用不合格的LED载能力普通家用插座回不使用时关闭电器而不是电器；不超负荷用电；保路额定电流约为待机；合理设置空调温度持电器通风散热；不用湿16A（系统下约（夏季不低于℃）；手操作电器；外出时关闭220V26）使用大功率注意家电能效标识；避免非必要电源；安装漏电保3520W电器（如电热水器、空调）长时间充电；优先使用自护器时应使用专用回路避免然光照明在同一回路中连接过多大功率电器常见故障处理断电后检查保险丝或空气开关；排查可能的短路或过载原因；确认故障电器并暂停使用；专业故障（如线路老化、插座损坏等）应请专业电工处理；定期进行电气安全检查电能表的读数电能表（俗称电表）是测量电能消耗的仪表，单位通常是千瓦时现代家庭中广泛使用的电能表有机械式电能表、电子式电能表和智能电能表三种主要类型kWh机械式电能表通常有几个数字轮盘，从右至左依次表示个位、十位、百位等，读数时从左到右记录所有数字电子式电能表有显示屏，直接显示电能读数智能电能LCD表不仅显示读数，还可能显示实时功率、电压等信息，并具有远程抄表功能计算用电量时，用当前读数减去上次记录的读数，得到的差值就是这段时间的用电量（）乘以电价即可得知电费许多地区实施阶梯电价，不同用电量区间有不同kWh电价，计算时需分段计算节能用电技巧电磁波频谱分类基本性质从低到高频率依次为无线电波、微波、电磁波是电场和磁场相互垂直传播的波，红外线、可见光、紫外线、射线、伽马X以光速传播2射线应用领域波速关系4通信、医疗、军事、天文、气象等众多电磁波频率、波长和波速的关系fλc3领域都有广泛应用，真空中c=fλc≈3×10⁸m/s电磁波是麦克斯韦电磁理论的重要预测，由赫兹实验证实它们能够在真空中传播，这与机械波不同电磁波的传播不需要介质，但在不同介质中传播速度不同电磁波的能量与频率成正比，频率越高能量越大电子学基础半导体二极管半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，其导电性能可二极管是最基本的半导体元件，由一个结构成其主要特性是PN以通过掺杂、温度、光照等因素控制最常用的半导体材料是硅单向导电性正向偏置（端接正，端接负）时导通；反向偏置P N和锗，现代电子工业主要基于硅技术时阻断二极管在电子电路中有多种应用Si Ge半导体通过掺杂形成两种基本类型型半导体（主要载流子为不同类型的二极管包括整流二极管（用于转换）、稳压N AC-DC电子）和型半导体（主要载流子为空穴）当型和型半导体二极管（提供稳定参考电压）、发光二极管（，将电能转化P PN LED结合时，形成结，这是许多半导体器件的基础为光能）、光敏二极管（对光照敏感）、肖特基二极管（低正向PN压降）等晶体管广泛应用成为现代电子技术的基石，是各种电子设备的核心组件1主要类型双极型晶体管和场效应晶体管两大家族BJT FET基本功能放大、开关、稳压、振荡、逻辑运算等多种功能基本结构由三层半导体构成，有和两种类型BJT NPNPNP晶体管是世纪最重要的发明之一，由美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿于年发明晶体管取代了体积大、功耗高、寿命短的电子201947管，推动了电子技术的革命性发展现代集成电路中，可能包含数十亿个晶体管，使得复杂的电子设备如计算机、智能手机成为可能集成电路简介1958年发明与初期杰克基尔比和罗伯特诺伊斯分别独立发明了集成电路，初期仅包含几个晶··IC体管1960-1970年快速发展小规模集成电路和中规模集成电路出现，集成度从数十个到数百个SSI MSI元件1970-1990年大规模集成3大规模集成电路和超大规模集成电路技术成熟，微处理器诞生LSI VLSI1990年至今极大规模集成超超大规模集成电路，单芯片集成数十亿个晶体管，摩尔定律持续推动ULSI技术进步数字电路基础逻辑门基本逻辑运算单元，包括与门、或门、非门、与非门AND ORNOT、或非门、异或门等NAND NORXOR组合逻辑电路输出仅取决于当前输入的电路，如加法器、编码器、解码器、数据选择器等时序逻辑电路输出不仅取决于当前输入，还与过去状态有关的电路，如触发器、寄存器、计数器等数字系统由组合逻辑和时序逻辑构成的复杂系统，如微处理器、存储器、控制器等数字电路是现代电子技术的基础，它使用离散的电压电平（通常为高电平和低电平）来表示二进制数字（和）与模拟电路相比，数字电路具有抗干扰能力强、精度高、10易于设计和集成等优点基本的逻辑门电路是构建复杂数字系统的基础通过逻辑代数和布尔函数，可以设计实现各种数字功能现代数字电路设计通常使用硬件描述语言如或HDL VHDL，并通过可编程逻辑器件如实现快速原型开发Verilog FPGA模拟电路基础运算放大器滤波器电路振荡器电路运放是模拟电路中最基本和最重要的元件滤波器用于选择性地允许某些频率信号通振荡器用于产生周期性信号，如正弦波、之一，具有高增益、高输入阻抗和低输出过，同时衰减或阻止其他频率信号按照方波、三角波等常见的振荡器类型包括阻抗的特点通过不同的外部反馈网络，频率特性，滤波器分为低通、高通、带通振荡器、振荡器、晶体振荡器等振RC LC可以实现各种线性和非线性功能常见的和带阻四种基本类型滤波器在信号处理、荡器在信号源、时钟发生和通信系统中扮运放应用包括放大器、积分器、微分器、通信系统和音频设备中有广泛应用演重要角色比较器等电学在现代科技中的应用能源技术电力生产、传输与分配；可再生能源（太阳能、风能）；电能存储（电池技术）通信技术移动通信网络；卫星通信系统；光纤通信；互联网基础设施计算技术微处理器；存储器；量子计算；人工智能硬件平台医疗技术医学成像（、）；生物电信号监测；电子医疗设备；植入式医疗器械CT MRI交通技术电动汽车；磁悬浮列车；电力推进系统；自动驾驶技术电学知识重点回顾电荷与电场电路基础电荷是物质的基本属性，正负电荷相互作用，电流是电荷的定向移动；电压是电势差，推产生电场；库仑定律描述电荷间的相互作用动电流流动；电阻阻碍电流通过；欧姆定律、力；电场强度描述电场特性基尔霍夫定律是电路分析的基础2应用技术电磁学电子学基础包括半导体、集成电路；电测量电流产生磁场；磁场对运动电荷产生力；电4技术涉及各种电表使用；电力技术包括发电、磁感应现象是能量转换的基础；电动机和发输电和用电安全电机利用电磁原理工作结语电学与未来发展205030%碳中和目标年能效提升空间电气化是实现碳中和的关键途径，电力将成为未先进电力电子技术有望使能源利用效率提高约来主要能源载体30%50B物联网设备数量预计年全球将有亿电子设备互联，形2030500成万物互联网络电学知识是现代科技的基础，对未来社会发展具有深远影响随着可再生能源技术的发展，电力系统将变得更加清洁和智能化超导体技术有望突破，实现常温超导，彻底改变电力传输效率纳米级电子技术将继续推进，使得电子设备更加微型化、高效化量子计算、人工智能专用芯片等前沿技术将极大地扩展电子学的应用领域掌握扎实的电学基础知识，将有助于理解和参与这些激动人心的技术革新。