從零開始學(xué)電路基礎(chǔ)PDF電子書免費(fèi)下載

《從零開始學(xué)電路基礎(chǔ)》是2007年由國防工業(yè)出版社出版的圖書，該書作者是劉建清。該書內(nèi)容包括：電路的基本定律、定理和基本分析方法，磁場(chǎng)與磁路，交流電路，互感與變壓器，電路的過渡過程等。

電路基礎(chǔ)是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的起步知識(shí)。本書就是為使初學(xué)者從零開始，快速掌握電路基礎(chǔ)知識(shí)而編寫的。與傳統(tǒng)的電路基礎(chǔ)教材不同的是，本書擯棄了運(yùn)用高等數(shù)學(xué)以及大量的公式計(jì)算和定量分析的講法，注重定性和概念，注重基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)踐，并配合計(jì)算機(jī)仿真軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，使基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)做到不枯燥、不深?yuàn)W。

第一章 電路與電場(chǎng)基礎(chǔ)知識(shí)

第一節(jié) 電路及其基本物理量

電流流過的回路叫做電路，又稱導(dǎo)電回路。最簡(jiǎn)單的電路，是由電源、負(fù)載、導(dǎo)線、開關(guān)等元器件組成。電路導(dǎo)通叫做通路。只有通路，電路中才有電流通過。電路某一處斷開叫做斷路或者開路。如果電路中電源正負(fù)極間沒有負(fù)載而是直接接通叫做短路，這種情況是決不允許的。另有一種短路是指某個(gè)元件的兩端直接接通，此時(shí)電流從直接接通處流經(jīng)而不會(huì)經(jīng)過該元件，這種情況叫做該元件短路。開路（或斷路）是允許的，而第一種短路決不允許，因?yàn)殡娫吹亩搪窌?huì)導(dǎo)致電源、用電器、電流表被燒壞。

電路（英語：Electrical circuit）或稱電子回路，是由電器設(shè)備和元器件, 按一定方式連接起來，為電荷流通提供了路徑的總體，也叫電子線路或稱電氣回路，簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)或回路。如電源、電阻、電容、電感、二極管、三極管、晶體管、IC和電鍵等，構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)、硬件。負(fù)電荷可以在其中流動(dòng)。

第二節(jié) 電阻及電阻定律

電阻（Resistance，通常用“R”表示），在物理學(xué)中表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。

導(dǎo)體的電阻R跟它的長(zhǎng)度L成正比，跟它的橫截面積S成反比，還跟導(dǎo)體的材料有關(guān)系，這個(gè)規(guī)律就叫電阻定律(law of resistance)，公式為R=ρL/S 。其中ρ：制成電阻的材料電阻率，L：繞制成電阻的導(dǎo)線長(zhǎng)度，S：繞制成電阻的導(dǎo)線橫截面積，R：電阻值。

公式：R=ρL/S，R=U/I

ρ——制成電阻的材料電阻率，國際單位制為歐姆 · 米（Ω · m) ；

L——繞制成電阻的導(dǎo)線長(zhǎng)度，國際單位制為米（m)；

S——繞制成電阻的導(dǎo)線橫截面積，國際單位制為平方米（m2） ；

R——電阻值，國際單位制為歐姆，簡(jiǎn)稱歐（Ω）；

U——電壓值，國際單位制為伏特，簡(jiǎn)稱伏（v）；

I——電流值，國際單位制為安培，簡(jiǎn)稱安（A）。

其中：

ρ叫電阻率：某種材料制成的長(zhǎng)1米、橫截面積是1平方米的導(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。是描述材料性質(zhì)的物理量。國際單位制中，電阻率的單位是歐姆·米，常用單位是歐姆·平方毫米/米。與導(dǎo)體長(zhǎng)度L，橫截面積S無關(guān)，只與物體的材料和溫度有關(guān)，有些材料的電阻率隨著溫度的升高而增大，有些反之。

電阻率

1.電阻率ρ不僅和導(dǎo)體的材料有關(guān)，還和導(dǎo)體的溫度有關(guān)。在溫度變化不大的范圍內(nèi)，：幾乎所有金屬的電阻率隨溫度作線性變化，即ρ=ρo（1+at）。式中t是攝氏溫度，ρo是O℃時(shí)的電阻率，a是電阻率溫度系數(shù)。

⒉由于電阻率隨溫度改變而改變，所以對(duì)于某些電器的電阻，必須說明它們所處的物理狀態(tài)。如一個(gè)220 V -100 W電燈燈絲的電阻，通電時(shí)是484歐姆，未通電時(shí)只有40歐姆左右。

⒊電阻率和電阻是兩個(gè)不同的概念。電阻率是反映物質(zhì)導(dǎo)電性能好壞的屬性，電阻是反映物體對(duì)電流阻礙作用的屬性。

電阻率是一個(gè)反應(yīng)材料導(dǎo)電性能的物理量。

電阻率數(shù)值上等于單位長(zhǎng)度、單位截面的某種物質(zhì)的電阻，其倒數(shù)為電導(dǎo)率。電阻率與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積等因素?zé)o關(guān)，是導(dǎo)體材料本身的電學(xué)性質(zhì)，由導(dǎo)體的材料決定，且與溫度有關(guān)。

電阻率在國際單位制中的單位是Ω·m，讀作歐姆米，簡(jiǎn)稱歐米。常用單位為“歐姆·厘米”。

電阻率較低的物質(zhì)被稱為導(dǎo)體，常見導(dǎo)體主要為金屬，而自然界中導(dǎo)電性最佳的是銀。其他不易導(dǎo)電的物質(zhì)如玻璃、橡膠等，電阻率較高，一般稱為絕緣體。介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì) （如硅） 則稱半導(dǎo)體。

第三節(jié) 導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體

導(dǎo)體是善于導(dǎo)電的物體，即是能夠讓電流通過材料；不善于導(dǎo)電的物體叫絕緣體。（并不是能導(dǎo)電的物體叫導(dǎo)體，不能導(dǎo)電的物體叫絕緣體，這是一般人常犯的錯(cuò)誤）金屬導(dǎo)體里面有自由運(yùn)動(dòng)的電子,導(dǎo)電的原因是自由電子.半導(dǎo)體隨溫度升高其電阻率逐漸變小,導(dǎo)電性能大大提高,導(dǎo)電原因是半導(dǎo)體內(nèi)的空穴和電子對(duì)。在科學(xué)及工程上常用利用歐姆來定義某一材料的導(dǎo)電程度。

能夠讓電流通過的材料，導(dǎo)體依其導(dǎo)電性還能夠細(xì)分為超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、及絕緣體。在科學(xué)及工程上常用利用歐姆來定義某一材料的導(dǎo)電程度。它們使電力極容易地通過它們。

當(dāng)電流在導(dǎo)體內(nèi)流過時(shí)，事實(shí)上是因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)的自由電荷(在金屬中的自由電荷是電子,而在溶液中的自由電荷則為陰、陽離子)產(chǎn)生漂移而造成的，根據(jù)材料的不同，自由電荷的漂移方式也不相同：在超導(dǎo)體中，電子幾乎不受原子核的干擾而能夠快速移動(dòng)；而在導(dǎo)體內(nèi)電子的移動(dòng)受限于該材料所造成的電子海的能階大??；而在半導(dǎo)體內(nèi)，電子能夠移動(dòng)是因?yàn)殡娮?空穴效應(yīng)；而絕緣體則是電子受限于分子所構(gòu)成的共價(jià)鍵，使得電子要脫離原子是一件非常困難的事。因此，沒有絕對(duì)絕緣的絕緣體，只要有足夠大的能量（例如高壓電）就可以使電子得以通過某絕緣體。

而在溶液中的電子流動(dòng)是因?yàn)殡x子游動(dòng)而造成的，能夠讓電流通過的溶液稱為電解質(zhì)溶液。不善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)稱為絕緣體（Insulator），絕緣體又稱為電介質(zhì)引。它們的電阻率極高。絕緣體的定義：不容易導(dǎo)電的物體叫做絕緣體。 絕緣體和導(dǎo)體，沒有絕對(duì)的界限。絕緣體在某些條件下可以轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。這里要注意：導(dǎo)電的原因：無論固體還是液體，內(nèi)部如果有能夠自由移動(dòng)的電子或者離子，那么他就可以導(dǎo)電。沒有自由移動(dòng)的電荷，在某些條件下，可以產(chǎn)生導(dǎo)電粒子，那么它也可以成為導(dǎo)體

絕緣體的種類很多，固體的如塑料、橡膠、玻璃和陶瓷等；液體的如各種天然礦物油、硅油、三氯聯(lián)苯等；氣體的如空氣、二氧化碳、六氟化硫等。在通常情況下，氣體是良好的絕緣體。在某些特殊條件下，絕緣體也會(huì)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。

絕緣體在某些外界條件，如加熱、加高壓等影響下，會(huì)被“擊穿”，而轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。在未被擊穿之前，絕緣體也不是絕對(duì)不導(dǎo)電的物體。如果在絕緣材料兩端施加電壓，材料中將會(huì)出現(xiàn)微弱

的電流。

絕緣材料中通常只有微量的自由電子，在未被擊穿前參加導(dǎo)電的帶電粒子主要是由熱運(yùn)動(dòng)而離解出來的本征離子和雜質(zhì)粒子。絕緣體的電學(xué)性質(zhì)反映在電導(dǎo)、極化、損耗和擊穿等過程中。

絕緣體是一種可以阻止熱(熱絕緣體）或電荷（電絕緣體）流動(dòng)的物質(zhì)。電絕緣體的相對(duì)物質(zhì)就是導(dǎo)體和半導(dǎo)體，他們可以讓電荷通暢的流動(dòng)（注：嚴(yán)格意義上說，半導(dǎo)體也是一種絕緣體，因?yàn)樵诘蜏叵滤麜?huì)阻止電荷的流動(dòng)，除非在半導(dǎo)體中摻雜了其他原子，這些原子可以釋放出多余的電荷來承載電流）。術(shù)語電絕緣體與電介質(zhì)有相同的意思，但是兩種術(shù)語分別用在不同的領(lǐng)域中。

一個(gè)完全意義上的熱絕緣體，根據(jù)熱力學(xué)第二定律是不可能存在的。然而，有一些材料（如二氧化硅）就非

常接近真正的電絕緣體，從而產(chǎn)生了閃存技術(shù)。一個(gè)更大類別的材料，如，橡膠和很多的塑料，對(duì)于家庭和辦公室配線來說都是"完美”的，沒有安全性方面的隱患， 并且效率也很高。

在沒有發(fā)明出更好的合成（物理或化學(xué)反應(yīng)）物質(zhì)前，在大自然的固有物質(zhì)中，云母和石棉都可以作為很好的熱和電絕緣體。

半導(dǎo)體（semiconductor），指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導(dǎo)體在收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體：電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體：

室溫時(shí)電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm之間（上限按謝嘉奎《電子線路》取值，還有取其1/10或10倍的；因上角標(biāo)暫不可用，暫用當(dāng)前方法描述），溫度升高時(shí)電阻率則減小。半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。

本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶(見能帶理論)，受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成

一個(gè)帶正電的空位，稱為空穴。導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴合稱電子- 空穴對(duì)，均能自由移動(dòng)，即載流子，它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流，分別稱為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴，電子-空穴對(duì)消失，稱為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動(dòng)能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子- 空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)半導(dǎo)體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時(shí)，將產(chǎn)生更多的電子- 空穴對(duì)，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實(shí)際應(yīng)用不多。

第四節(jié) 電荷和電場(chǎng)

第五節(jié) 電容器

電容器通常簡(jiǎn)稱其為電容，用字母C表示。定義1：電容器，顧名思義，是‘裝電的容器’，是一種容納電荷的器件。英文名稱：capacitor。電容是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于電路中的隔直通交，耦合，旁路，濾波，調(diào)諧回路， 能量轉(zhuǎn)換，控制等方面。定義2：電容器，任何兩個(gè)彼此絕緣且相隔很近的導(dǎo)體（包括導(dǎo)線）間都構(gòu)成一個(gè)電容器。

通用公式C=Q/U平行板電容器專用公式：板間電場(chǎng)強(qiáng)度E=U/d ，電容器電容決定式 C=εS/4πkd

隨著電子信息技術(shù)的日新月異，數(shù)碼電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度越來越快，以平板電視（LCD和PDP）、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品為主的消費(fèi)類電子產(chǎn)品產(chǎn)銷量持續(xù)增長(zhǎng)，帶動(dòng)了電容器產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)。并帶動(dòng)了相關(guān)材料、設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)成為全球電容器生產(chǎn)大國。

在直流電路中，電容器是相當(dāng)于斷路的。電容器是一種能夠儲(chǔ)藏電荷的元件，也是最常用的電子元件之一。

這得從電容器的結(jié)構(gòu)上說起。最簡(jiǎn)單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)（包括空氣）構(gòu)成的。通電后，極板帶電，形成電壓（電勢(shì)差），但是由于中間的絕緣物質(zhì)，所以整個(gè)電容器是不導(dǎo)電的。不過，這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓（擊穿電壓）的前提條件下的。我們知道，任何物質(zhì)都是相對(duì)絕緣的，當(dāng)物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是都可以導(dǎo)電的，我們稱這個(gè)電壓叫擊穿電壓。電容也不例外，電容被擊穿后，就不是絕緣體了。不過在中學(xué)階段，這樣的電壓在電路中是見不到的，所以都是在擊穿電壓以下工作的，可以被當(dāng)做絕緣體看。

在交流電路中，因?yàn)殡娏鞯姆较蚴请S時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過程是有時(shí)間的，這個(gè)時(shí)候，在極板間形成變化的電場(chǎng)，而這個(gè)電場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的函數(shù)。實(shí)際上，電流是通過場(chǎng)的形式在電容器間通過的。

第二章 電路基本定律

第一節(jié) 歐姆定律和焦耳定律

在同一電路中，導(dǎo)體中的電流跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻阻值成反比，這就是歐姆定律，基本公式是I=U/R。歐姆定律由喬治·西蒙·歐姆提出，為了紀(jì)念他對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)，物理學(xué)界將電阻的單位命名為歐姆，以符號(hào)Ω表示。

由歐姆定律I=U/R的推導(dǎo)式R=U/I或U=IR不能說導(dǎo)體的電阻與其兩端的電壓成正比，與通過其的電流成反比，因?yàn)閷?dǎo)體的電阻是它本身的一種屬性，取決于導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積、材料和溫度、濕度（初二階段不涉及濕度），即使它兩端沒有電壓，沒有電流通過，它的阻值也是一個(gè)定值。（這個(gè)定值在一般情況下，可以看做是不變的，但是對(duì)于光敏電阻和熱敏電阻來說，電阻值是不定的。對(duì)于有些導(dǎo)體來講，在很低的溫度時(shí)存在超導(dǎo)的現(xiàn)象，這些都會(huì)影響電阻的阻值。）

導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。（表達(dá)式：I=U:R)

焦耳定律是定量說明傳導(dǎo)電流將電能轉(zhuǎn)換為熱能的定律。內(nèi)容是：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電的時(shí)間成正比。焦耳定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：Q=I^2;×Rt（適用于所有電路）；對(duì)于純電阻電路可推導(dǎo)出：Q=W=PT;Q=UIT;Q=(U^2/R)T

電流所做的功全部產(chǎn)生熱量，即電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)有Q=W（在純電阻電路中）。電熱器和白熾電燈屬于上述情況。

在串聯(lián)電路中，由于通過導(dǎo)體的電流相等，通電時(shí)間也相等，根據(jù)焦耳定律可知電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟導(dǎo)體的電阻成正比。

在并聯(lián)電路中，由于導(dǎo)體兩端的電壓相等，通電時(shí)間也相等，根據(jù)焦耳定律可知電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟導(dǎo)體的電阻成反比。

電熱器：利用電流的熱效應(yīng)來加熱的設(shè)備，電爐、電烙鐵、電熨斗、電飯鍋、電烤爐等都是常見電熱器。電熱器的主要組成部分是發(fā)熱體，發(fā)熱體是由電阻率大，熔點(diǎn)高的電阻絲繞在絕緣材料上制成。

焦耳定律是定量說明傳導(dǎo)電流將電能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的定律。

非純電阻電路：Q=I^2Rt

純電阻電路：Q=u^2/R t=I^2Rt=W=Pt=U I t（電能只轉(zhuǎn)化為內(nèi)能）

第二節(jié) 基爾霍夫電流和電壓定律

第三節(jié) 電路中電位的計(jì)算

第三章 電路的等效變換

第一節(jié) 電阻電路的等效變換

第二節(jié) 電壓源、電流源及其等效變換

第三節(jié) 受控源簡(jiǎn)介

第四章 電路基本分析方法和重要定理

第一節(jié) 電路基本分析方法

第二節(jié) 電路分析重要定理

第三節(jié) 非線性電阻電路的分析

第五章 磁場(chǎng)與磁路基礎(chǔ)知識(shí)

第一節(jié) 磁場(chǎng)和磁感線

第二節(jié) 安培力和磁感應(yīng)強(qiáng)度

第三節(jié) 電磁感應(yīng)

第四節(jié) 磁性材料的性能

第五節(jié) 磁路及其基本定律

第六章 交流電路

第一節(jié) 正弦交流電的產(chǎn)生及變化規(guī)律

第二節(jié) 正弦交流電的三要素

第三節(jié) 正弦交流電的表示法

第四節(jié) 電阻、電感和電容交流電路

第五節(jié) 功率因數(shù)的提高

第六節(jié) RC和LC電路

第七節(jié) 迭加法在交流電路中的應(yīng)用

第八節(jié) 復(fù)數(shù)在交流電路中的應(yīng)用

第七章 三相交流電路與安全用電

第一節(jié) 三相交流電源

第二節(jié) 三相電路負(fù)載的連接

第三節(jié) 三相電路的功率

第四節(jié) 供電與用電

第五節(jié) 安全用電與建筑防雷

第八章 互感和變壓器

第九章 電路的過渡過程

第十章 Edison仿真軟件及其在電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)