没有任何一项发现比电更能影响我们的生活、文化和生存。电无处不在;它照亮我们的道路,烹饪我们的食物,甚至可以刷牙。举个例子,想象一下,如果医疗领域没有电,那么有多少人的生命会因为除颤器、起搏器等电子设备而被挽救。从有声电影到八首歌,再到尖叫着“我想要我的MTV”,甚至是标签,没有电都不可能。继续读下去,你会发现更多关于基本电学理论的知识。

电是什么?

那么,电是什么?它从哪里来?更重要的是,为什么地毯、袜子和门把手是一个糟糕的组合?用最简单的术语来说,电就是电荷的运动,按惯例,它被认为是由正到负的运动。无论电荷是如何产生的,无论是化学上的(比如电池)还是物理上的(袜子和地毯的摩擦),放电的运动都是电。

了解当前

这种电荷的流动称为电流。电流有两种,直流电(DC)和交流电(AC)。直流是电压极性恒定的单向流动电流,而交流是随着电压极性周期性地改变方向的电流。托马斯·爱迪生(Thomas Edison)和亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)是直流电的先驱,他们书写了很多电的历史。但是随着社会的发展,在长距离传输中使用直流电变得过于低效。尼古拉·特斯拉发明了交流电力系统,改变了这一切。有了交流电,就有可能产生长时间传输所需的高电压。因此,今天,大多数便携式设备使用直流电源,而发电厂生产交流电源。基本电学理论,电路基础

欧姆定律

电学中最基本的定律是欧姆定律(V=IR)。V代表电压,这意味着两个电荷之间的电位差。换句话说,它是测量在两点之间移动一个单位电荷所需要的功。当我们看到一个值,如10伏特,它是一个测量两个参考点之间的电位差。正常情况下两个点会是+10V和0V(也称接地),但也可以是+5V和-5V之差,+20V和+10V等。在现场,你可能会听到术语“公共基础”,这是指系统中的每个设备使用相同的零点参考(或地),以确保相同的电位差(或电压)应用于整个系统。欧姆定律的下一个分量是电流,它的单位是安培;在公式中,电流由字母i的非常合乎逻辑的选择表示。如前所述,电流是对电路中电荷流量的测量。剩下的字母R代表抵抗。电阻,以欧姆为单位,是对电路中电流排斥量的测量。 Simply, resistance resists current flow. When electrons flow against the opposition offered by resistance in the circuit, friction occurs and heat is produced. The most common application for resistance in a circuit is the light bulb. The light bulb introduces enough resistance in a circuit to heat up the filament inside, causing light to be emitted. Resistance in a circuit can also be helpful when needing to alter voltage levels, current paths, etc. Resistors are self-contained packages of resistance that can be added to a circuit and are commonly used to divide voltage levels.

控制系统工程白皮书

串并联电路

在我开始使用欧姆定律之前,我想介绍一些其他的电路概念。首先,我们需要理解串联和并联电路是什么意思。串联电路是与电源直连的电路。串联电路中的电流始终是恒定的,但电压可能会变化。并联电路是指从电源上分离出来的电路。从电源提供的总电流在每个支路中分配,但电压是普遍的。基本电气理论你可能经历过安装圣诞彩灯的痛苦,结果发现它们一个也不能用。提示克拉克格里斯沃尔德!在你挂掉的几百个灯泡中,可能有一个坏掉了。很有可能是因为其中一盏灯坏了或烧坏了,因为它们连在一起,其他的灯现在也坏了。因为所有的灯都是连在一起的,如果其中一盏熄灭了,就会在那一点造成开路。由于开路,没有电流流到其他灯。基本电气理论
基本电气理论幸运的是,很多新的光线是平行排列的。因此,如果一个灯熄灭了,那么只有那个电路分支会熄灭。开放将被隔离在那支树枝上,电流将继续流向那股海滩上的其他灯光,快乐,到……世界!基本电气理论基本电气理论

应用欧姆定律

现在,让我们将欧姆定律应用于下面的电路(仅供练习之用,电路是理论上的),并计算提供给每个负载的电压和电流。下图是一个儿童睡前玩具的供电电路。R1为扬声器的电阻值,R2为led的电阻值。R1等于430欧姆,R2等于284欧姆电源是5VDC, 5A的电池。提供给led和扬声器的电压是多少?首先,我们需要找到回路中的电流一旦腹部被按下,开关1 (S1)关闭。电源提供5安培的电流,但电路将只使用负载的要求。利用欧姆定律,我们可以重新配置公式来求解环路中的电流,或者I (loop) = V (loop)/ R (loop)。使用提供的值,我们可以计算出I(回路电流)= 5VDC/714Ω = 7mA。

欧姆定律在串联电路中的应用

所以现在我们知道回路中的电流是7mA,并且在一个串联电路中电流始终恒定,我们可以使用欧姆定律来计算提供给扬声器的电压:V(扬声器)= I(回路)x R(扬声器)或V(扬声器)= (7mA) x (430Ω)或~ 3VDC。LED的电源电压依次为:V(LED) = (7mA) x(284)或~ 2VDC。这个电路被称为分压器电路。电源电压在负载之间按比例分配,每个负载承受的电阻。R1的电阻更高,得到总5VDC电源的3VDC, R2得到剩余的2VDC。也可以说R1的压降为3VDC, R2的压降为2VDC。基本电气理论

基尔霍夫电压定律(KVL)

这个电压降原理导致了基础电气工程中的另一个重要定律,Kirchoff电压定律(KVL)。这个定律指出,闭环中电压的代数和总是等于零。如果我们只知道供电电势和R1的电压降,我们可以用KVL来求另一个电压降。使用KVL,你必须遵循当前的路径,并使用显示的组件的极性。如果当前路径是未知的,你必须假设一个。我们将使用正到负(顺时针)路径。V(供应)+ V(1) +(2) = 0或5 vdc +(+ 3伏直流电)+ (+ V(2))。求解V(2) V(2) = 2VDC,我们知道这是正确的。当一个回路中有多个供应品时,KVL真的很方便。

应用于并联电路的欧姆定律

现在让我们将相同的玩具重新连接,使扬声器和led与电源并联,如下所示。基本电气理论让我们也使用相同的值,如R1 = 430Ω, R2 = 284Ω, V(源)= 5VDC, I(源)= 5A。这次让我们来看看每个分支从电源引出的电流是多少。如前所述,对于并联电路,每个支路上的电压将等于供电电压。所以马上,我可以告诉你,R1和R2上的电压都是5VDC。利用欧姆定律,我也可以计算每个回路或支路的电流。建立电流或I(R1) = V(R1)/R1的计算公式为:I(R1) = 5VDC/430Ω = 11.63mA。对另一个回路做同样的处理,我们得到I(R2) = V(R2)/R2, I(R2) = 5VDC/284Ω = 17.6mA。我们再求出整个电路的总电流。不,我们不打算把两个支路电流加在一起(聪明,但太简单了);我们将使用欧姆定律和并联电阻计算。 First we need to find the total resistance in the circuit. In series circuits we would just add all of the resistance values together. In parallel, you have to add the reciprocals of all the resistance values together and then reciprocate back. Here we go, 1/R(total) = 1/R1 + 1/R2 = 1/430Ω + 1/284Ω = 0.0058467… Now reciprocate back to get R(total) = 171Ω. Using this value we can now find I(total) = V(total)/R(total) = 5VDC/171Ω = 29.23mA. You can see that if we had added the two loop currents together we would have gotten the same result, I(R1) + I(R2) = 11.63mA + 17.6mA = 29.23mA. High fives all around! One quick note, current will always try to take the path of least resistance. I was taught to think that current flows much the same as water. If you have two channels in a river and one is partially blocked by logs, then most of the water will flow through the clear channel. Same is true with current. In a parallel circuit, the branch with the least amount of blockage or resistance will receive the majority of the current. In our example both channels are partially blocked but the one that is most clear (R2) will receive the most current. Pop Quiz, what if R2 was to short out? Well, in a short there is no resistance, so all of the current would flow though that branch. The wire could overheat causing the worm to lose its glow and quite possibly everything else. Fusing that branch would save little Suzie’s favorite toy and fusing is a very important part of design both in circuits and in systems as a whole.

Kirchoff电流定律(KCL)

简单回顾一下:在串联电路中,电流是恒定的而电压是变化的,但在并联电路中,电压是恒定的而电流是变化的。这种电流在并联电路中的变化带来了基础电气工程中的下一个重要定律——Kirchoff电流定律(KCL)。这个定律基本上说明进入一个节点的电流等于流出该节点的电流。换句话说,一个节点的净电流为0或0 = I(In) - I(out)。看看下图中的节点(两个循环之间的连接),我们已经知道这是正确的:0 = 29.23mA - (11.63mA + 17.6mA)。基本电气理论KVL和KCL在更先进的电路中非常有用,比如下面这个(玩具车遥控器)。基本电气理论(hozbreak)

功率方程

最后一个需要记住的方程是幂方程P = IE。P代表功率,单位是瓦特,I代表电流,E代表电压。这个方程可以结合欧姆定律来求解未知的值。例如:在欧姆定律中,我们知道I = E/R,因此结合幂方程(P = IE)我们得到P = E (E/R)或P = E^2/R。根据欧姆,我们知道E = IR,把它和P = IE结合,我们得到P = I^2R。使用前面的并行例子,我们可以找到电路消耗的功率。我们知道电池的额定电压是5VDC,我们计算了并联电路中的总电阻(171Ω)。使用这两个值,玩具消耗的功率将是:P(总)= (5VDC)^2/171Ω = 146mW。(hozbreak)

结论

我希望这些信息有助于刷新那些可能已经被遗忘的东西。它不打算包含每一个可能的场景,方程或主题是电或电路。为了帮助进一步理解电力和电气原理的来龙去脉,在网上搜索大量可用的电气工程书籍。从电气原理衍生出来的一个大工业是自动化。自动化是电力为你完成一项任务。关于自动化和如何应用自动化的更多信息可以在我们的电子书中找到:自动化101:控制系统工程的工业指南如需更多有关电机工程的资料,请浏览以下资料:IEEEISA,电子码

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