第2章电工与电子基础知识

第2章电工与电子基础知识2.1电路及电路基本定律电能是一种优越的能量，以其生产方便、使用和控制简单、传输效率高和清洁环保等特点，在工业、农业、科学技术、交通、国防以及社会生活等各个领域，都获得了越来越广泛的应用，因此，电工与电子技术知识对于生产实际和日常生活越来越重要。汽车从它诞生的第一天起，就与电结下了不解之缘，可以毫不夸张地说，没有电就没有现代汽车。2.1.1电的基本概念2.1.1.1电的概念自然界中的任何物质都是由分子组成的，分子是由原子组成，而原子又是由带正电的原子核和带负电的核外电子所组成。在通常情况下，原子是中性的，对外不显电性，物质也不显带电的性能。自然界中只存在正、负两种电荷，物体带电的原因就是得到或失去了电子。物体所带电荷的多少叫电荷量（或电量），用Q来表示，单位是库仑（C），1库仑相当于6.24146×1018个电子所带的电荷总量。大量的事实说明，电荷间存在着相互作用的力，同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引。在自然界中，电荷既不能创造，也不能被消灭，它们只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，这个结论叫电荷守恒定律。2.1.1.2电流1．电流的形成有的物质，如金属中的金、银、铜、铁、铝等以及非金属中的石墨、硅等，它们的原子核对外层电子的吸引力小，外层电子很容易脱离原子核的束缚成为能够自由移动的自由电子，当这类物质给予一定的外加条件时（如接上电源），就能迫使自由电子发生定向移动，这些电荷有规则的定向移动称为电流。把这类具有良好导电本领的物体叫做导体。另一些物质，如塑料、陶瓷、石蜡、玻璃、纯净水等，它们的原子核对外层电子的吸引力大，电子不容易脱离原子核的束缚而移动，因此，在物体内不能形成电荷的有规则的移动，这类物质没有导电本领或导电本领很弱，叫做绝缘体。2．电流的强度电流的大小取决于在一定的时间内通过导体横截面的电荷量的多少。在相同的时间内通过导体横截面的电荷量越大，在导体内形成的电流就越强；反之，电流就越弱。电流的强弱用电流来表示。通常规定：单位时间内通过导体横截面的电荷量称为电流，用大写的字母I表示。若在t秒内通过导体横截面的电荷量为Q，则IQ/t电流的单位是安培（A），简称安。若在1s内通过导体横截面的电荷量为1C，则流过导体的电流就为1A，即1A=1C/1s电流的单位除安培（A）外，还有千安（kA）、毫安（mA）、微安（A），它们之间的换算关系是1kA=1000A1mA=0.001A1uA=0.000001A电流的方向规定为：正电荷的运动方向为电流的方向，同负电荷运动的方向相反。2.1.1.3电压导体中的电流是由大量的自由电荷定向移动形成的，而只有在导体两端接上电源，在导体内部形成电场，大量电荷在电场力的作用下定向移动才能形成电流。因此，导体中形成电流的条件是：导体两端接有电源，也就是说在导体两端保持有电压。电压用U表示。电压的单位是伏特（V），简称伏。常用的电压单位还有千伏（kV）和毫伏（mV），它们之间的换算关系是：1kV=1000V1mV=0.001V2.1.1.4电阻和电阻器1．电阻当电流通过金属导体时，做定向移动的自由电荷会与金属中的带电粒子发生碰撞，而这种碰撞阻碍了自由电子的定向移动，因而也就阻碍了电流的形成，这种导体对电流的阻碍作用叫做电阻。导体电阻的大小反映了导电能力的强弱，电阻用R表示。电阻的单位是欧姆，简称欧，用Ω表示。电阻常用的单位还有千欧（kΩ）和兆欧（MΩ），它们之间的换算关系为1kΩ=103Ω1MΩ=106Ω导体的电阻是客观存在的，它的大小只取决于导体的长度、横截面积和材料，而与导体两端的电压和流过的电流无关。即R＝ρl/S式中R——导体的电阻，Ω；Ρ——与导体的材料性质有关的物理量，称为电阻率或电阻系数，通常是指导体温度为20°C，长度为1m、横截面积是1m2的某种材料的导体的电阻值，单位Ω·m；L——导体的长度，m；S——导体的横截面积，m2。2．电阻器及其符号电阻器是电路中应用最广泛的元件，其质量的好坏对电路的工作稳定性有极大的影响，电阻器的主要作用是稳定和调节电路中的电流和电压。电阻器分可变电阻器和固定电阻器两大类，可变电阻器绝大多数用来调节电压的大小，因此，又叫电位器。2.1.2电路2.1.2.1电路电流流过的回路叫做电路，又称电子回路。最简单的电路由电源负载和导线、开关等元件组成，如图2-2（a）所示。电路可以用电路图来表示。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫做负载。开关是指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件。最常见的开关是让人操作的机电设备，其中有一个或数个电子接点。接点的“闭合”（Closed）表示电子接点导通，允许电流流过；开关的“开路”（Open）表示电子接点不导通形成开路，不允许电流流过。电路状态有三种状态：开路、短路、通路。开路：也叫断路，因为电路中某一处因中断，没有导体连接，电流无法通过，导致电路中电流消失，一般对电路无损害。短路：电源未经过任何负载而直接由导线接通成闭合回路，易造成电路损坏、电源瞬间损坏、如温度过高烧坏导线、电源等。通路：处处连通的电路。2.1.2.2串联电路串联电路是使电流只有一条通路通过每一个电路元件，为电路组成的两种基本方式之一。例如，一个包含两个电灯泡和一个9V电池的简单电路。若导线连接电池到一个电灯泡再到下一个电灯泡，回到电池，构成一个连续的圈，则两个电灯泡之间为串联。串联电路有如下特点：（1）流过每个电阻的电流相等。因为直流电路中同一支路的各个截面有相同的电流强度。（2）总电压（串联电路两端的电压）等于分电压（每个电阻两端的电压）之和，即：U=U1+U2+……Un这可由电压的定义直接得出。（3）总电阻等于分电阻之和。2.1.2.3并联电路并联电路是在构成并联的电路元件间电流有一条以上的相互独立通路，为电路组成的两种基本方式之一。例如，一个包含两个电灯泡和一个9V电池的简单电路。若两个电灯泡分别由两组导线分开地连接到电池，则两灯泡为并联。并联电路有如下特点：（1）总电流等于各支路的电流之和。（2）并联电路中各电阻的电压与总电压相同。（3）相互并联的电阻其总电阻值的倒数等于个电阻值的倒数和。2.1.3欧姆定律欧姆定律是电学基本定律之一，是指同一导体中，通过导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。它说明了电流和电压与电阻之间的关系。R=U/I式中U——电压，V；R——电阻，Ω；I——电流，A。2.1.4电功电流所做的功叫做电功，实际就是电能转化为其他形式能量的过程，计算电功的公式是：W＝UItW＝I2Rt或W＝U2t/R式中U——电压，V；I——电流，A；t——时间，s；W——电功，J。2.1.5电功率电流在单位时间内所做的功叫做电功率。电功率用P来表示，P=W/t而W＝UIt（即电压乘以电流乘以时间），所以P=UIP＝I2R或P＝U2/R上式表明，电功率等于电压与电流的乘积，电功率P的单位就是瓦特。电功率的单位还有千瓦，符号是kW，1kW=103W。把公式P=W/t，变形后可得W=Pt，由此可以定义“千瓦时”，电流在1h内所做的功，就是1kW·h，1kW·h=1000W×3600s=3.6×106J。2.1.6电容电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1V所需的电量，叫做电容器的电容。电容器从物理学上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显，可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。一个电容器，如果带1C的电量时两级间的电势差是1V，这个电容器的电容就是1F，即C=Q/U但电容的大小不是由Q或U决定的，即C=εS/4πkd其中ε——一个常数；S——电容极板的正对面积；d——电容极板的距离；k——静电力常量；常见的平行板电容器，电容为C=εS/d其中ε——极板间介质的介电常数；S——极板面积；d——极板间的距离。在国际单位制里，电容的单位是法拉第，简称法，符号是F，常用的电容单位有毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）（皮法又称微微法）等，换算关系是：1法拉（F）=103毫法（mF）＝106微法（μF）1微法（μF）=103纳法（nF）=106皮法（pF）多电容器并联计算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn多电容器串联计算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn2.1.7基尔霍夫电流定律定义：在集总电路中，在任一时刻，流出任一节点的电流代数和恒等于零。即对任一节点有∑i=0注意：“流出”节点电流是相对于电流参考方向而言。“代数和”指电流参考方向，如果是流出节点，则该电流前面取“+”；相反，电流前面取“-”。“代数和”指电流参考方向如果是流出闭合面，则该电流前面取“+”；相反，电流前面取“-”。基尔霍夫电流定律是电流连续性的表现，即流入节点的电流等于流出节点的电流。2.1.8基尔霍夫电流定律定义：在集总电路中，任何时刻，沿任意回路，所有支路电压的代数和恒等于零。即对任一闭合回路都有∑IR=∑E即∑U=0事实上上式不仅可以用在任一闭合回路，还可以推广到任一不闭合的电路上，但要将开口处的电压列入方程。凡电压的参考方向与回路绕行方向一致者，在该电压前取“+”号，反之，为“-”号。2.2半导体元件2.2.1半导体电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体介于导体和绝缘体之间，既可以是导体，也可以是绝缘体，与掺入的杂质有关。半导体室温时电阻率约在10-5～107·m之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅为最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。半导体主要影响因素如下：（1）受温度的影响大。外界环境温度的变化对半导体材料的电阻有很大的影响。温度升高，半导体材料中的电子获得更多的能量，更容易摆脱原子核的束缚，从而改善了半导体材料的导电性能；温度降低则与之相反。（2）受杂质的影响很大。纯净的半导体导电性能很差，但是如果在半导体材料中有选择地加入其他元素（称为杂质），就可使它的导电性能大大增加。（3）受光照、电压、磁场的影响很大。2.2.1.1PN结的单向导电性1．PN结在半导体材料中掺入杂质，它的导电性能将大大改变，由于掺入的杂质不同，就形成不同类型的半导体材料。如果在半导体材料中掺入锑、磷、砷等五价元素，将制作成N型半导体。如果在半导体材料中掺入铟、铝、硼等三价元素，将制作成P型半导体。控制杂质的种类和数量，就控制了P型或N型半导体的导电性能。将P型半导体和N型半导体结合在一起，它们的交界处就形成一个PN结。2．PN结具有单向导电性P区接电源的正极，N区接电源的负极，如图2-3（a）所示，叫做正向偏置，此时二极管电流很大，即PN结正向导通，正向电阻很小。P区接电源的负极，N区接电源的正极，如图2-3（b）所示，叫做反向偏置，此时二极管电流很小，即PN结反向截止，反向电阻很大。2.2.1.2晶体二极管PN结的P区和N区各接出一条引线，再封装在管壳里，就构成一个二极管，P区引出端叫正极，N区引出端叫负极，如图2-4（a）所示。二极管的符号如图2-4（b）所示，它表示二极管具有单向导电性，箭头表示正向电流的方向。二极管外